CN102420430B - 动态无功补偿装置的电压和阻尼协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动态无功补偿装置的电压和阻尼协调控制方法，属于电力系统的电网稳定控制技术领域；该方法兼顾电力系统对动态稳定和电压稳定的控制要求，将受控母线电压和频率作为动态无功补偿设备的控制输入信号，在电压控制和阻尼控制两者出现矛盾的时候，通过协调优化算法，选取最优的无功控制指令，防止阻尼控制引起电网电压超标，实现电压和阻尼协调控制。本发明该方法具有物理意义明晰、实现简单、性能优异等特点，本发明所涉的兼顾电压稳定和阻尼控制的控制方法应用于大电网动态无功补偿设备控制时，可在有效阻尼低频功率振荡的同时确保接入点电压稳定在允许范围内。

Description

动态无功补偿装置的电压和阻尼协调控制方法

技术领域

本发明属于电力系统的电网稳定控制技术领域，特别涉及一种动态无功补偿设备的系统级控制方法。

背景技术

动态无功补偿装置是现代电力电子技术在电力系统中的典型应用，包括以晶闸管为开关器件的静止无功补偿器(SVC)和以可关断器件(IGBT，IGCT)为开关器件的静止同步无功发生器(STATCOM)，这些设备应用于电网可以帮助电网实现动态无功连续调节、提高电网电压稳定水平、抑制线路低频功率振荡，是电网实现可控化和智能化的主要手段之一。

从国内外应用情况看，动态无功补偿装置主要应用于提高受端负荷中心的无功支撑和电压稳定控制，在这种场合通常采用恒电压控制，其控制方法如图1所示，这种方法中，首先采集动态无功补偿装置接入电网点的电压V_pcc，计算V_pcc与参考电压V_ref的差值ΔV；该差值ΔV经过超前滞后校正，计算出幅值-相位特性调整后的信号ΔV_comp；最后，将ΔV_comp通过PI调节计算出所需的无功功率指令值Q_ref。

随着研究的深入和应用的推广，利用动态无功补偿装置抑制低频功率振荡的研究受到关注。低频功率振荡的发生会到危及电力系统的稳定运行，随着大区电网的互联和电力系统规模的扩大，低频振荡日趋严重，且出现了频率更低、危害更大的区间低频振荡现象，对动态无功补偿装置进行二次附加阻尼控制是解决低频功率振荡问题的一种有效手段。图2所示是最简单的利用动态无功补偿装置抑制低频功率振荡的控制方法，这种方法中，首先采集动态无功补偿装置接入电网点的频率f_pcc，计算f_pcc与参考频率f_ref的差值Δf；该差值Δf利用一阶惯性函数计算出信号Δf_d，Δf_d经过超前滞后校正，计算出幅值-相位特性调整后的信号Δf_comp；最后，Δf_comp根据带限幅的增益计算出所需的无功功率指令值Q_ref。其基本原理是根据受控线路的功率或频率的变化，按照简单的PI反馈控制器调节无功补偿装置的输出，通过实时改变接入点的电压来调节线路的传输功率，当线路传输功率降低时，使无功补偿装置发出容性无功、支撑母线电压以提高传输功率，相反当线路传输功率增大时，使无功补偿装置吸收感性无功、降低母线电压以降低传输功率。

这种控制方法存在一个最大的问题，抑制线路低频功率振荡的同时可能造成接入点母线电压的振荡。这是因为线路传输有功功率降低时，消耗无功功率相应降低，接入点母线电压会升高，此时为了抑制功率振荡需要提高线路传输功率，这是通过注入容性无功实现的，然而容性无功的注入会进一步提高接入点电压；类似的，当线路传输功率增加时，接入点电压会随着线路消耗的无功功率增加而降低，图2所示的控制方法要求无功补偿装置吸收感性无功，这将进一步降低系统电压。图3所示的仿真结果反映了上述现象，图3(a)中的曲线为接入动态无功补偿装置之前(图中的虚线曲线)和之后(图中的实线曲线)母线频率的变化，可以看出按照图2所示方案控制的动态无功补偿装置可以有效提高线路低频振荡的阻尼，起到抑制功率振荡的作用。但是从图3(b)曲线反映的接入点母线电压的变化情况可以看出，这种控制方法加剧了接入点母线电压的振荡，这对保持电网的电压稳定是非常不利的。可见，动态无功补偿装置虽然可以同时应用于提高电压稳定和抑制低频功率振荡，但是简单的采用图2所示的控制方法不能同时兼顾这两种存在矛盾的控制目标。

