潘莞奴

【摘 要】隨著電網(wǎng)用電負(fù)荷規(guī)模需求不斷擴(kuò)大，大量低消耗功率因數(shù)輸電負(fù)荷陸續(xù)接入智能電網(wǎng)，無功優(yōu)化與無功補(bǔ)償之間的問題充分顯現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，電網(wǎng)迫切需要無功補(bǔ)償來平衡負(fù)荷無功。對(duì)此，本文通過對(duì)無功優(yōu)化的概述分析，詳細(xì)綜述了無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】負(fù)荷無功;無功補(bǔ)償;無功優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TM714.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）33-0150-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.074

0 引言

電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，一旦出現(xiàn)無功負(fù)荷或電源分布不均的問題，就會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的欠缺，從而直接影響風(fēng)電廠電能回收質(zhì)量。所以，利用直流無限有功補(bǔ)償電流在電網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生消耗最大有功電流功率的主要特點(diǎn)，電網(wǎng)系統(tǒng)使用無功補(bǔ)償控制裝置來大大提高智能電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量，對(duì)應(yīng)于減少電網(wǎng)系統(tǒng)因?yàn)殡娏鳠o功分配不合理而可能產(chǎn)生額外的最大消耗電流功率。本文通過無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，在合理的無功補(bǔ)償容量及方式下，探討了相關(guān)的無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展應(yīng)用。

1 無功優(yōu)化目的

無功優(yōu)化方法是泛指當(dāng)一個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中某些有功潮流負(fù)荷、電源以及其它潮流負(fù)荷分布己經(jīng)達(dá)到給定的情況下，通過優(yōu)化計(jì)算方法確定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中某些控制變量的最優(yōu)值，在能夠滿足所有性能約束控制條件的一定前提下，使某一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的值達(dá)到最優(yōu)時(shí)的一種運(yùn)行優(yōu)化方式。

電力系統(tǒng)在運(yùn)行期間，風(fēng)電廠的功率調(diào)度系統(tǒng)工作人員通常需要在有功功率潮流分布一定的條件狀態(tài)下，利用各種無功控制技術(shù)來自動(dòng)調(diào)整控制系統(tǒng)過程中的各種無功潮流功率分布，令風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行不但足夠能有效滿足各種無功約束控制條件，還同時(shí)能夠有效實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)最小有功功率損耗。其中，無功優(yōu)化的主要目的可分為以下幾點(diǎn)：

（1）不斷改善城市電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀況，提高其穩(wěn)定運(yùn)行性能和安全性能。

（2）要求合理分配無功功率，使其能夠改善網(wǎng)絡(luò)電壓水平，保證良好穩(wěn)定的電能質(zhì)量。

（3）有效減少電能的消耗，尤其是有功方面的損耗，從而節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

1.2 無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

1.2.1 通用數(shù)學(xué)模型

從數(shù)學(xué)的角度來說，無功優(yōu)化是一個(gè)多控制變量、多離散約束的混合型非線性系統(tǒng)規(guī)劃性優(yōu)化問題，其控制變量中不包含非連續(xù)變量且有很多離散約束變量，從而容易導(dǎo)致結(jié)果使得無功優(yōu)化的完成過程十分繁瑣。

模型處理是利用無功優(yōu)化解決問題的理論基礎(chǔ)，電力系統(tǒng)無功優(yōu)化問題通?？梢员槐硎緸橐韵碌膸追N通用數(shù)學(xué)處理模型，其通用數(shù)學(xué)模型描述為：

1.2.2 目標(biāo)函數(shù)及約束

無功優(yōu)化可以使全網(wǎng)的有功損耗達(dá)到最小，滿足電網(wǎng)的運(yùn)行約束條件和控制約束條件。其中一個(gè)模型約束包含一個(gè)目標(biāo)變量函數(shù)、等式變量約束和一個(gè)不等式函數(shù)約束。

其一，根據(jù)無功優(yōu)化的目的不同，有以下五種目標(biāo)函數(shù)：

（1）給定系統(tǒng)負(fù)荷，調(diào)整無功設(shè)備電流輸出，使給定系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)出的有功損耗最小。故此目標(biāo)函數(shù)為：

（2）當(dāng)僅僅只把電壓限制看成約束條件，會(huì)導(dǎo)致無功優(yōu)化之后的電壓幅值大小無限接近上限值，所以在運(yùn)行過程中選擇將運(yùn)行電壓值和指定的電壓偏差值共同作為目標(biāo)函數(shù)，表示為：

（3）電壓穩(wěn)定裕度可以作為判斷電壓穩(wěn)定程度的指標(biāo)，表示為：

（4）無功補(bǔ)償設(shè)備（電抗器或者是電容器）的安裝要選擇在合適的位置，能夠使無功容量達(dá)到最小限值，即優(yōu)化選擇無功補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)及容量，此目標(biāo)函數(shù)為：

（5）利用系統(tǒng)總費(fèi)用最小為無功優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：

