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        配電網(wǎng)中無功補償節(jié)能技術研究

        2022-07-02 06:17:20張文超大慶油田有限責任公司第二采油廠
        石油石化節(jié)能 2022年6期
        關鍵詞:配電網(wǎng)優(yōu)化

        張文超(大慶油田有限責任公司第二采油廠)

        隨著國家工業(yè)的迅速發(fā)展以及電力需求種類的增多,在電力系統(tǒng)中,存在著有功功率和無功功率,伴隨著電動機等無功電氣設備的增多,電網(wǎng)中的無功功率也在逐漸增大,結(jié)合配電網(wǎng)覆蓋范圍更廣、負荷增長更快、電壓等級更高、負荷特性更復雜等特點,找到滿足配電網(wǎng)中節(jié)能降耗的技術尤為重要。國內(nèi)已經(jīng)有很多學者提出了多種補償技術并對其進行了驗證。高三策[1]建立了靜止無功發(fā)生器的模型,利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡技術對其進行控制,根據(jù)模型進行了模擬仿真分析,仿真結(jié)果證明了該裝置的有效性;蘇克[2]提出了動態(tài)分相無功補償方法,利用實驗平臺和仿真軟件對改方法進行了研究,結(jié)果表明該方法應用在無功補償裝置的可靠性,降低了配電變壓器損耗;陳冰斌,趙健[3]建立了配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化的模型,提出了形狀系數(shù)的電量損耗折算法和等值電阻法對其進行優(yōu)化,驗證了該方法的合理性;殷培峰,馬莉[4]研究了在智能電網(wǎng)無功動態(tài)補償技術中晶閘管的應用,降低了電磁干擾,提高了無功補償器的補償能力。將無功補償裝置合理的安裝在合適的位置同時設計合理的容量,這樣可以降低線路損耗同時也可以提高功率因數(shù),在實際應用中,常常以分散無功補償為主,需要根據(jù)具體的實際情況設計無功補償裝置來滿足不同地區(qū)的要求[5]。因此,研究配電網(wǎng)中無功補償技術對節(jié)約電能、降低損耗等具有重要的意義。

        1 配電網(wǎng)無功補償技術

        隨著配電網(wǎng)中無功補償技術逐漸被重視,各種無功補償裝置在實際應用中多了起來[6]。在電網(wǎng)實際運行中,感性負載居多,在運行過程中需要消耗無功功率,因此在線路中增加一些無功電源,用無功電源給感性負載提供無功功率,可以降低線路損耗;同時也可以設置容性負荷,讓感性負荷和容性負荷在一條電路上,使兩種負荷隨意切換能夠滿足電力要求[7]。采用無功補償技術可以大范圍內(nèi)優(yōu)化電網(wǎng)電壓,降低無功功率的流動性,節(jié)約了電網(wǎng)運行的能量消耗,同時提高了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性,同時它也是保證電網(wǎng)高質(zhì)量運行的重要手段,無功補償技術受到越來越多的關注。

        其中,變電站集中補償一般對變壓器進行電壓調(diào)節(jié)和無功補償,采用補償裝置來達到輸電網(wǎng)絡間的無功功率的平衡,其優(yōu)點是操作簡單且維護和管理方面更加容易;低壓集中補償通常是在低壓配電變壓器側(cè)并聯(lián)電容器柜來進行無功補償,可以通過智能技術來控制并聯(lián)電容器柜實現(xiàn)電容器的自動補償,進而滿足用戶負載大小,優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)自動補償無功功率,提高了用戶需要的功率,保障了電壓水平穩(wěn)定,缺點是可能會導致線路電壓的波動進而使得電力系統(tǒng)線路電壓不穩(wěn)定,同時會產(chǎn)生無功功率補償不足或者無功電容補償過多的問題;用戶終端分散補償優(yōu)點是能夠降低小路損耗,改善線路電壓質(zhì)量,其缺點是在安裝無功補償裝置時需要確定部分變壓器功率,且在變壓器低壓側(cè)進行負載波動時,限制電容器輕載運行而降低無功補償裝置的利用效率[8]。高壓配電線路無功補償由于其公共變壓器數(shù)量增多通常并聯(lián)電容器來改變功率因數(shù),降低功率損耗,但是在補償過程中應該減少補償點的數(shù)量,其控制方式應該更加簡單而避免補償過量。而補償裝置也是多種多樣的大概有同步調(diào)相機、并聯(lián)電容器、靜止式無功補償裝置等等,目前采用較多的是靜止式無功補償裝置,其優(yōu)點是提高功率因數(shù)、節(jié)約電能、改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量、維護方便等等,能夠保證并實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定運行[9]。