图4为另外一种常见的动态无功补偿装置抑制低频功率振荡的方法。这种方法中，首先检测振荡线路的频率值，与计算该频率与参考频率的差值Δf，Δf依次通过一阶惯性、超前滞后校正和带限幅的增益得到阻尼控制所需的电压附加分量V_damp，将该附加分量V_damp引入如图2所示的恒电压控制中，其后的控制流程与图2所示方法相同。在这种方法中，当线路发生低频功率振荡时，电压分量相对较小，功率振荡分量占据主导，其控制效果类似于图2所示的方法，同样无法避免阻尼控制对电压稳定控制的负面影响。

综上所述，当动态无功补偿装置需要同时解决输电线路低频功率振荡和电压稳定问题时，面临一个难题，因为阻尼低频功率振荡和保持母线电压稳定这两个控制目标对动态无功补偿装置的无功输出要求往往不完全一致，而采用母线频率或线路功率作为反馈进行阻尼控制时，在一个振荡周期内有两个1/4周期时间里阻尼控制和电压控制对无功方向的需求相反。现有的控制方法未能有效解决两者的协调问题，往往因为过于最求阻尼控制的效果而造成电压大范围波动、超出许可范围甚至引起电压失稳问题。现有的一些动态无功补偿装置的阻尼控制方法由于没能解决与电压稳定控制的协调配合问题，控制效果都不理想。

发明内容

本发明的目的是针对动态无功补偿装置应用于抑制线路低频功率振荡的场合时，一个很重要的问题是协调阻尼控制和电压稳定控制两者之间的矛盾这一问题，提供一种动态无功补偿装置的电压和阻尼协调控制方法，该方法具有物理意义明晰、实现简单、性能优异等特点，本发明所涉的兼顾电压稳定和阻尼控制的控制方法应用于大电网动态无功补偿设备控制时，可在有效阻尼低频功率振荡的同时确保接入点电压稳定在允许范围内。

本发明提出的一种动态无功补偿设备的电压和阻尼协调控制方法，其特征在于：兼顾电力系统对动态稳定和电压稳定的控制要求，将受控母线电压和频率作为动态无功补偿设备的控制输入信号，在电压控制和阻尼控制两者出现矛盾的时候，通过协调优化算法，选取最优的无功控制指令，防止阻尼控制引起电网电压超标，实现电压和阻尼协调控制。

该方法具体包括以下步骤：

1)在一个控制周期到来时，实时测量动态无功补偿装置接入电网点的电压U和频率F；并对电压和频率做标么化处理，将接入点电压等级作为电压基值U_base，标么化的电压测量值V_pcc＝U/U_base，50Hz作为频率基值f_base，标么化的频率测量值f_pcc＝F/50；

2)根据电压测量值V_pcc和电压参考值V_ref计算保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}，

3)根据频率测量值f_pcc和参考值f_ref计算阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}；

4)对接入点的电压测量值V_pcc，电压控制所需的无功量Q_{ref_v}，阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}进行协调控制，按照以下条件判断是否发生电压控制和阻尼控制矛盾的情况，根据不同情况相应选取最优的动态无功补偿装置输出无功参考值Q_ref：

条件一：动态无功补偿装置接入点母线电压V_pcc低于0.9pu或高于1.1pu值时，判定受控电网的电压偏离稳定状态较大，选取电压输出Q_{ref_v}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref＝Q_{ref_v}；

条件二：动态无功补偿装置接入点母线电压高于0.9pu而低于1.1pu值时，按以下条件依次判断阻尼控制与电压控制之间是否存在矛盾：

条件A.如果电压测量值V_pcc与参考电压V_ref的差值ΔV小于-0.05pu，同时阻尼控制模块的输出Q_{ref_f}大于零，此时以电压控制为优先，选取计算得到的保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref＝Q_{ref_v}；

条件B.如果电压测量值V_pcc与参考电压V_ref的差值ΔV大于0.05pu，同时阻尼控制处理得到的保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_f}小于0，同样选取计算得到的保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref＝Q_{ref_v}；

条件C.若上述A和B两种条件均不成立，选取阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref＝Q_{ref_f}；

