低压配电网无功补偿及优化研究

朱贵辽 程汉湘 彭拜

摘要：随着智能配电网的发展，配电网的结构发生变化，往往用户需要消耗大量无功，使得输电系统传输更多的无功而导致电力系统功率因数降低和网损的增加。文章介绍了低压配电网的无功补偿的方法原理，论述了电网主要的补偿装置及原理，分析了无功补偿的优化及数学模型，最后论述了人工智能在无功优化中的意义，从而为电力系统的电压稳定性提供了依据，确保低压配电网供电的经济性以及供电的可靠性。

关键词：智能配电网；无功补偿；功率因数；电压稳定性

中图分类号：TM71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（C）-0000-00

1. 低压配电网无功补偿概述

电网中感性功率负荷过多时会使得电网的功率因数下降甚至电压失稳，这时为了恢复电力系统正常运行而将无功补偿装置联接在同一电路中，使得能量在两负荷之间相互流通来调节系统的稳定运行。如此，感性负荷所需要的无功功率可由无功功率装置来适当地补偿。适当合理的无功补偿对于低压配电网的经济可靠的运行能够起到积极的促进作用，但也会出现过补偿的问题[1]，过补偿反而会危害电网使得电网电压升高，增加电力系统的网损，电压合格率降低以及可能导致用户设备的不能正常运行。另一方面，由于大量的引入电力电子组合装置就会产生大量的谐波，从而造成谐波污染，影响系统的稳定可靠运行，此时又需要加入一些滤波电路，如无源电力滤波器（PPF）和有源电力滤波器（APF）等等[2-3]。

2. 无功功率负荷及损耗

绝大多数农网机械和乡镇企业的动力设备都是异步电动机，由于感应电机在电力系统无功负荷中所占的比例很大，故而系统无功负荷的电压特性主要由感应电机所决定的[4]。

变压器的无功损耗 包括励磁损耗 和漏抗中的损耗 。

从上式可以看出：当变压器的视在功率不变时，其无功损耗 与电压的平方近似成反比。变压器的无功损耗在电力系统中占有很大的比重。

另外无功损耗的一部分也体现在输电线路上，设输电线路中的串联阻抗为 ，首端电压幅值为 ，潮流功率为 ，不计线路对地电容，则有串联线路的无功损耗 如下式，即

可以看出：串联线路的无功损耗 与电抗成正比，与输电线路电流成反比。

3. 无功补偿主要装置

3.1 晶闸管控制电抗器

晶闸管控制电抗器即TCR，是一种并联连接的晶闸管控制电感，其有效电感是由晶闸管导通延迟角来控制其电感值的，它可以连续控制电感中的电流从而改变系统的潮流，从而来控制改善电网的无功分布。文献[5]介绍了TCR的构成、原理，详细地分析了其补偿特性以及谐波抑制。而文献[6]则利用晶闸管控制电抗器和固定滤波器的组合来进行无功补偿，并且使用基于瞬时无功理论的控制算法来改善和优化无功。

3.2 静止无功补偿器

静止无功补偿器即SVC，由静电电容器和电抗器并联组成的。在组合装置中电容器和电抗器分别发出和吸收无功，而电抗器侧还可以平滑的改变电抗值的大小用来改变整体的无功调节，其中电抗器可以由SCR、MCR等来控制。它是现在应用最为广泛的FACTS控制器之一，它不仅用于输电系统，提高传输能力、抑制振荡进而提高稳定性，而且用于配电网来提高供电可靠性，降低线路损耗，降低非线性负荷谐波干扰和电压波动，鲁棒性增强，改善电能质量[7-8]。

3.3 静止同步补偿器

静止同步补偿器（STATCOM）：是一种并联的、能进行无功补偿的静止同步“发电机”，功能与SVC基本相同，但是运行范围更宽，调节速度更快。其容性和感性输出电流可独立于注入点的电压而进行控制[9] STATCOM是采用电压型变流器结构，无功补偿电路内部的直流电压都是通过内部自给方式来保证的，而且都是根据同步电压源的原理来实现电压和潮流的有效控制。它是FACTS控制器中的主要无功补偿装置之一，可以是电压型或是电流型变流器。

