低压配电网无功功率补偿的自动控制方法

王翰阳

(华北水利水电大学电力学院， 河南 郑州 450000 )

0 引言

无功负荷的增加和分布式发电机组在低压电网中的普遍应用已经成为一个十分普遍的问题。分布式发电在配电网中可以带来许多优势，但随着分布式电源在配电网中的比例逐渐升高，现代电力系统面临着输电线路能耗大幅提高、低压电网电压振荡、电力系统无功功率不足和经济性指标较差等复杂问题。静态无功补偿器(SVC)等不同类型的柔性交流输电系统(FACTS)装置被广泛应用于补偿无功功率。为了提高无功控制优化精度以及响应速度，衍生了基于智能算法、内点法、梯度法、线性规划法等算法系统，提高了无功功率控制与补偿的精准性和即时性。通过这些技术，电网在改善功率因数、电压调节、潮流控制等方面的效率得到了提高。

在本文中，考虑建立一个能够连续监测各个电源潮流的装置来监测电网、变压器和用户负荷，并在实际条件下，通过对三户住宅实际无功功率补偿的管理，利用实时数据，使用算法模型来管理无功功率，并进行适时、适量的无功功率补偿。

1 数学模型的建立

在变电站中，有多种负载类型，这就需要针对用户的用电时间和负载类型做出不同的响应。如果能够确定每个单位的需求并将其信息提供给系统，则系统将通过数学算法来分析此种无功功率和电压场景下所需的无功补偿。无论是有功负荷还是无功负荷，基本上每个用户的电力需求都有不同的响应。另一方面，用户端的负荷需求随时间而变化。在大多数情况下，家庭需求的反应彼此相差不大，例如在夏季的用电情境中，人们在下班回家后使用微波炉、空调、洗衣机等大型用电器的时间段基本一致，即一个用户的电力负荷达到峰值时，其他用户也会达到基本需求。但如果考虑家庭位于城市的住宅区，则工作日的电力需求与周末不同，而偏远地区的需求响应在一周内几乎每天都是相同的。这就需要得到每个用户的需求来确定无功补偿的大小。如一个配电变电站有一些公共线和节点，其中一些房屋直接连接到这个系统中。不同类型的负载通过每个房屋的总线和节点与系统连接。感性负载和容性负载可通过线路总阻抗来计算，同样，阻感负载、阻容负载、阻容负载串联或并联均可由电路的串并联关系来确定。那么总用电负荷可定义为每个电力用户的用电负荷之和，其取决于在配电馈线下连接的用户数量。通过了解线路上的用电用户数量以及线路的基本参数如阻抗等，可以使用电力系统分析中的基本公式计算出输电线路上的总负荷。因此，考虑到这一点，每个用户的总视在功率可定义为该用户有功功率和无功功率的矢量和。如果该配电网络有b条母线和i个节点，则总有功和无功功率可表示为该条母线单个节点中流入流出功率的代数和，由于一共有i个节点，将各个支路的各个支点功率相加即为总的视在功率。

在采用自动无功补偿装置(ARPCD)的情况下，根据配电网络的需求响应确定无功装机容量。为了保持系统功率因数的持续恒定，ARPCD提供的无功功率取决于系统的电压和电流。通过前面计算出的有功功率和无功功率的矢量和一起来共同表示ARPCD的状态。但是，由于用户需求响应的突然变化，配电网络和ARPCD供电的无功功率可能不能得到完全的补偿。在这里加入了一个反馈机制，当系统快速变化，ARPCD补偿的无功小于系统总无功需求时，通过计算需求量和补偿量之差给出系统剩余无功功率，并补发无功，直至供需达到平衡。

2 无功功率的管理和控制机制

利用仿真软件设计了一个考虑24 h负荷变化的计量数据无功计算模型。这是一个闭环系统，数据通过上述方程进行监控和汇总。在Simulink模型中，根据实际用电情况，负载被设计成具有连续变化特性的相量测量单元。该模型考虑了以小区为单位的用户真实数据。以前的输配电系统是单向的，但现在已被双向系统所取代。可以根据主动需求响应和发电量向电网供电。在这种情况下，只考虑电网对有功需求响应的无功补偿。即从用户家中，利用传感器测量住宅母线的电流和电压，然后相乘计算瞬时潮流，通过计算出的实时潮流来确定无功补偿的大小。

作为交流系统，它既要得到电压电流的有功部分，也要得到无功部分，只有这样才能得到损耗功率。功率的无功部分从传感器中得到并送至配电网。基于该算法的配电网对配电线路、用户和集线器的无功数据进行采集，通过采集到的基础数据，为ARPCD的进一步应用提供依据，其中，其总阻抗通过阻抗继电器传递到配电网当中，通过电路最基本的KCL以及KCL方程得到线路基本参数，再通过上述算法的计算以及控制系统的判别来进行无功补偿。

还需要测量电力用户的用电量，并向配电网确认其负荷响应。然后根据该算法决定呼叫控制系统，再将之前的数据合并，以采取适当的步骤调节无功功率。将电网中存在的无功功率与系统中期望的无功功率进行比较，直至“=0”。然后ARPCD将功率聚集到配电网，测量系统所需的无功功率的大小，以改善电压、功率因数等网络参数。在这种情况下，由于用电需求的变化不频繁，所以定义了每15 min间隔进行分析。

3 实验的观察和分析

通过使用Matlab在Simulink中建模，以考虑一天的功率需求。在仿真过程中有如下考虑：3个住宅通过配电馈线连接到电网的低压网中，其中配电变压器起降压作用。带控制系统的ARPCD与变压器相连，被认为是反馈控制系统。此处将负载视为单相，在电力系统中，有2种无功功率，分别是容性无功和感性无功，容性无功可理解为超前无功，而感性无功可理解为滞后无功。模拟模型以一天24 h为基础，横坐标均为时间，纵坐标分别为功率、电压以及功率因数。从仿真结果可以解读到以下信息：3户住宅在无ARPCD和有ARPCD时的耗电量以及电压波动情况以及功率因数的大小。

在有功功率和无功功率都急剧波动的需求响应的大环境下。3户住宅在没有配备ARPCD时无功功率消耗较高，对系统影响显著，系统的电压水平降低、功率因数不在理想运行的区间之内。在3户住宅中安装了ARPCD之后，由于控制系统的介入，各房屋无功潮流几乎为零，说明系统以单位功率因数运行，电压水平在理想运行的区间之内。由于该配电网程感性，所以ARPCD向配电馈线提供容性功率，补偿无功功率，以提高系统的电能质量、电压调节和功率因数。

4 结语

本文所提出的方法通过算法模型解决了显示功率实时状态的问题，再通过数学模型的搭建、算法的实现以及全新的控制手段来利用ARPCD实现无功补偿，达到提高系统功率因数，减少电压波动的效果，提高了电能质量。在现代电力系统当中，对于现有配电网中的功率需求，只有连续不间断的数据支撑，才能对网络中的各种电气量进行调控。众所周知，当大量用户连接到系统时，它将面临一系列的电能质量的问题，而通过观察每个节点和总线配置可以很容易地识别这些问题，本文这一设计就是为了解决这样一个问题。在分布式电源遍接入电网的现代电力系统当中，考虑到配电网的所有节点和总线，可将光伏板，风力发电机和其他发电电源集成，使用该方法，在了解所有的电力消费者行为下建设配电变电站，这将有助于预测发电，传输和配电的预测设计，并将提高电网的运行能力。