5)动态无功补偿装置无功参考值Q_ref发送至下一级进行控制，并等待下一个控制周期到来时转步骤1)。

本发明的技术特点是：本发明所涉的控制方法在整个动态无功补偿装置的控制系统中位于系统级控制层，其主要功能是根据电网电压、频率的变化情况，计算动态无功补偿设备为实现电压稳定和阻尼控制目标所需输出的无功功率。本发明方法是对现有系统级控制方法的改进，因此可以不需要专门增加硬件实现。可在原有动态无功补偿装置的系统级控制硬件平台上通过修改控制程序实现，使动态无功补偿器同时实现电压稳定控制和阻尼控制。

本发明的有益效果是：采用该方法能够有效协调电压稳定控制和阻尼控制两种控制目标可能出现的不一致，使动态无功补偿装置为电网低频振荡提供阻尼的同时，确保电网电压不超出许可范围。该方法具有物理意义明晰、实现简单、性能优异等特点，解决了动态无功补偿设备应用于电网稳定控制时阻尼控制和电压稳定控制难以协调的技术难题，本发明所涉控制方法可在有效阻尼低频功率振荡的同时确保接入点电压稳定在允许范围内。可应用于大电网动态无功补偿设备控制中。

附图说明

图1为已有的动态无功补偿装置恒电压控制框图；

图2为已有的动态无功补偿装置简化阻尼控制框图；

图3为图2的简化阻尼控制方法对电网频率和电压的影响仿真；

图4为已有的另一种动态无功补偿装置附加阻尼控制框图；

图5为本发明的动态无功补偿装置的电压和阻尼协调控制框图。

具体实施方式

本发明提出的动态无功补偿装置的电压和阻尼协调控制方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明所述的控制方法的特点是兼顾电力系统对动态稳定和电压稳定的控制要求，实现电压和阻尼协调控制，其特征在于，包括：将受控母线电压和频率作为动态无功补偿设备的控制输入信号，在电压控制和阻尼控制两者出现矛盾的时候，通过协调优化算法，选取最优的无功控制指令，防止阻尼控制引起电网电压超标。本发明所涉的控制方法在整个动态无功补偿装置的控制系统中位于系统级控制层，其主要功能是根据电网电压、频率的变化情况，计算动态无功补偿设备为实现电压稳定和阻尼控制目标所需输出的无功功率。该无功功率作为参考值下发到下一级(装置级)控制器，控制静止无功补偿装置发出指定的无功功率。

本发明方法的具体实施方式如图5所示：

具体包括以下步骤：

1)在一个控制周期到来时，实时测量动态无功补偿装置接入电网点的电压U和频率F；并对电压和频率做标么化处理，将接入点电压等级(可为10kV，35kV，220kV等)作为电压基值U_base，标么化的电压测量值V_pcc＝U/U_base，50Hz作为频率基值f_base，标么化的频率测量值f_pcc＝F/50；

2)根据电压测量值V_pcc和电压参考值V_ref计算保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}，具体包括以下步骤：

(2.1)计算电压测量值V_pcc和电压参考值V_ref的差值ΔV，ΔV＝V_pcc-V_ref，其中V_ref一般情况下设为额定值1.0pu；

(2.2)对电压差信号ΔV进行相位补偿处理计算出补偿后的电压差信号ΔV_comp；相位补偿的传递函数为：

其中s为复频率，T₁和T₂分别为相位校正参数(其值根据闭环控制系统相位阈度的要求选取，根据动态无功补偿装置控制系统的要求，一般可以选取T₁＝0.01秒，T₂＝0.03秒)；

(2.3)根据ΔV_comp和比例积分的传递函数，计算出电压控制的初步控制量Q_v；比例积分的传递函数为：

其中s为复频率，K_v和T_v分别为比例系数和积分时间常数，可选取K_v＝4～10，T_v＝0.005～0.01秒；

(2.4)对Q_v进行限幅处理，计算出电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}；限幅的处理逻辑为当Q_v＞Q_max1时，Q_{ref_v}＝Q_max1；当Q_v＜-Q_max1时，Q_{ref_v}＝-Q_max1；当-Q_max1＜Q_v＜Q_max1时，Q_{ref_v}＝Q_v；限幅处理的限幅值Q_max1一般选为动态无功补偿装置的额定容量，Q_max1＝1.0pu；

