基于最小畸变率和最宜补偿度的无功补偿优化方法及系统与流程

本发明涉及一种基于最小畸变率和最宜补偿度的无功补偿优化方法及系统，属于无功功率补偿。

背景技术：

1、随着现代社会对电能需求的快速增长和城市化的加速，电力系统面临诸多挑战，尤其是由于大功率电力电子设备的广泛应用，如交流电弧炉、电力机车、轧钢机及大型半导体变流装置等，引起了电力系统中三相不平衡问题的日益突出。这些设备的冲击性、非线性和不平衡负载特性大幅增加了电网管理的复杂性。三相不平衡不仅导致电流和电压波形畸变，还引发了电压波动、功率因数下降、系统损耗增加及产生大量谐波，这些问题严重影响了电能质量。

2、传统上，电力系统采取了包括合理配置供电负荷、改善牵引变压器设计、增设限流电抗器等措施来缓解这些问题。然而，这些措施主要是被动应对，虽能在一定程度上抑制负序电流的产生，但无法根本解决谐波和无功功率的问题。在阻感性负载广泛的现代电力系统中，由于阻感性元件使得电流滞后于电压，无功功率和谐波问题愈加严重。

3、为了更有效地管理这些复杂问题，静止无功补偿器(svc)的应用成为了一种关键解决方案。svc设备如同步调相机、固定补偿电容器、饱和电抗器和机械投切补偿电容器，以及特别是晶闸管投切电容器型(tsc)svc，被用于动态调节无功功率，以改善电能质量和系统稳定性。通过这些技术，可以在电网出现负载变化时迅速响应，调整无功功率，减少损耗，提高功率因数，并有效控制谐波生成。

4、无功功率补偿是电力系统中至关重要的一个环节，它不仅关系到电能的有效利用，也直接影响到电力系统的稳定性和电能质量。目前市场上存在多种无功补偿装置，包括同步调相机、固定补偿电容器、饱和电抗器(sr)、机械投切电容器(msc)、静止无功补偿器(svc)和静止无功发生器(svg)。

5、传统的无功补偿方法，如基于对称分量法的平衡化补偿原理，主要通过调节阻抗来实现负荷的平衡化补偿。该方法的理想补偿网络通过线电压与线电流的关系来表示所需补偿的电纳，是一种在对称系统中分析不对称运行的基本方法。对称分量法通过将一组不对称的abc量变换为三组各自对称的三相相量—正序、负序、零序分量，进而分析负荷补偿。

6、在无功补偿装置中，如静止无功发生器(svg)和静止同步补偿器(statcom)等，电力电子开关器件(如晶闸管、igbt等)频繁地进行开关操作，这些操作会在电网中引入非线性电流和电压，从而产生谐波。传统的无功补偿方法，如并联电容器和串联电抗器，也可能引起电网的谐波谐振，特别是当电网本身含有谐波源时，加入这些补偿元件后，可能会改变系统的谐振特性，从而引发谐振增幅。

7、例如，中国专利公开号为cn108599179a，公开了一种无功功率补偿方法，属于无功补偿技术领域。所述方法包括：获取负载端电压变化方向和电压变化大小；根据电压变化方向和电压变化大小确定无功补偿策略，所述无功补偿策略包括补偿方向和补偿量大小，其中，根据电压变化方向确定补偿方向，根据电压变化大小确定补偿量大小；根据无功补偿策略输出控制信号至无功功率补偿装置，无功功率补偿装置设置在负载端；判断负载端电压是否上升，若是，加大补偿量；若否，减少补偿量或向相反方向补偿。本方法通过检测负载端电压的变化来决定补偿策略，取消了电流互感器的使用，也避免了一切与增加电流互感器而带来的一系列问题，安装方便快捷，施工成本降低，配置更加方便灵活。

8、为了减少这些设备产生的谐波影响，一方面，可以在无功补偿装置中安装谐波滤波器，可以有效滤除特定频率的谐波，减少对电网的影响。另一方面，可以通过改进无功补偿装置的控制算法，更有效地控制谐波的产生。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提出一种基于最小畸变率和最宜补偿度的无功补偿优化方法及系统，能够实现对晶闸管投切电容器(tsc)的精确控制，保障系统的谐波畸变率和无功补偿率，确保在毫秒级响应电网负载变化，极大地提高电网的运行效率并增强系统的稳定性。

2、本发明所述的一种基于最小畸变率和最宜补偿度的无功补偿优化方法，通过实时监测电网状态，设置最小谐波畸变率和最大化无功补偿率参数投切电容器装置；具体包括如下步骤：

3、步骤s1、实时采集三相电压和电流数据，并计算当前的谐波畸变率和无功功率；

4、步骤s2、基于多目标优化策略构建优化算法，平衡谐波畸变率最小化与无功补偿率最大化；

5、步骤s3、应用优化算法实时调整电容器装置的开关状态，寻找最佳的电容器组合配置。

6、该技术能够在谐波畸变率最小化和无功补偿率最大化之间实现最佳平衡，通过实时监测电网状态、动态调整tsc装置，从而显著提高电力系统的电能质量和稳定性。这种高效、可靠的动态无功补偿系统对现代电网管理具有重要的战略意义，有望成为解决电力系统中三相不平衡和谐波问题的关键技术。

