动态无功补偿分级控制策略的研究

叶玮

摘要：电力行业自改革开放发展至今已经取得了非常不错的成就，使我国彻底摆脱之前用电供不应求的尴尬局面。随着电力系统的发展，各种新型冲击性负荷（如工业电弧炉、电力机车、轧钢机等）以及新的敏感设备大量出现，传统的单一性负载逐渐被复合电力负载替代。大量的感性负荷需要消耗电网无功，同时复合电力负载工作状态具有实时变化的特点，要求无功补偿系统跟踪负载变化，动态调节电网功率因素，对无功補偿技术提出了新的要求。

关键词：动态无功补偿;分级控制策略

引言

电力行业的发展带动我国其它行业发展迅速，使我国快速进入现代化科学技术发展阶段。供电系统中的负载大部分都会以感性的形式呈现，例如用于空调和水泵的异步电动机以及计算机系统整流器等。其中有大部分在使用的过程中对供电系统比较严格，必须在无功功率的情况下才能够正常运行工作，而且还需要根据使用机械的自身特性在决定。

1常用的无功补偿方式

就地无功补偿。采用电容器直接装在用电设备附近，与电动机的供电回路相并联，常用于低压电网。它使用晶闸管或者机械开关作为投切开关，通过就地电压传感器控制而自动地投切电容器。运行时电机所需无功由电容器就地供给，能量交换距离最短，可以最大限度降低线路的电流。在线路相同的条件下，线路损耗与电流的平方成正比，所以电容就地补偿节电效果最好，投资也小。但是，工业现场环境相对较差，特别是冶金行业，金属粉尘含量较高，维护保养等若不及时进行，往往容易损坏。分散无功补偿。常采用高压电容器分组安装在电网的10千伏/6千伏配电线路的杆架上、公用配电变压器的低压侧、用户各车间的配电母线上，达到提高电网的功率因数，降低供电线路的电流，减少线损的目的。集中无功补偿。采用变电站和高压供电电力用户降压变电站母线上的高压电容器组，也包括集中装在电力用户总配电高低母线上的电容器组。其优点是有利于控制电压水平，且易于实现自动投切、利用率高，维护方便，能减少配电网、用户变压器及专供线路的无功负荷和电能损耗，但是不能减少电力用户内部各条配电线路上的无功负荷和电能损耗。选择哪一种补偿方式，还要依电网的状况而定，首先对所补偿的线路要有所了解，对于负荷较大且变化较快的工况，电焊机、电动机的线路采用动态补偿，节能效果明显。对于负荷相对平稳的线路应采用静态补偿方式，也可使用动态补偿装置。一般电焊工作时间均在几秒钟以上，电动机启动也在几秒钟以上，而动态补偿的响应时间在几十毫秒，按40毫秒考虑则从40毫秒到5秒钟之内是一个相对的稳态过程，动态补偿装置能完成这个过程。

2复合电力负载的动态无功补偿分级控制策略

系统由控制模块和执行模块组成，其中控制模块的具体实现过程如下：（1）控制模块对检测到回路测量出电压和电流信号分析计算，得到电压电流的相位角?，并确定出电流相对于电压的滞后或超前关系。假定滞后的功率因数为“+”，超前的功率因数为“-”，计算出功率因数的值cos?，取10次当前采样点的平均值作为当前系统的功率因数λ;（2）给定功率因数λ0，为了防止系统震荡，此处λ0为一范围[λLλH]，为了方便描述，后面一律用λ0表示。对当前系统功率因数λ进行判定;（3）当系统处于低功率因数阶段且电流滞后于电压，即系统功率因数0<λ<λ0，按第一级控制算法发出初步投切指令，经过输出控制电路到可调电容器组，进行投入电容器组操作。（4）当系统处于过补偿阶段，功率因数高于给定功率因数λ>λ0或系统功率因数λ<0时，即电流超前电压为“-”。按第二级控制算法发出微调节控制指令，对感抗变换器进行寻优控制，从系统吸收无功功率，使功率因数达到正常范围。

