1   绪论
1.1 课题背景及意义
    近年来，随着中国社会经济的迅猛发展，工业化程度的不断提高，对电能的需求也呈现不断上升的趋势。奥运期间我国部分地区出现了拉闸限电的现象，一定程度上说明国内电能的供给还不能完全满足生产的需求。而与此相矛盾的是，在电能需求紧张的情况下，我国电网的传输效率、用电设备的用电效率以及电能的质量正经受着严峻的考验。
随着电力系统中非线性用电设备，尤其是电力电子装置的应用日益广泛，电力系统中的谐波污染问题也越来越严重，而大多数用电设备功率因数不高，需要大量的无功功率，也给电网带来额外负担，并影响到电网电能质量。与此同时，越来越多的高级用电设备对电能质量的要求不断提高。因此，如何有效地抑制谐波和提高功率因数已经成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个具有重大意义的课题，正在受到越来越多的关注。
在低压供电系统中采用合理方式对用电设备进行滤波和无功功率的补偿，具有多方面的意义。它不仅可以提高线路传输效率、抑制谐波，同时能够稳定电网电压、提高电能质量。具体来说：
(l)提高电网传输效率。电网的传输能力是以能够传输的功率来衡量的。在功率的定义上，有功功率和无功功率的矢量和称为视在功率。电网传输线路对视在功率的传输能力是一定的，如果无功功率部分增加，就会相应地降低有功功率的比例，从而使传输效率降低。通过在用户端进行无功功率补偿，可以免去电网传输无功功率的负担，增大电网中传输的有功功率的比例，提高传输效率。
(2)稳定电网电压。输电线路电压损耗由两部分组成，即有功功率在电阻上的压降和无功功率在电感或电容上的压降。一般说来，在超高压电网的线路、变压器的等效电路中，电抗的数值比电阻大得多。所以无功功率对电压损耗的影响很大，而有功功率对电压损耗的影响则要小得多。因此，在电力系统中，无功功率是造成电压损耗的主要因素。电网中无功补偿设备的合理配置，与电网提供的电压质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量。同时，电压质量的高低对电网稳定、经济运行也起着至关重要的作用。
(3)提高电能质量。所谓电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质，主要是指所提供电能的电压幅值、频率等参数是否合格，波形是否接近正弦波。在合格的电能下工作，用电设备性能最好、效率最高。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和稳定的标准电压对用户供电，并且在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备的非线性或不对称性，负荷性质多变、调控手段不完善等因素使这种理想的状态并不存在，由此产生了电能质量问题。
此外，无功补偿的意义还在于减小发电与供电设备的设计容量，减少投资，降低线损，提高供、用电企业的经济效益等。所以，规划、实施无功补偿势在必行。
1.2 无功补偿技术现状
1.2.1 我国电网无功建设现状
    改革开放以来，我国电力工业发展很快，全国发电装机容量、电力设施都以前所未有的速度在增长。但是各级电网特别是地区电网无功电源规划、建设、管理工作仍然比较薄弱，存在着无功缺额大、功率因数低、线损率高、电压质量差、无功及电压控制自动化程度低等问题，如2000年、2001年、2002年夏季高峰负荷时，全国上海、武汉、广州、重庆等大中城市均出现过拉闸限电，高峰负荷期间供电网络无功补偿缺额大，导致不少客户电压不稳、电压偏低、电器无法正常工作。从微观角度看，随着电网容量的扩增，用户家用电器感性负载不断增加，使得城市配电网公用变低压侧功率因数较低。以长沙市为例，统计表明，城乡电网的公用变低压侧功率因数均在0.6-0.7之间。过低的功率因数导致公用变低压侧线路损耗大，供电电压指标不能满足用户要求。用电高峰期，用户末端电压远远低于国家标准，而用电低谷期，用户末端电压又远远高于国家标准，不仅电能浪费十分严重，而且影响用电设备的使用寿命。因此，在公用变低压侧进行无功功率补偿已成为目前提高供电水平、降低无功损耗急需解决的问题。
从宏观角度看，整个电网的无功潮流分布不平衡。目前，国内无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。这两种形式都是基于某个采样点的无功情况进行补偿，不能综合考虑整个电网的实时运行情况，而无功潮流在整个电网上是动态分布的，传统的补偿方式无法解决无功潮流分布不平衡、电压波动大等问题。在各地电网的实际建设运行中，各大区电网及省网220KV系统对于无功电压问题给予了充分重视，无功电源规划设计比较完善，但地区电网110KV及以下系统的无功电源配置不足。