7、优选的，所述步骤s1具体包括如下步骤：

8、步骤s11、安装高精度的电流和电压传感器在电网关键节点；

9、步骤s12、实时采集三相电压和电流数据；

10、步骤s13、计算当前的谐波畸变率和无功功率。

11、优选的，所述步骤s13中谐波畸变率和无功功率的计算公式如下：

12、谐波畸变率计算公式如下：

13、

14、其中，i1为基波电流有效值；i2、i3、...、in分别为第二、三、...、n次谐波电流的有效值；thd为谐波畸变率；

15、无功补偿率计算公式如下:

16、

17、其中，qtsc为电容器装置的无功功率；qa为需要补偿的无功功率。

18、优选的，所述步骤s2采用粒子群算法进行优化处理，具体包括如下步骤：

19、步骤s21、初始化：生成一定数量的粒子，每个粒子代表一种电容器装置的电容器组合状态；

20、步骤s22、目标函数：构建一个目标函数f来衡量每个粒子的性能，目标函数f如下：

21、

22、αthd+αη＝1

23、其中，αthd为最小谐波畸变率的权重系数，αη为最大化无功补偿率的权重系数，thd为谐波畸变率；

24、步骤s23、迭代更新：根据粒子的历史最优解和全局最优解来更新粒子的速度和位置；

25、步骤s24、算法实现：根据目标函数，利用粒子群算法实现寻找最佳的电容器组合配置，达到预设的电能质量标准。

26、优选的，所述步骤s2还可以采用非支配排序遗传算法ii(nsga-ii)算法进行优化处理，具体包括如下步骤：

27、步骤s21、构建一个目标函数f如下：

28、

29、αthd+αη＝1

30、其中，αthd为最小谐波畸变率的权重系数，αη为最大化无功补偿率的权重系数，thd为谐波畸变率；

31、步骤s22、初始化种群：随机生成一组初始解，每个解表示一种电容器装置的配置组合；

32、步骤s23、算法实现：根据目标函数，采用非支配排序遗传算法ii实现寻找最佳的电容器组合配置，达到预设的电能质量标准；

33、步骤s24、迭代更新：重复选择、交叉、变异和形成新种群的过程，迭代进行进化，直至满足停止条件。

34、优选的，所述步骤s23具体包括如下步骤：

35、步骤s231、评估适应度：计算两个目标函数，谐波畸变率最小化和无功补偿率最大化；：

36、步骤s232、非支配排序和计算拥挤度：

37、非支配排序：对种群进行非支配排序，分为不同的层次(fronts)，每个前沿包含不支配彼此的解；

38、计算拥挤度：对每个前沿的个体计算拥挤度，保持种群的多样性；拥挤度值较大的个体在选择过程中有更高的优先级；

39、步骤s233、选择、交叉和变异：使用选择操作选择父代解进行交叉操作，生成新的子代解后进行变异操作，增加种群的多样性；

40、步骤s234、形成新种群：将父代和子代合并，形成新的种群，使用非支配排序和拥挤度计算，选择适应度较高的解进入下一代。

41、优选的，所述步骤s24具体包括如下步骤：

42、步骤s241、迭代过程：重复步骤s231-步骤s234；

43、步骤s242、停止：直到满足停止条件，常见的停止条件包括达到最大迭代次数或种群适应度值不再显著变化(收敛)。

44、优选的，所述步骤s3具体包括如下步骤：

45、步骤s31、优化算法：采用自适应遗传算法(adaptive genetic algorithm,aga)：在遗传算法中动态调整交叉率和变异率，使其在早期阶段具有较高的多样性，在后期阶段收敛得更快，这样改进后的nsga-ii算法，不仅在优化性能上有显著提升，还引入了更多的创新点，更符合现代智能电网的需求；

46、步骤s32、开关状态调整：实时调整电容器装置的开关状态，寻找最佳的电容器组合配置，达到预设的电能质量标准。

47、优选的，所述电容器装置采用晶闸管投切电容器。

48、本发明所述的一种应用上述的基于最小畸变率和最宜补偿度的无功补偿优化方法的系统，包括：

49、数据采集模块：实时采集三相电压和电流数据，并计算当前的谐波畸变率和无功功率；

50、算法构建模块：基于多目标优化策略构建优化算法，平衡谐波畸变率最小化与无功补偿率最大化；

51、调整模块：应用优化算法实时调整电容器装置的开关状态，寻找最佳的电容器组合配置。

52、与现有的技术相比，本发明的一种基于最小畸变率和最宜补偿度的无功补偿优化方法及系统的优点在于：

53、(1)电能质量改善：通过精确控制tsc的投切时间，最小化系统的谐波畸变率，显著提升了电能的质量。

54、(2)无功补偿效率提升：最大化无功补偿率，有效管理和利用无功功率，从而提高整个电力系统的效率和稳定性。

55、(3)系统稳定性增强：动态调节tsc装置应对快速变化的负载条件，增强了系统的响应能力和整体稳定性。

56、通过这些优势，本专利提供了一种比传统方法更先进、更有效的解决方案，以满足现代电网对于高效率和高电能质量的需求。