基于融合終端的無功補償測量與控制方法

摘 要：針對無功補償測量方法測量精度低等問題，本文對無功補償的測量和控制方法進行研究。本文方法采用融合終端設備收集電網內的信息，并采用基于傳統(tǒng)功率理論諧波方法對電網內的電流進行補償計算，得到需要補償的數據。根據得到的補償數據對電網采取無功控制策略。本文方法提升了無功補償的測量精度，使其達到99.6%。本文方法將融合終端用于無功補償中，能夠實時觀測電網內的數據變化，保證無功補償的準確性和實時性，便于擴展和優(yōu)化，靈活性較高。

關鍵詞：融合終端；傳統(tǒng)功率理論諧波方法；無功補償計算；無功控制策略；電網數據

中圖分類號：TP 242" " " " " " 文獻標志碼：A

隨著智能化水平越來越高，無功補償技術逐漸在電網領域得到推廣，其優(yōu)化了供電環(huán)境，提升了電網系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[1]。因為傳統(tǒng)的無功補償技術測量精度較低，控制策略單一，不能滿足電力系統(tǒng)高效、智能的需求，所以采用將無功補償方法與融合終端設備相結合的方法，其可以精準計算所需補償的電流，滿足電網系統(tǒng)的需求，適用的場合較為廣泛。

李丹等[2]將量子粒子群算法和螢火蟲算法融合，架構雙層配電網無功補償協(xié)調模型，完成無功補償協(xié)調控制。該方法融合2種算法，其計算復雜性較大，如果參數調整出現(xiàn)問題，那么會影響無功補償的精度。

趙龍等[3]利用X光探傷設備檢測配電站，并在無功補償設備中安裝備用設備，對電網進行無功補償和控制。該方法缺少實時調整能力，不能適應電網的實時變化。

為了解決以上問題，本文提出基于融合終端的無功補償測量與控制方法。采用融合終端設備采集配電信息，使用傳統(tǒng)功率諧波理論方法計算需要補償的電流，再利用基于電壓源換流器控制方法對無功功率完成電網系統(tǒng)內無功功率的控制。經過試驗，驗證了本文方法的可行性。

1 融合終端信息采集

采用融合終端設備對配電站中的信息進行采集，獲得配電站內相關數據，為后續(xù)無功補償測量和控制提供基礎[4-5]。融合終端是一種固定移動融合內衍生的用戶終端，集多種通信方式和多種功能于一體，一般用于辦公和智能家居等場合，能夠收集數據。使用融合終端內的計量芯片和處理器對電網內的信息進行收集，具體過程如下。1）利用精密互感器將融合終端中的計量芯片與電網進行連接，測量電網內的三相電壓和電流等參數。2）利用總線將融合終端中的處理器與計量芯片進行連接，接收計量芯片中的測量數據，使用處理器處理電網的相關數據，生成配變監(jiān)測數據。3）融合終端包括就地通信接口和無線通信接口，使用無線局域網將處理器處理的數據傳輸至相應的監(jiān)控平臺或者設備中。根據上述步驟采集融合終端的電網數據，獲得電網中電壓和電流等參數信息。

2 無功補償和控制

2.1 基于傳統(tǒng)功率諧波理論的無功補償

根據上述過程收集并獲得電網內的相關數據。采用傳統(tǒng)功率諧波理論方法對收集的數據進行計算，得到需要補償的電流[6-7]。

將電源電壓進行如下設置，如公式（1）所示。

（1）

式中：us為電源電壓；U為電壓有效值；ω、φ分別為角頻率和初相角；t為積分變量。

補償后的電源電流is如公式（2）所示。

（2）

式中：is為電源電流；Re為電阻。

補償的電源電流與Re有統(tǒng)計學意義，因此需要準確計算電阻的值。由傳統(tǒng)功率理論可知，非線性負載損耗的有功功率PL的計算過程如公式（3）所示。

（3）

在電網中，包括諧波的非正弦周期電路中的有功功率與瞬時功率的平均值有統(tǒng)計學意義，因此PL在1個周期中的積分值如公式（4）所示。

（4）

式中：PS為積分值；T為周期。

在信號處理器中，根據上一個周期的電流和電壓積分測量PL。由能量守恒定律可知，電網提供的負載功率與有功功率相等，如公式（5）所示。

PL=PS" " " " " " " " " " " " " " " " " （5）

根據公式（3）和公式（5）獲得等效線性電阻負載值，如公式（6）所示。

（6）

利用得到的電阻負載值，將公式（4）和公式（6）代入公式（2）中，得到所預測的補償電源電流，如公式（7）所示。

（7）

需要補償的電流ic如公式（8）所示。

ic=is-iL " " " " " " " " " " " " " " " " （8）

式中：iL為負載電流。

根據上述公式，可以將電網系統(tǒng)內的電源電流補償為與電源電壓同頻率的正弦波，同時將有源電力濾波器與非線性負載組合為線性電阻負載，從而實現(xiàn)無功功率的補償，使功率因數達到1。

執(zhí)行上述步驟得到電網系統(tǒng)中需要補償的無功功率，為無功功率控制奠定基礎。

2.2 無功補償控制

為了進一步優(yōu)化無功功率的控制效果，不僅可以利用有源電力濾波技術進行初步的無功補償外，還可以結合更先進的控制方法來提升系統(tǒng)性能?；诖?，采用電壓源換流器控制技術對無功功率進行調節(jié)。該方法對逆變側電壓和整流側電流進行精確控制來有效控制電網系統(tǒng)無功功率[8-9]。