4. 无功补偿优化及数学模型

针对农村低压配电网的无功负荷分布。无功补偿应遵循的总体原则是：全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡。也就是要使总体平衡与局部平衡相结合：集中补偿与分散补偿相结合，满足经济性下要以分散补偿为主：调压与降损相结合，而要以降损为主[10]。而此外进行补偿后有必要对无功进行优化，其优化数学模型包括目标函数和约束条件，而建立目标函数，则主要考虑几个方面：低压配电网的网损最小：系统可靠性要高：电压质量最高：经济效益最好。

若以整个配电网有功损耗最小建立目标函数，即

式中： 为网络的总支路数： 和 分别为节点 处的电压值；相应的 和

分别为两处电压的相角值； 为两节点间的电导。

若以无功补偿优化设备总投资最小为目标函数，即

其中： 为补偿设备总的费用， 为每个补偿配置的费用， 补偿设备总的数量。

无功优化的约束方程为：

为系统所满足的潮流方程， 为发电机发出的无功功率， 为补偿装置补偿的无功， 为节点的电压， 为变压器的变比。 和 分别表示变量的最小和最大。上列不等式中系统所满足的潮流方程如下，即

其中：（6）式表示节点电压矢量，（7）表示有功功率不平衡量方程式，（8）式表示无功功率不平衡量方程式。

5 人工智能算法在无功优化中的应用

人工智能方法是从一个初始解群体开始，按照概率转移原则，采用某种方式自适应地搜索最优解。

5.1 BP 神经算法

BP 神经算法的核心是拟合，即不断地正向传播和反向误差分析用以对权系数进行调整来达到目标误差所允许的范围 [11]。为了分析 BP 神经网络模型的基本运算机理，一般将网络模型分为输入层、隐含层以及输出层三层次，如图1所示。设输入为P，输人有r个，隐含层内有s1个神经元，激话函数为 ，输出层内有个s2神经元，对应的激活函数为 ，输出为A，目标矢量力T。

神经网络在训练过程中，对每层的各个神经元的输出的无功进行分析并与目标值进行比较分析和调整，最后得到最优解，这样就完成了对神经网络的学习训练 [12]。

5.2 禁忌搜索算法

该算法通过模拟人工智能的内存记忆功能，利用 Tabu 特殊方法缩小寻找范围，实现整体性最优。禁忌搜索算法关键在于应用禁忌表来记录当前的最小值，从各种不同的路径进行搜索，防止过早出现局部最优，从而在局部寻求最优解[13]。文献[14]利用固定并联电容器作为研究对象对配电网进行无功补偿及优化，采用禁忌搜索算法获得使线路损耗最小时的最优解，并在补偿容量的邻域搜索方而做了改进，增加邻域搜索范围以获得全局的最优化解。

6 结束语

随着经济社会的发展，电力系统无功优化问题越来越重要，若电力系统无功不足，则可能导致系统功率因数降低和网损的增加，造成资源的浪费和用电设备的损坏。文中介绍了电网主要的补偿装置及原理，分析了无功补偿的优化及数学模型，论述了目前人工智能算法在无功优化中的重大意义，电力系统的无功优化能够很好的提高农村配电网的供电可靠性和改善电能质量，而文中的模型对于无功补偿和优化措施能够提供一定的参考价值，对坚强智能电网的建设起着一定的推动作用。

参考文献：

[1] 朱建军，卢志刚. 中低压配电网的无功补偿[J]. 电力电容器与无功补偿，2011， 32（4）：19-23.

[2] 程汉湘，武小梅.电力电子技术（第二版）[M]. 北京： 科学出版社，2010

[3] 王兆安，刘进军. 电力电子技术（第5版）[M]. 北京： 机械工业出版社，2009

[4] 何仰赞，温增银. 电力系统分析（下册）（第三版）[M]. 武汉： 华中科技大学出版社，2002.

[5] 于洪涛.TCR型静止无功补偿器的研究[D].东北农业大学，2013

[6] 孙晓波，温嘉斌. TCR+FC型静止无功补偿装置的研究[J]. 电力电子技术，2011， 45（5）：43-45.

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[11] 刘瑾 ，杨海马，等.神经网络在电力负荷预测中的应用[J].自动化仪表，2012，33（ 9） ： 21-24.

[12] 周英，尹邦德，等.基于BP神经网络的电网短期负荷预测模型研究[J].电测与仪表，2011，48（ 02） ： 68-71.

[13] 李正新.10kV以下配电网无功电压优化及控制系统研究[D].长沙理工大学，2013

[14] 余涛. 基于禁忌搜索算法的配电网无功优化[D].南昌大学，2012

朱贵辽（1988-），男，河南濮阳人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统综合自动化；

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