3无功补偿发展趋势

在应用电容器开展无功补偿的工作属于静态补偿。在使用的过程中有固定的容抗，因此无功补偿的量也是固定的，不能随着供电系统中的感性负荷的变化而改变补偿量，导致无功补偿的过程中不能实现动态补偿。随着我国电力系统的稳定发展，需要对无功功率补偿进行创新与完善，尽可能实现动态补偿的最大效果。而且也是需要从多方面考虑，进而需要研究的人员在设计时对电力系统的各方面进行加强，促使电网中的电源以及负载扰动都有明显的提升，单一的固定补偿不能满足目前社会的发展。伴随着我国电子技术发展的进步，推进供电系统的发展，当电抗器和电容器受到晶闸管的实时投切时，进而使电抗器受晶闸管的控制以及电容器受晶闸管的投切，依据电网中无功功率的状况进行无功动态补偿，进而时固定补偿得到改进。

4复合电力负载的动态无功补偿控制算法

合理的控制算法，能消除电容器组的往复投切振荡现象及感抗变换器寻优振荡现象，同时能快速补偿系统无功功率。现对第二级控制算法（微调节）作如下说明。由于第二级控制感抗变换器要实现微调节系统无功功率的作用，需要控制算法来满足感抗变换器的无级调节，快速响应的同时提高系统稳定性。复合电力负载的动态无功补偿控制方法的第二级控制算法由模糊控制算法来实现，模糊算法模块由模糊化接口、模糊推理机、解模糊接口3部分组成。模糊化接口对电压偏差Δu、无功功率偏差Δq、功率因数偏差Δcos?，在各自的论域范围内离散化为7档，形成偏差量的模糊集（正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（0），负小（NS），负中（NM），负大（NB）），按照13个等级（-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6），通过三角形状隶属函数曲线，得出偏差量模糊集中各个子集的隶属度值;同理得出感抗变换器微调节的控制量ΔV在模糊集中各个子集的隶属度值。模糊推理机根据无功补偿控制规律和人工经验推理出由描述性语言表示的推理规则，将每个规则表示为模糊关系，并结合上述隶属度值，转换成矩阵形式，分别构成推理规则模糊关系矩阵A、B、C;通过模糊判决将3个输入变量模糊集与A、B、C进行模糊合成规则运算，得出Δu、Δq、Δcos?的输出模糊集ΔV?u、ΔV?q、ΔV??用控制表描述出它和3个输入量模糊集的对应关系，并存储在计算机内存中，从这3个控制表中查出的控制量值乘以相应的比例因子，即为电压、无功功率、功率因数进行模糊控制的实际输出值ΔVu、ΔVq、ΔV?。解模糊接口将ΔVu、ΔVq、ΔV?进行加权和，即K1ΔVu+K2ΔVq+K3ΔV?（加权因子K1、K2、K3由系统具体工况和模糊控制算法程序确定），得到一个决定第二级控制算法优化微调节感抗变换器的吸收无功的控制量ΔV，模糊控制算法模块根据ΔV来调节感抗变换器的感抗值，发出复合电力负载的动态无功补偿第二级控制指令，使系统功率因数提高到最理想状态。

结语

实时跟踪。智能传感器和控制器对复合电力负载的无功功率及无功电流进行实时分析和提取;稳定快速补偿。通过两级控制策略，优化的控制算法使该负反馈控制系统稳定性强、快速性好、准确性高。连续可调。可调电容器组和感抗变换器相互配合，既可以向电网发出无功也可以从电网吸收无功，满足无功功率快速补偿、连续调节的目的。

参考文献

[1]丁永忠，李娟，袁佑新，等.可变电抗器的研究[J].中国水运，2008，8（3）：177-178.

[2]袁佑新，蔡珊珊，班泉聚，等.基于可变电抗的静止无功补偿器拓扑结构研究[J].武汉理工大学报，2009，31（12）：120-122.

[3]余威.基于模糊控制的TSC型电弧炉无功补偿系统的研究[D].中南大学，2010.

[4]程莹.低压大电流整流器的谐波治理和无功补偿技术与应用[D].湖南：湖南大学，2010.