在此基礎上，換流站的無功容量Qf可以體現(xiàn)當前狀態(tài)下的無功功率水平，Qd 為無功補償后的無功功率，使無功交換量 Qs和換流站保持在預期值 Qsref附近[10]。經過這個過程，無功功率控制穩(wěn)定、可靠。

設電壓為0，電力系統(tǒng)中的整流站情況為Qd1=Qf1，整流站無功功率電壓Qd1ref如公式（9）所示。

（9）

式中：Ud01為理想狀態(tài)下空載直流電壓；Pdref為直流功率；Q2 f1為整流站的無功容量。

Ud2ref和Id1ref分別為逆變側直流電壓和整流側直流電流，如公式（10）、公式（11）所示。

（10）

式中：n為直流輸電系統(tǒng)運行級數。

Ud2ref=Ud1ref-Id1refRd " " " " " " " " " " " （11）

式中：Rd為直流回路電阻。

根據公式（10）、公式（11）可以得到電力系統(tǒng)中整流側直流和逆變側直流的電壓參考流程，如圖1所示。

整流側無功功率控制如圖2所示。雖然換流站無功控制方法對有功輸送的影響較小，但是該方法對控制目標Qsref來說是開環(huán)控制，控制結果與預期值會產生偏差。為了縮短實際結果與預期值的偏差，在開環(huán)控制的基礎上引入反饋機制，利用反饋機制將無功交換量Qs和換流站輸入至無功優(yōu)化控制中，并與期望值進行比較，利用比例積分調節(jié)器處理得到的偏差值，將處理后的偏差值修正至合理的范圍內，防止修正過大，使無功補償控制不穩(wěn)定。控制目標Qsref可以根據運行情況自行設置。

在圖2的基礎上進一步引入反饋機制，增加控制環(huán)，更精確地控制無功功率，如圖3所示。

根據上述過程對電網系統(tǒng)內無功功率進行控制。

3 試驗與分析

為了驗證基于融合終端的無功補償測量與控制方法的整體有效性，需要進行測試。

3.1 試驗準備

準備相應的控制器、測量儀表等設備，并對設備進行全面檢查，確定設備滿足試驗需求，具有試驗所需的精度，保證試驗穩(wěn)定、可靠，試驗結果準確。搭建融合終端實驗平臺，調試設備至需要的參數，見表1。

3.2 功率損耗測試

功率損耗測試的作用是衡量無功補償控制方法的效果，功率損耗越小，無功補償控制方法越穩(wěn)定，控制效果越好，可以滿足電網系統(tǒng)的需求；功率損耗越大，無功補償控制方法的穩(wěn)定性越差，難以滿足電網系統(tǒng)的需求。因此對本文方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法進行功率損耗測試，測試結果如圖4所示。

由圖4可知，本文方法功率損耗較低，最高僅為30 W，穩(wěn)定性較好，可以控制電網內無功功率，文獻[2]方法和文獻[3]方法功率損耗較高，穩(wěn)定性較差，不能較好地控制電網內的無功功率，難以滿足電網系統(tǒng)的需求。

3.3 無功補償控制偏差測試

對電網系統(tǒng)進行無功補償控制，補償控制的偏差越小，無功補償控制效果越好，補償控制的結果更準確，提高電網的穩(wěn)定性和電能質量可以有效改善功率因數，因此，對本文方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法的無功補償控制偏差進行測試，測試結果如圖5所示。

由圖5可知，使用文獻[2]方法和文獻[3]方法對無功功率補償進行控制，補償控制偏差較大，補償控制結果不準確，降低了電網穩(wěn)定性和電能質量，不能有效優(yōu)化功率因子，難以滿足電網系統(tǒng)的需求。因此，本文方法采用比例積分調節(jié)器并進行限幅，與文獻[2]方法和文獻[3]方法相比，無功補償偏差值較小，能夠提高電網穩(wěn)定性以及電能質量，無功補償在50 var以下，有效優(yōu)化功率因子，符合電網系統(tǒng)的需求。

3.4 無功補償精度測試

無功補償精度測試的主要作用是檢驗無功功率補償的可靠性和準確性，如果補償測量值和實際值差異較大，那么證明補償測量結果不準確；如果差異較小，那么證明補償測量結果準確，可以對電網系統(tǒng)無功功率進行補償測量。筆者對本文方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法的無功補償精度進行測試，測試結果見表2。

由表2可知，使用文獻[2]方法和文獻[3]方法對電網進行無功補償測量，測量結果與實際結果差距較大，不能準確地對無功功率進行補償測量，對后續(xù)無功功率控制影響較大，本文方法的無功補償測量精度較高，實際值達到99.6%，可以準確對電網無功功率進行補償測量。

綜上所述，本文方法在補償精度和功率損耗等方面都比文獻[2]方法和文獻[3]方法好，因此本文方法更符合實際需求，可以用于對電網的無功功率補償測量和控制中。

4 結論

隨著科學技術的發(fā)展，無功補償和控制方法的使用頻率逐漸提高，出現(xiàn)的問題越來越多。由于電網系統(tǒng)無功補償和控制方法存在補償精度低和功率損耗大等問題，因此采用本文方法對電網中的數據進行收集，利用收集的數據對無功功率進行補償。采用無功補償控制方法對無功功率進行控制，試驗結果表明，本文方法實際值達到99.6%，可以對電網系統(tǒng)進行無功功率補償并控制，補償結果準確。

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