3)根据频率测量值f_pcc和参考值f_ref计算阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}，具体包括以下步骤：

(3.1)计算频率测量值f_pcc和频率参考值f_ref的差值Δf，Δf＝f_pcc-f_ref，其中f_ref一般情况下设为额定值1.0pu；

(3.2)对频差信号Δf进行相位补偿处理，计算出补偿后的频差信号Δf_comp；相位补偿的传递函数为：

其中s为复频率，T₃和T₄分别为相位校正参数(其值根据闭环控制系统相位阈度的要求选取，根据动态无功补偿装置控制系统的要求，一般可以选取，T₃＝0.01秒，T₄＝0.03秒)；

(3.3)根据信号Δf_comp和带一阶惯性延时的比例环节的传递函数，计算出阻尼控制的初步控制量Q_f.实现对信号Δf_comp的放大，同时滤去部分高频噪声，该传递函数为：

其中s为复频率，K_f和T_f分别为比例系数和惯性延时常数，可选取K_f＝2～5，T_v＝0.01～0.05秒；

(3.4)对Q_f进行限幅处理，计算出阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}；限幅频差信号Δf_comp；相位补偿的传递函数为：其中s为复频率，频差信号Δf_comp；相位补偿的传递函数为：

其中s为复频率，的处理逻辑为当Q_f＞Q_max2时，Q_{ref_f}＝Q_max2；当Q_f＜-Q_max2时，Q_{ref_f}＝-Q_max2；当-Q_max2＜Q_f＜Q_max2时，Q_{ref_f}＝Q_f。限幅处理的限幅值一般可选为额定容量的0.5-0.8倍，即Q_max2＝0.5～0.8pu。用于阻尼的无功容量小于额定容量，可以防止阻尼控制引起母线过电压；

4)对接入点的电压测量值V_pcc，电压控制所需的无功量Q_{ref_v}，阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}进行协调控制，按照以下条件判断是否发生电压控制和阻尼控制矛盾的情况，根据不同情况相应选取最优的动态无功补偿装置输出无功参考值Q_ref：

条件一：动态无功补偿装置接入点母线电压V_pcc低于0.9pu或高于1.1pu值时，判定受控电网的电压偏离稳定状态较大(此时电压控制是首要目标，因此将屏蔽阻尼控制)，选取电压输出Q_{ref_v}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref＝Q_{ref_v}；

条件二：动态无功补偿装置接入点母线电压高于0.9pu而低于1.1pu值时，按以下条件依次判断阻尼控制与电压控制之间是否存在矛盾：

条件A.如果电压测量值V_pcc与参考电压V_ref的差值ΔV小于-0.05pu(即偏离稳态电压的最大许可值，该值可根据现场需要调整)，同时阻尼控制模块的输出Q_{ref_f}大于零(这意味着电压已跌落至稳态允许值之下，而此时阻尼控制仍要求动态无功补偿装置吸收感性无功，可以判断两种控制模式对无功的需求存在矛盾)，此时以电压控制为优先，选取计算得到的保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref＝Q_{ref_v}。

条件B.如果电压测量值V_pcc与参考电压V_ref的差值ΔV大于0.05pu，同时阻尼控制处理得到的保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_f}小于0(这意味着电压已升高至稳态允许值之上而同时阻尼控制却要求动态无功补偿装置发出容性无功，同样的，可以判断两种控制模式对无功的需求存在矛盾，此时优先保证电压控制)，同样选取计算得到的保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref＝Q_{ref_v}；

条件C.若上述A和B两种条件均不成立(则可判断该时刻电压控制和阻尼控制对无功的需求不存在矛盾，此时，为了保证阻尼控制的效果)，选取阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref＝Q_{ref_f}；

5)动态无功补偿装置无功参考值Q_ref发送至下一级(装置级控制器)进行控制，并等待下一个控制周期到来时转步骤1)。

至此，本发明提出的兼顾阻尼和电压稳定的系统级协调控制任务全部完成。

Claims (3)

1.一种动态无功补偿设备的电压和阻尼协调控制方法，其特征在于：兼顾电力系统对动态稳定和电压稳定的控制要求，将受控母线电压和频率作为动态无功补偿设备的控制输入信号，在电压控制和阻尼控制两者出现矛盾的时候，通过协调优化算法，选取最优的无功控制指令，防止阻尼控制引起电网电压超标，实现电压和阻尼协调控制；

