低压配电网无功补偿及优化研究

朱贵辽+程汉湘

摘要：为了满足现阶段低压电网工作的需要，合理的无功补偿对农村电网的降损节能具有重要意义。为此，首先分析了农网无功负荷的特点，接着阐述了进行无功优化的前提和原则以及含有电力电子设备的无功补偿装置，此外，研究了农网无功优化的数学模型以及优化计算方法，对无功配置的优化，有利于提高功率因数、改善电压质量以及降低网损有着重要的意义。

关键词：无功负荷；数学模型；电压质量； 降低网损

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

1引 言

随着农网配电网容量的增加，对无功的需求也在相应地增加。无功功率可以提高电力系统的电能质量，降低电网的损耗，对电网的稳定而可靠的运行起着重要的作用。电网无功优化研究[1-2]的作用是合理预测未来无功需求而采取的一种补偿方法，使得电网无功合理的分配，让电网运行在最佳状态。一般来说，对电网的无功优化主要是安装单个补偿装置或是组合装置，比如STATCOM、UPFC以及SVG等等，但是这些装置一般是由电力电子设备组成的，故而会产生一定的谐波，造成配电网的谐波污染从而影响系统的正常稳定运行，鉴于此一般就需要加上一些滤波装置，如电网常用的LC滤波、无源电力滤波器（PPF）以及有源电力滤波器（APF）等[3]。因此，讨论农网配电网无功补偿及优化具有重要的现实意义。

2无功功率负荷的特点及损耗分析

低压配电网的无功负荷一般分为三种即：农村用电设备、配电变压器和输配电线路。农村用电设备中最常用的是异步电动机，而它需要一定的无功功率来维持正常稳定的运行，此外，对于配电变压器而言，一般它的容量也会很大，会根据季节而变动。配电变压器消耗的无功一般是由不变的空载损耗以及可变的漏磁损耗而组成的。输配电线路在正常运行时也会消耗一定的无功功率，一般与负荷大小有一定的关联，但其所占百分比较小。

一般来说，电力系统无功负荷主要是由感应电机所决定的，因为电网中存在很多的这类电机，故而电力系统无功功率负荷的特性曲线主要由感应电机来决定的[4]。

变压器的无功损耗QLT包括励磁损耗ΔQ0和漏抗中的损耗ΔQT。

（1）

另外，电力系统在运行时输电线路上也会消耗一定的无功功率，设输电线路中阻抗为R+jX，首端电压幅值为V1，潮流功率为P1+jQ1，不计线路对地电容的影响，则有串联输电线路无功损耗ΔQL如下式：

（2）

可以看出：串联输电线路的无功功率损耗ΔQL与线路电抗成正比，与线路电流成反比的。

3无功补偿装置和方法

3.1无功补偿装置

比较常用的一种无功补偿装置是晶闸管控制电抗器（TCR），它是一种并联连接的晶闸管来对电感进行控制从而来控制有效电感值，以此通过对电感电流的控制而改变系统的潮流分布，从而来对配电网无功进行优化。文献[5]详细地分析了TCR的原理和补偿特性以及谐波抑制。而文献[6]则利用TCR和FC的组合来进行无功补偿及优化，并且利用瞬时无功理论的算法对无功进行优化从而提高系统的稳定性和可靠性。

静止无功补偿器（SVC），它由静电电容器和电抗器两者并联而组成。SVC是目前应用最广泛的FACTS控制器之一，它能够提高输电线路传输能力、抑制系统振荡进而提高稳定性，降低损耗从而来改善电能质量[7-8]。此外，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”。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，能够有效地实现电网的潮流分布，对系统无功进行优化，提高系统的稳定性。

3.2无功补偿方法

3.2.1随器补偿

随器补偿是将补偿电容器通过低压熔断器并联在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器的空载无功功率损耗。农网配电变压器一般会存在轻载现象，在负荷低谷时系统运行接近空载。配变在轻载或空载时的无功负荷主要体现在变压器的空载无功损耗。这时采用随器补偿可以对配电变压器的空载无功功率损耗进行补偿，使无功就地平衡，使得配电变压器更加稳定的运行，而且可以降低无功网损。

3.2.2低压集中补偿

还有一种无功补偿方式是在配电变压器380V侧进行有效的集中补偿，通常采用微机来控制的低压并联电容器分为固定连接组以及可投切连接组。前者相当于随器补偿的作用，补偿用户自己的无功要求，后者用于补偿无功峰荷。根据用户的无功需求来适当的增加无功补偿装置以此来提高变压器用户的功率因数，实现电力系统无功的就地平衡，对配电网和配变的降损有一定作用，同时对稳定电压有一定的意义。