        配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化其核心是算法,其中有以簡化梯度法、牛頓法為代表的非線性規(guī)劃法,優(yōu)點是算法比較簡單,缺點是收斂性不好,計算時間比較長;線性規(guī)劃法泰勒公式將非線性規(guī)劃問題變?yōu)榫€性規(guī)劃問題;現(xiàn)代人工智能方法有遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊集理論等等,隨著智能算法的發(fā)展逐漸替代了以前的無功補償優(yōu)化方法。分析無功補償優(yōu)化技術是個多約束的、多變量、非線性規(guī)劃等等特點,在對現(xiàn)有的配電網(wǎng)中的無功補償技術進行優(yōu)化時也需要考慮負荷預測等問題,但是隨著無功補償技術的發(fā)展,在對其進行優(yōu)化、智能化的過程中,同時也會存在一些諧波、電壓調(diào)節(jié)方式等等問題,所以在使用過程中要綜合考慮無功補償裝置的優(yōu)缺點,才能保證配電網(wǎng)中無功補償技術對節(jié)約電能、降低損耗的意義。

        2 配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化模型

        針對配電網(wǎng)中無功補償優(yōu)化模型,利用節(jié)點負荷電壓穩(wěn)定裕度確定最優(yōu)補償位置,利用遺傳算法來確定無功補償?shù)娜萘?。最后建?0 kV的配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化模型,對無功補償優(yōu)化前后的一些參數(shù)進行對比分析,結(jié)果表明配電網(wǎng)中無功補償技術可以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

        對于無功補償優(yōu)化模型來說,其中潮流計算是基礎,其常用的方法是節(jié)點法、支路類法等等。節(jié)點法中的牛拉法的有點是快速收斂性,但是在大型復雜配網(wǎng)中,因迭代過程中計算時間長、效率低。支路法的典型是前推回代法,其方法不需要進行矩陣的運算而大大提高了效率,潮流計算的方法采用前推回代法,前推回代法潮流計算步驟具體如下:設定計算所需的線路元件參數(shù),對系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的各個部分進行分析,形成節(jié)點分層,初始化節(jié)點并進行負荷等參數(shù)賦值,利用回代算法進行各支路功率以及功率損耗的計算,利用前推算法前推迭代出各節(jié)點電壓及壓降[10]。對節(jié)點電壓差值進行二次計算,判斷是否滿足收斂條件,滿足則輸出,否則繼續(xù)迭代。

        以10 kV的配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化模型為例,由于配電網(wǎng)中節(jié)點數(shù)目比較多,所以需要確定配電網(wǎng)的無功補償點,采用節(jié)點負荷電壓穩(wěn)定裕度作為判斷方法,根據(jù)基爾霍夫定律建立一個節(jié)點電壓方程,用L指標來表示,需要對線路進行潮流計算得到其變量和參數(shù),把L指標和1進行比較,L=1.0時,代表節(jié)點電壓臨界穩(wěn)定;當L>1.0時,代表節(jié)點電壓失穩(wěn);L<1.0時,代表節(jié)點電壓穩(wěn)定。因此確定每一個負荷節(jié)點電壓的穩(wěn)定裕度Mj,節(jié)點電壓的穩(wěn)定裕度越大,系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的可能性越小,所以根據(jù)節(jié)點電壓的穩(wěn)定裕度數(shù)值的大小判斷電壓穩(wěn)定弱節(jié)點。當電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時,根據(jù)電網(wǎng)要求設置電壓穩(wěn)定裕度的數(shù)值,當實際運行的負荷節(jié)點電壓低于設定值時,將這些節(jié)點認為是電壓穩(wěn)定弱節(jié)點的集合,對這些的弱節(jié)點視為是無功補償點。所以在配電網(wǎng)中利用節(jié)點負荷電壓穩(wěn)定裕度來判斷需要無功補償點,確定補償位置。利用遺傳算法來確定無功補償裝置的容量,把系統(tǒng)中經(jīng)濟效益最好放到首位,采用凈現(xiàn)值法作為經(jīng)濟評價標準。

