关于无功补偿装置的研究

关于无功补偿装置的研究

黄浩贤

东莞市新意念电气安装工程有限公司523900

摘要：合理的配置以及控制无功补偿装置能为输电系统进行远距离的输电提供强劲的电压支撑。无功补偿装置是依照调度中心所输出的电压指令来进行相应的控制其控制方式非常简单。而在实际的系统运行中其无功补偿装置的损耗还是比较大。本文就无功补偿装置进行简单的分析探讨。

关键词：无功补偿；协调控制；多目标；优化

一、何为无功补偿

无功功率补偿，简称无功补偿，在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少电网的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。

无功补偿的基本原理：电网输出的功率包括两部分：一是有功功率：直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学能或声能，利用这些能作功，这部分功率称为有功功率；二是无功功率：消耗电能，但只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够作功的必备条件，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率（如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能）。

无功补偿的具体实现方式：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。

二、无功补偿装置的特性分析

在50kv的变电站当中将低容、低抗装置以及SVC设置进去,将实际系统当中的DUS站来举例,其站内的无功装置中有2组低压电抗器以及电容器,svc装置1台。依照IEEE的无功装置中对损耗的计算标准,应用DUS站实际的装置数据,将svc装置的损耗以及DUS站内的低抗损耗进行对比。根据对比可以看出,SVC装置当中的损耗明显与低抗/低容的损耗要大,特别是在进行感性无功的输出时,SVC装置当中的损耗在一定程度上比抵抗器当中的损耗要高。如果能把SVC与低抗、低容装置联合起来进行控制,再通过对低抗、低容装置进行投切,以此使得SVC的工作是在一个低损耗的状态当中进行,在一定程度上能使电压补偿以及无功补偿装置损耗的降低同时满足。

三、无功补偿装置中的互相影响

因为在站及站之间还有无功交互作用存在,而单独的进行补偿容易造成过度补偿的问题出现,对无功装置当中动作的策略有所影响。提出两个站当中单独进行补偿以及协调进行补偿方式的无功需求。两个站在单独进行补偿的时候,依照电压的偏差GuIL站以及DuS站要分别补偿1648Mvar、4168Mva:无功。在实际的系统当中,GuOL站与Dus站当中的无功灵敏度是0074kv/Mvar,其两站当中的无功补偿也有一定互相支撑的作用存在,GuIL站以及Dus站仅需要分别补偿11081以及1535无功就能将调压有效的实现。在电压偏差越大的时候,其无功补偿装置中的相互作用也越发明显,所以对2个站当中的无功协调控制进行考虑是非常有必要的。

四、无功补偿装置

晶闸管投切电容器（TSC）和配电网静止同步补偿器（DSTATCOM）是两类重要的低压配电网静止无功补偿装置。由于TSC具有补偿容量大，成本低，结构简单，容易实现的优点，早期被很多用户安装以改善电能质量，随着用户对电能质量要求的提高，TSC因存在可控性能差，响应速度慢，只能分级投切补偿无功等缺点，已不能满足要求。为节省成本，在原有系统中增加能进行连续无功调节的DSTATCOM，以改善和提高系统的动态无功电压支撑能力。DSTATCOM可对无功进行连续调节，同时具有较快的响应速度，在对电能质量要求较严格的场合，具有很大优势。但受电力电子器件的限制，其容量不可能做得很大，且随着容量的增加，成本将大大提高。TSC和DSTATCOM具有互补的特点，若采用一定的控制方式将两者结合起来，将能综合两者的优点，使装置最大限度地发挥自身的优点。因此有必要对TSC和DSTATCOM并存使用时二者可能出现的不利影响及解决方法进行深入研究。在建立DSTATCOM和TSC混合型无功装置模型的基础上，分析指出TSC与DSTATCOM之间不同的响应速度是阻碍DSTATCOM充分发挥其效用的主要原因。为使DSTATCOM充分发挥其连续调节无功、抑制电压波动和闪变的能力，提出了两级协调优化控制方法，并对其进行了仿真和实验，其结果证明了协调优化控制方法的有效性。