其二，約束控制條件主要包括一個(gè)等式控制約束和兩個(gè)不等式控制約束，前者即滿足變量潮流規(guī)律的方程，后者即分別管理控制變量約束和狀態(tài)變量約束。針對(duì)式（1）的代數(shù)模型，可以通過考慮寫成如下的等式和不等式約束條件：

1.3 無功優(yōu)化算法

1968年前人所提出的簡化梯度函數(shù)法計(jì)算是國外目前出現(xiàn)最早且較為具有國際影響力的無功優(yōu)化算法，對(duì)后來多方面學(xué)者的理論研究成果有很大的幫助。無功優(yōu)化算法大致來說可以劃分為經(jīng)典無功優(yōu)化算法和人工智能優(yōu)化算法兩大類。

其中，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化方法比較依附于精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，可這樣的數(shù)學(xué)模型卻又很難適應(yīng)現(xiàn)在的控制要求且過程復(fù)雜，利用簡略的模型又會(huì)存在很大誤差。所以多年來，研究人員一直致力于發(fā)現(xiàn)一種智能的方法，其中以專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等為代表。

2 無功優(yōu)化下的無功補(bǔ)償

無功優(yōu)化補(bǔ)償系統(tǒng)是關(guān)于無功優(yōu)化的一個(gè)應(yīng)用典型實(shí)例。其本質(zhì)上就是一種利用無功功率補(bǔ)償供電設(shè)備所能夠發(fā)出的無功功率信號(hào)來作為抵消電力負(fù)載或使用潮流的有功補(bǔ)償部分。無功電流補(bǔ)償過程規(guī)劃在傳統(tǒng)數(shù)學(xué)上我們可以將其看作是一個(gè)最優(yōu)化問題，但在各種系統(tǒng)中，它對(duì)于觸及多個(gè)日期和標(biāo)準(zhǔn)的一次優(yōu)化，會(huì)對(duì)其造成一種明顯的不連續(xù)性和不可微性。

如果在具體操作中應(yīng)用不當(dāng)，就會(huì)給電力系統(tǒng)帶來一些永久性的問題。所以隨著無功補(bǔ)償技術(shù)廣泛應(yīng)用發(fā)展在實(shí)踐中，理應(yīng)更需要特別著重于無功補(bǔ)償方式、無功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)的確定，補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)容量以及過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。

3 無功補(bǔ)償?shù)某Ｓ醚b置

從補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用角度來說，無功補(bǔ)償裝置通常分成靜止類無功補(bǔ)償、機(jī)械旋轉(zhuǎn)類無功補(bǔ)償、復(fù)合類無功補(bǔ)償三大類，此類劃分的方式無疑是最為全面和精準(zhǔn)的。

其中，機(jī)械旋轉(zhuǎn)類是最傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置，其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要是通過自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)械轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁器和電流頻率來控制改變無功功率的輸出或吸收。靜止類無功補(bǔ)償裝置指補(bǔ)償裝置設(shè)備沒有任何旋轉(zhuǎn)部分，運(yùn)用了靈活的交流穩(wěn)態(tài)輸電。細(xì)分下去主要是靜止無功補(bǔ)償器、靜止同步補(bǔ)償器、晶閘管投切電容、晶閘管控制電抗器和磁控電抗器。

基于MCR的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)的性價(jià)比和系統(tǒng)可靠性都比較高，對(duì)于10kV及以上電壓等級(jí)的無功控制裝置也有很強(qiáng)的市場競爭力。而基于FC+MCR與FC+TCR的這兩種裝置其復(fù)合補(bǔ)償方式相似，同樣都在于能夠直接實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)。但對(duì)于FC+TCR則晶閘管需要同時(shí)承受與實(shí)際線路電壓相同頻率等級(jí)的電壓，而對(duì)于FC+MCR中，晶閘管只需要承受的實(shí)際線路電壓僅大約為1%-3%。在特高交流電壓下的輸電補(bǔ)償系統(tǒng)中，都普遍采用了FC+MCR的補(bǔ)償方式。

4 總結(jié)

在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)所能承受的負(fù)荷與容量是有一定限度的，隨著電網(wǎng)負(fù)荷以及容量的增加，電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性問題更是越發(fā)突出，電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化補(bǔ)償勢必要改善。

當(dāng)前很多種無功優(yōu)化方案并沒有站在全局的角度出發(fā)，所以這只能是系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行方式下的一種安全經(jīng)濟(jì)的分析方法。如今若想僅依靠無功優(yōu)化手段來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，則更多的是要利用合理的無功補(bǔ)償方式來改善電力發(fā)展。無功補(bǔ)償手段作為良好電能質(zhì)量不可或缺的一環(huán)，必然要精確計(jì)算無功補(bǔ)償點(diǎn)和補(bǔ)償容量，在不同環(huán)境情況下，配置相應(yīng)合理的補(bǔ)償裝置，確保電力系統(tǒng)的功率平衡。

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