1.2.2 国内外无功优化研究现状电力职称论文发表

    从无功优化的数学模型可以看出，它在数学上是一个大规模非线性混合整数规划问题。近几十年来计算机技术和运筹学技术的发展为无功优化问题提供了新的思路。
目前数学优化方法中最基本的方法可分为非线性规划、线性规划方法以及人工智能方法等三类。大多数文献就是在以上方法的基础上或者通过它们的组合来求解无功优化问题的。
(1)非线性规划方法
    梯度法[1]是最早应用于求解最优潮流及电压无功优化问题的优化方法。这种算法是以控制变量的负梯度方向作为寻优方向，借助牛顿法潮流计算状态变量的跟随变化，用惩罚函数处理函数不等式的边界。但是，尽管这种算法有着严格的数学推理，但实际应用起来却收敛缓慢，甚至找不到最优解，而且在接近最优解时会出现锯齿现象。
梯度法的这些缺点使人们转向研究二次收敛于最优点的优化算法。80年代，提出的具有二次收敛特性的算法，就是采用二阶导数来改善梯度法的收敛速度。这种方法是以二阶导数形式的海森矩阵为主迭代矩阵，在每次迭代时都要重新形成海森矩阵。然而，海森矩阵的稀疏性并不好，从而不能利用先进的稀疏技术，当控制变量非常多时，这种方法就显得非常缓慢。
 (2)线性规划方法
    线性规划技术在电力系统运行计算中最早应用于有功控制方面，并且被证明是一种非常有效、可靠、快速而且灵活的优化方法。线性规划可以直接将变量及线性表示的约束变量限制在约束范围内，而这对于传统的非线性梯度法和牛顿法来说较为困难。应用线性规划的难处在于需要将所有关系通过线性函数表达，即实现目标函数和约束条件的线性化。
线性规划方法中，1947年由Dantzig开发的单纯形法久居主导地位，目前它的各种改进算法已得到了充分的应用。单纯形法是顺着凸多面体相邻的顶点前进达到最优顶点的方法，问题可行域顶点的个数一般随问题的维数呈指数规律增加。单纯形法便于编程求解，它的一些变形及改进的算法一直是实际应用中极其有效的计算方法，但在实际计算中单纯形法存在以下缺点：
1）迭代次数随约束条件和变量数目的增加而迅速增加，在最坏情况下，单纯形法的迭代次数会按指数上升，收敛很慢；
2）单纯形法是终止于原始和对偶的最优基，在退化情况下，虽然已达到最优解，但是为证明它是最优解，往往还需要经过很多次基的迭代。
(3)人工智能方法
    人工智能来求解无功优化规划问题，利用一个隶属度函数将总负荷模糊化，然后将模糊化的负荷输入神经网络，得到各控制变量的隶属度，再通过隶属度函数解出控制变量的实际值，最后用专家系统结合灵敏度分析法处理各种变量越界的情况。这种方法速度很快，只要离线训练好神经网络就能应用于实时无功优化规划，并能得到比较好的解。但这种方法不能处理离散变量，能否得到较好解还有赖于隶属度函数的选取和神经网络训练的好坏。
模拟褪火算法是一种随机搜索方法，它模拟了金属褪火过程，即褪火结束后金属的能量最小。不过，为了使结果尽量接近全局最优，褪火过程不能太快，从而使得整个算法求解所需时间较长。它们能很好的解决无功优化规划的混合整数非线性特性带来的问题。
1.2.3 无功装置的现状和发展趋势
    在电力系统中,传统的控制无功功率的方法包括采用同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等。考虑到无功功率是由于系统中各种电容和电感所产生,人们最初使用了无源形式的补偿方法。该方法是将一定容量的电容器或电抗器以并联或串联连接的方式安装在系统的母线中。同步调相机又称同步补偿器,是作为并联补偿设计的一种同步机,它属于有源补偿器。同步调相具有调相的优点,但动态响应速度慢,发出单位无功功率的有功损耗大,运行维护复杂,不适应各类非线性负载的快速变化。
静止无功补偿装置于1967年在英国开始问世以后，受到世界各国的广泛重视。它是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿的装置,简称静补装置或静止补偿器。SVC成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压,改善运行条件经济而有效的设备。后来出现了采用自换相变流电路的静止无功补偿装置,通常称为静止无功发生器，它是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理,采用全控型开关器件组成自换相交流器,辅之以小容量储能元件所构成的瞬时无功功率补偿。在国外,系统的无功补偿主要用静补装置和电容器,并积累了广泛的运行经验,取得了良好的效果。
