基于智能控制算法的配电网无功及三相不平衡补偿系统研究邵葳

基于智能控制算法的配电网无功及三相不平衡补偿系统研究邵葳
发布时间：2021-10-27T04:55:15.259Z 来源：《电力设备》2021年第8期作者：邵葳
[导读] 配电系统普遍存在无功功率补偿不足和三相功率不平衡问题，导致系统功耗上升，能源使用效率下降且影响到用电设备的安全。

本文基于智能控制算法，采用神经网络和遗传控制算法构建了一套智能补偿系统，提升电网功率因素的同时降低了三相不平衡度，为后续的系统研究提供了理论基础。

邵葳
（北京交通大学电气工程学院北京 100044）
摘要：配电系统普遍存在无功功率补偿不足和三相功率不平衡问题，导致系统功耗上升，能源使用效率下降且影响到用电设备的安全。

本文基于智能控制算法，采用神经网络和遗传控制算法构建了一套智能补偿系统，提升电网功率因素的同时降低了三相不平衡度，为后续的系统研究提供了理论基础。

关键词：无功补偿；三相不平衡；智能算法；神经网络；遗传算法
1 引言
电力系统是一个复杂非线性的动力学系统，由于电网中的感性负载存在，使得电网系统中存在无功功率。

无功功率虽然本身不消耗能量，但这一过程会引起电能的损耗，对系统存在较大负面影响，如电网总电流增加、电网运行电压过高等。

随着电力技术发展，大功率开关器件的设备使用频繁，往往需要进行一定的无功功率补偿。

电网中同时还存在三相不平衡问题，即供电系统所接入的负荷具有明显的不对称性，增大了电动机的功率损耗。

目前已有一些设计使电网负荷趋于平衡，但往往不能取得理想的效果。

针对上述两个问题，本文采用智能控制算法，分别利用神经网络和遗传算法进行参数预测和优化，对静止式动态无功功率补偿装置（SVC）进行综合优化控制，以期能解决配电网的无功补偿和三相不平衡问题。

2 智能补偿系统原理概述
本智能补偿系统采用前向神经网络对补偿后的参数进行预测，根据期望值（电压期望值、功率因数、三相平衡期望值）和该网络预测输出计算遗传算法的适应度函数值，再采用遗传算法通过迭代对补偿值进行全局寻优，得出该系统最优补偿电抗值，以实现最优控制效果。

图1 配电网智能补偿系统原理构造图
3 智能控制算法的运用
3.1 神经网络算法
3.1.1 神经网络的构造
针对电网的三相分别设计三个神经网络（图2为用于预测A相的神经网络）。

该神经网络为三层前向网络，包含一层隐藏层，第一层为输入层，输入变量为X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9，分别对应补偿前电网的质量参数和三相电网中各相的投入电抗值。

针对不同的输入量将它们分别两组，其对应的隐藏层神经元只与本组的输入神经元相关。

输出层的数值为y1、y2、y3、y4、y5，对应投入电抗后电网的质量参数。

神经元采用Sigmoid函数，各层神经元通过权值相连，表示k层神经元i到（k+1）层中神经元j的连接权。

图2 针对A相参数的神经网络
3.1.2 神经网络的数据获取
（1）第一组参数的获取：
采用FFT对电网的电流电压采样值进行变换，得到相电压、线电压、相电流、线电流的有效值，功率因素角各相负序电流，无功电流，和电流电压总谐波畸变率等质量参数。

（2）第二组参数的获取：
由三相功率平衡器的工作原理推导出达到三相平衡时各相应补偿电抗参考值有：
按照梯度法调节神经网络权值，采用批处理方式进行训练，权值迭代公式为：
其中：
（对应三相电压的预测值）（对应三相电压的预测值）
对应三相功率因数角的预测值）
图4 补偿前后功率因素变化趋势
图5 补偿前后三相不平衡度变化趋势
在利用遗传控制算法取得最优值后，进行相应电网补偿，再通过电网的实际输出进一步用于神经网络算法的预测，取得更好的控制效果。

4智能补偿系统效果展示
利用上述算法构造的智能补偿系统进行某电网实际测试，可发现电网的功率因素从0.7963提升到0.9944，提升效果24.9%；三相不平衡度由8.2616降低至3.2785，降低效果60.3%。

各项综合指标均达到要求，证明了该智能补偿系统算法的有效性。

5 结论
针对配电网中存在的无功功率补偿和三相不平衡问题，本文构建了一种基于神经网络算法和遗传控制算法的智能补偿系统，该系统可以实现较好的功率因素提升效果和三相不平衡度降低效果。

该系统同时也为后续利用计算机算法等方式对传统的补偿装置进行智能化改造提供了借鉴基础。

参考文献
[1]李心广，赖声礼，秦华标等.电网的无功及三相不平衡综合补偿研究[J]. 电网技术，2001，25（10）：30-33
[2]马瑞军. 运用模糊控制理论的并联电容器投切方式[J]．华北电力大学学报，1998，(7)
[3]王建强. 智能型配电网无功补偿系统[J]. 电网技术, 2003(07):80-81.
作者简介：邵葳（2000-），女，山东临沂人，北京交通大学电气工程学院，电力电子与电力传动。