五、TSC与DSTATCOM联合运行分析

这里以安装TSC和DSTATCOM两种无功补偿装置的单机系统为例，首先分析了两种装置共存运行时可能出现的交互影响。当系统投入较大感性负荷后，小容量的DSTATCOM首先动作，进入极限模式以最大限度地输出补偿系统所需无功，此时在RD上消耗的功率达到最大，使整个装置的运行成本增加。对该混合无功补偿系统进行仿真，在混合系统没有进行协调控制时，DSTATCOM在负载投入后立即进入极限输出状态，然后TSC动作。由于DSTATCOM容量相对较小，进入极限状态后根本无法抑制电压闪变，DSTATCOM只发挥了类似于固定电容器的作用，混合系统中DSTATCOM部分控制精度的优势没得到发挥，并没有改善TSC原有的补偿效果。

六、基于并行计算的多目标混合优化方法

1.混合求解方法原理

无功协调控制问题中离散变量的取值范围较小，经过较少次数的遗传迭代后，离散变量已经能够收敛到一系列稳定的非支配解集，称这些离散变量取值组合为优秀分区。此优秀分区同样将离散变量分为敏感变量和非敏感变量，在NSGA-II中引入二级搜索得到。每个分区对应目标空间的一个区域，在该区域内离散变量固定不变，连续变量可变。经过一定次数的迭代后，得到的多个优秀分区基本可以涵盖最终Pareto前沿的区域。由NSGA-II将优秀分区筛选出来，针对每个分区的无功协调控制问题已经由混合整数非线性规划问题转化为只含有连续变量的非线性规划问题，并且避免了计算结果受到离散变量初值的影响。NBI和GAMS平台上的CONOPT算法将能够快速可靠地求解，从而实现对Pareto前沿的精确描述。本文采用求解思想将目标空间根据离散变量进行分区，与常规根据原始问题来分区不同。给出了基于多代理并行技术的多目标混合优化方法流程。流程主要由NSGA-II求解优秀分区、NBI-GAMS求解分区最优解集和过滤器求解最终Pareto前沿三部分组成。

2.多代理并行技术

本文以JADE（Javaagentdevelopmentframework）为多代理系统开发软件，实现分布式并行计算。JADE内含有各种功能丰富的Java类和独立的应用程序，可以让用户只需将编程的注意力集中在代理功能的实现上，而无需关注代理之间如何实现通信[20]。每台计算机构成一个平台，并含有两个代理，一个是负责发送数据的senderagent，另一个是负责接收数据的receiveragent。本文采用“快等慢”的原则处理不同平台的计算速度不一致问题，同时将根据计算机配置的不同，适当调整分配给各平台的计算量，从而使得各平台运算时间基本同步。

总结语：

对目前500kV变电站中无功补偿装置所采用的单独补偿控制方式，提出一种多目标协调控制方式来克服无功补偿装置缺乏协调且损耗较大的不足。该方法将变电站内低容/低抗装置纳入SVC的控制体系，并考虑站与站之间无功补偿装置的相互影响，以节点电压偏差和无功补偿装置总损耗最小为目标建立多目标无功协调控制模型。根据无功协调控制中变量敏感度不同、局部搜索能力不足的特点，将控制变量划分为敏感变量和非敏感变量。

参考文献：

[1]钱峰，汤广福，贺之渊．基于智能帕雷托解的FACTS装置多目标优化配置．中国电机工程学报

[2]范玉顺,曹军威.多代理系统理论、方法与应用.北京:清华大学出版社,2002.

[3]刘明波,谢敏,赵维兴.大电网最优潮流计算.北京:科学出版社

[4]董萍徐良德,刘明波.多站点无功补偿装置的多目标协调控制.中国电机工程学报

[5]段国泉戚庆茹,吴军等.基于改进最优覆盖法的智能变电站无功优化配置.电力建设