随着电力电子技术的进一步发展,20世纪80年代中期,一种叫做柔性交流输电技术)的概念在美国正式提出,随着电网发展的需求,出现了以晶闸管为基础的FACTS补偿器,它是用于改造交流传输技术的新型快速控制设备的集合,可以对电网进行无功补偿。它以PE变换器为技术基础,主要成员有：静止同步补偿器、晶闸管可控串联电容补偿器及同一潮流控制器等。FACTS无功补偿技术因为能提高线路输送能力,快速调节系统无功功率,而有着广阔的应用前景。
 

2 无功补偿的必要性分析
2.1 无功功率的重要性
    无功功率在电网中的流动，对电网的安全、经济运行有着重要的影响。要保证电网的安全、经济运行，降低电网损耗，总是希望电网的无功最好不流动，即所谓的理想状态。或者尽量少流动，特别要避免无功功率通过输电线路远距离流动。实现系统的无功平衡。
维持无功平衡是保持节点电压水平的关键。由于电网中不仅有大量的无功负荷，而且还有大量的无功功率损耗，仅靠发电机提供的无功功率往往满足不了电网在额定电压水平下的无功功率平衡，或为避免大量无功流动，因此还需要进行无功补偿。
2.2 无功补偿对电压的影响电力职称论文发表

2.2.1 无功功率与电压的关系
    电压是电能质量的重要指标之一。配电网中无功负荷与有功负荷一样，都是随机变化的。根据配电网的无功特性，配电网中无功输出与无功负荷保持动态平衡；当配电网中无功功率不足或过剩的情况下，会引起电压偏移或波动。电压质量的好坏对配电网的稳定运行、降低线路的损耗、保证工农业生产安全、提高产品质量、降低用电损耗等都有直接影响，因此保证电压偏移或电压波动在规定的范围内，是配电网运行的主要任务之一。
2.2.2 电压波动原因
    因为配电网处在电力系统的末端，其电压波动现象经常存在。电压波动过大，会影响工农业生产产品的质量和产量，损坏设备。当配电网电压降低时，占负荷较大的异步电动机转差增大，从而使电动机各绕组中的电流增大，温升增加，效率降低，寿命缩短；当配电网电压升高时，将使所有电气设备绝缘受损；电炉的有功是与电压的平方成正比，电炉将因电压过低而影响产品的质量；照明负荷，尤其是白炽灯，对电压变化反应最为灵敏，电压过高，其寿命将缩短，电压过低，其亮度和发光效率又要大幅度降低。
2.2.3 无功补偿对电压的影响
    众所周知，电压是衡量电能质量的重要指标。电压过高和过低不仅影响产品质量而且容易损毁设备，因此配电网中节点电压的幅值必须保证在一定的范围内。而配电网节点电压水平在很大程度上是由无功功率的水平来决定的。反过来讲，电压作为衡量电能质量指标的同时，又是反映配电网无功平衡和无功功率合理分布的标志，电压水平和无功功率控制是密不可分的。
2.3 无功补偿存在电网问题
    负荷无功补偿主要有以下几个问题：
(l)无功补偿容量不足。在供电方面，公用变压器在全国大中小城市中大量存在，而且伴随着一户一表等城网改造的开展，还会大量增加。由于资金匾乏及重视程度不够，公用变压器区内无功补偿容量严重不足，有功损耗大，功用变压器的利用率不高。在用户方面，由于公用变压器区内低压用户很多，供电企业管理不便，低压用户感性负荷很大。由于各用户没有统一的无功功率补偿，造成补偿不合理，效果不明显；而且，在高峰时，从电网接收无功过多，低谷时，往往向系统到送无功。
(2)无功补偿装置落后。在无功补偿装置上，大量的装置采用采集任选一相的无功信号或一相电流另两相电压得出的无功信号并以此作为投切容量的依据，但这种方式只适用于以三相动力为主的配电区，它可能会对非采样相造成过补或欠补。在投切容量的确定方面，往往以功率因数为参考，电容器分组投切，当功率因数滞后时，则投入一组电容器；当有超前的无功分量时，则切除一组电容器；按步投切电容量，无功补偿的精度不高。这些装置常因为电容器容量级差大而投切精度低或频繁投切。
(3)集中补偿占大多数。集中补偿只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所产生的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的有功损耗。由于用户内部的无功损耗没有减少，所以降损节电效果必然受到限制。负荷所需的无功功率，仍然需要通过线路供给，依然产生有功损耗。电力职称论文发表