3.2.3随机补偿

随机补偿是将异步电动机与补偿电容器直接并联来使用，通过控制保护装置与电动机的同时投切。电容器的投切使用一般是由电动机容量来决定的，如果容量较小，则电容器可以和电动机直接并联使用来补偿无功；如果电动机容量较大，则通常不使用电容器来进行补偿，直接利用电动机的就地补偿器来补偿无功。随机补偿方式接线简单，而且便于用户来维护和管理，电压配电网的负荷波动主要是由于电动机的投入和切除而引起的，采用随机补偿可以从根本上减少或消除农网无功负荷的波动，可以有效地减低输电线路的损耗，稳定电压提高系统的可靠性。

4无功优化的数学模型

为了更好地对配电网无功进行补偿和优化，建立必要的无功优化数学模型是十分重要的，无功优化要满足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，此外还要让调压与降损相结合，这两者是以降损为主[10]。配电网无功补偿及优化往往是以发电机端、有载调压变压器的分接头以及无功补偿的容量为控制变量，以负荷的节点电压幅值、发电机无功为状态变量，通过对各变量进行控制调节，使系统损耗达到最小值，同时也要满足各状态变量在给定范围的最大和最小范围以内。对配电网无功优化主要涉及电网无功优化的目标函数、无功优化的潮流约束以及基本的变量约束，下面针对中低压网来对无功优化的数学模型进行分析和研究。

可以确定电网无功优化的目标函数的控制变量一般是以电网的有功损耗和补偿设备的投资之和的最小值为分析目标。由此可以构造如下的目标函数：

在配电网无功优化中，变压器分接头的合理调节、无功补偿容量的确定以及发电机端电压的调节都必须满足如下的潮流方程：

式中，i=1，…，Nbus ；Qi为节点注入的无功功率；Ui、Uj分别为节点i，节点j的电压；Gij、Bij以及θij分别为节点i和节点j之间连接支路的电导、电纳和相角。

无功优化问题中的变量可分为控制变量和状态变量，控制变量和状态变量约束都不能超过各自的上下限值。其中：分接头可调变压器的变比Ti、补偿电容器的容量Cj以及发电机机端电压Ugk为无功优化的控制变量；输电线路的节点电压Ui和发电机的注入无功Qgk为优化的状态变量。控制变量的不等式约束为：

式中：Umax、Umin分别表示电网节点电压的上下限；Qgkimn和 Qgkmax分别表示发电机无功出力的上下限；i、k分别在节点总数和发电机总数范围以内。

5人工智能算法在无功优化中的应用

近年来，随着人工智能算法的不断完善以及飞跃发展，许多算法已经延伸到电力系统的各个领域，其中包括无功优化，负荷预测等等。遗传算法、模拟退火和Tabu搜索（简称TS）等“现代启发式”全局搜索的寻优技术在许多领域得到了广泛的应用，使得电力系统自动化研究领域更加的完善。

5.1 TS算法

简单TS算法的基本思想在文献[11-12]中已经详细论述了，给定一个当前解和一种邻域范围，然后在当前解的邻域中选择出若干候选解；若候选解对应的目标值优于“目前的最佳解”的状态，就忽视其禁忌特性，用其替代当前解和“目前的最佳解”的状态，并将相应的搜索对象加到禁忌表中，同时也要修改禁忌表中各对象的任期；若不存在上述所说的候选解，则在候选解中选择非禁忌最佳状态为新的当前最佳解，无视的它影响，同时将相应的对象加入到禁忌表里面，并修改禁忌表中各对象的任期；不断重复上述迭代搜索的过程，一直到满足停止准则为止。

5.2 改进粒子群算法

PSO 算法的优势是收敛速度很快， 但是容易出现搜索过程中的局部最优问题。这是由于在寻优的过程中，粒子群都以最优粒子为跟踪的目标，都向着同一方向进行不断的搜索，这就会导致迭代后期粒子可能形成的趋同性，探索未知区域的能力就会减弱甚至失去，鉴于此需要对基本PSO 算法进行扩展和必要的修正。也要大量的文献对其进行的必要的研究，其中文献[13]通过引入自适应惯性系数以及变异算子对粒子群算法进行了必要地改进，取得了一定的效果，从而更好地控制粒子进化方向和速度，改善算法的收敛性能。文献[14]研究了改进PSO 算法，以确定电力系统无功优化的最优方案。

6 结束语

配电网无功优化可减小损耗和提高系统稳定性，对降低损耗、提高电压质量有着十分重要的意义。文中详细论述了无功功率负荷的特点和对线路损耗的分析，给出了配电网无功补偿的常用装置和补偿方法，其次，研究了无功优化的数学模型，最后论述了人工智能算法在电网无功补偿中的使用和意义。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，提高电力系统的稳定性，对智能电网的发展和研究有着一定的参考意义。

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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；