        在建立無功補償優(yōu)化模型的工程中,采用罰函數(shù)作為狀態(tài)變量的約束條件建立目標函數(shù),將配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)和遺傳算法參數(shù)輸入計算機軟件,利用前推回代法進行潮流計算,得到負荷節(jié)點電壓穩(wěn)定裕度,確定無功補償裝置的安裝點,進行編碼,生出初始種群,修正網(wǎng)絡參數(shù),再次進行潮流計算,計算個體適應度,選擇、交叉、變異操作,潮流計算,評價個體,判斷是否滿足進化,最后建立配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化模型,算法流程見圖1。

        圖1 算法流程Fig.1 Algorithm flow chart

        10 kV配電線路拓撲結(jié)構(gòu)見圖2,將無功補償優(yōu)化模型應用到實際中對線路進行分析和優(yōu)化。根據(jù)10 kV的配電網(wǎng)中的潮流數(shù)據(jù)和較大負荷情況下線路的潮流分布,電能損耗和負荷成正比例,負荷大,損耗也就大;在負荷較大或較小時,功率因數(shù)不好,具有提高的余地;另外,從饋線初始到節(jié)點7消耗了大部分的能量,其中一部分原因是線路較長,損耗較大。與此同時,在配電網(wǎng)中變壓器的損耗也很大,由于變壓器的型號、容量都不相同,而且配電線路中負載率低、負荷波動大使其無法經(jīng)濟運行,增大配電網(wǎng)的損耗。

        圖2 線路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the urban line

        在不考慮線路好變壓器損耗的條件下,利用潮流計算結(jié)果,找到負荷節(jié)點電壓穩(wěn)定裕度,評估各個負荷節(jié)點的電壓穩(wěn)定裕度,評估各個負荷節(jié)點的電壓穩(wěn)定裕度后,設置其值0.6,負荷節(jié)點的電壓穩(wěn)定裕度小于這個值的節(jié)點選為無功補償點,選出的無功補償?shù)墓?jié)點包括:34、55、57、62、65、70、72。為了方便實際操作和靈活動態(tài)補償選擇在配電網(wǎng)中低壓側(cè)進行動態(tài)補償。確定補償點后根據(jù)遺傳算法確定補償容量,進行無功補償優(yōu)化計算,遺傳算法經(jīng)過多次迭代后找到最大凈現(xiàn)值點,負荷節(jié)點的無功補償容量見表1。

        表1 無功補償容量Tab.1 Reactive compensation capacity

        確定了補償裝置的位置和補償容量之后,利用遺傳算法對無功補償技術進行優(yōu)化,將經(jīng)過優(yōu)化之后的補償裝置應用到實際之中,無功補償優(yōu)化前后整體參數(shù)對比見表2,經(jīng)過分析可知,在無功補償優(yōu)化之后,配電網(wǎng)中有用功和無用功的損耗都有所降低,同時線路總有功損耗也降低了,功率因數(shù)得到了明顯的提高,無功補償優(yōu)化后的配電網(wǎng)整體數(shù)據(jù)都有轉(zhuǎn)好的趨勢。

        表2 無功補償優(yōu)化前后整體參數(shù)對比Tab.2 Comparison of overall parameters before and after optimization of reactive compensation

        3 結(jié)論

        對于配電網(wǎng)來說,最有效節(jié)能降損的方法就是無功補償技術。通過對配電線路低壓側(cè)進行無功補償?shù)难芯?,根?jù)潮流計算結(jié)果,設置負荷節(jié)點的電壓穩(wěn)定裕度,找到需要進行無功補償?shù)墓?jié)點,采用遺傳算法將經(jīng)濟效益最好是目標函數(shù),綜合考慮各方面因素,對無功補償技術進行優(yōu)化,確定需要補償節(jié)點的補償容量。最后以某城區(qū)10 kV配電網(wǎng)為例,根據(jù)優(yōu)化模型在配電網(wǎng)中設置無功補償裝置,從數(shù)據(jù)中分析可知,使用無功補償優(yōu)化模型后,提高了功率因數(shù)、降低了能量損耗,響應了國家節(jié)能減排的號召,為我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展做出了一點貢獻。但是,目前的無功補償裝置還不夠完善,很多需要改進的地方,需要嘗試更多的智能算法,需要考慮更多實際生活中的因素,要為此做好備用方案。

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