该方法具体包括以下步骤：

1）在一个控制周期到来时，实时测量动态无功补偿装置接入电网点的电压U和频率F；并对电压和频率做标么化处理，将接入点电压等级作为电压基值U_base，标么化的电压测量值V_pcc=U/U_base，50Hz作为频率基值f_base，标么化的频率测量值f_pcc=F/50；

2）根据电压测量值V_pcc和电压参考值V_ref计算保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}，

3）根据频率测量值f_pcc和参考值f_ref计算阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}；

4）对接入点的电压测量值V_pcc，电压控制所需的无功量Q_{ref_v},阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}进行协调控制，按照以下条件判断是否发生电压控制和阻尼控制矛盾的情况，根据不同情况相应选取最优的动态无功补偿装置输出无功参考值Q_ref：

条件一：动态无功补偿装置接入点母线电压V_pcc低于0.9pu或高于1.1pu值时，判定受控电网的电压偏离稳定状态较大，选取电压输出Q_{ref_v}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref=Q_{ref_v}；

条件二：动态无功补偿装置接入点母线电压高于0.9pu而低于1.1pu值时，按以下条件依次判断阻尼控制与电压控制之间是否存在矛盾：

条件A．如果电压测量值V_pcc与参考电压V_ref的差值ΔV小于-0.05pu，同时阻尼控制模块的输出Q_{ref_f}大于零，此时以电压控制为优先，选取计算得到的保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref=Q_{ref_v}；

条件B．如果电压测量值V_pcc与参考电压V_ref的差值ΔV大于0.05pu，同时阻尼控制处理得到的保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_f}小于0，同样选取计算得到的保持电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref=Q_{ref_v}；

条件C．若上述A和B两种条件均不成立，选取阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}作为动态无功补偿装置的无功参考值，即Q_ref=Q_{ref_f}；

5）动态无功补偿装置无功参考值Q_ref发送至下一级进行控制，并等待下一个控制周期到来时转步骤1）。

2.根据权利要求1所述的动态无功补偿设备的电压和阻尼协调控制方法，其特征在于，所述步骤2）具体包括以下步骤：

（2.1）计算电压测量值V_pcc和电压参考值V_ref的差值ΔV，ΔV=V_pcc-V_ref，其中V_ref一般情况下设为额定值1.0pu；

（2.2）对电压差信号ΔV进行相位补偿处理计算出补偿后的电压差信号ΔV_comp；相位补偿的传递函数为：

其中s为复频率，T₁和T₂分别为相位校正参数；

（2.3）根据ΔV_comp和比例积分的传递函数，计算出电压控制的初步控制量Q_v；比例积分的传递函数为：

其中s为复频率，K_v和T_v分别为比例系数和积分时间常数，选取K_v=4～10，T_v=0.005～0.01秒；

（2.4）对Q_v进行限幅处理，计算出电压稳定所需的无功量Q_{ref_v}；限幅的处理逻辑为当Q_v>Q_max1时，Q_{ref_v}=Q_max1；当Q_v<-Q_max1时，Q_{ref_v}=-Q_max1；当-Q_max1<Q_v<Q_max1时，Q_{ref_v}=Q_v；动态无功补偿装置的额定容量作为限幅处理的限幅值Q_max1。

3.根据权利要求1所述的动态无功补偿设备的电压和阻尼协调控制方法，其特征在于，所述步骤3）具体包括以下步骤：

（3.1）计算频率测量值f_pcc和频率参考值f_ref的差值Δf，Δf=f_pcc-f_ref，其中f_ref设为额定值1.0pu；

（3.2）对频差信号Δf进行相位补偿处理，计算出补偿后的频差信号Δf_comp；相位补偿的传递函数为：

其中s为复频率，T₃和T₄分别为相位校正参数；

（3.3）根据信号Δf_comp和带一阶惯性延时的比例环节的传递函数，计算出阻尼控制的初步控制量Q_f.实现对信号Δf_comp的放大，同时滤去部分高频噪声，该传递函数为：

其中s为复频率，K_f和T_f分别为比例系数和惯性延时常数，取K_f=2～5，T_v=0.01～0.05秒；

（3.4）对Q_f进行限幅处理，计算出阻尼控制所需的无功量Q_{ref_f}；限幅频差信号Δf_comp；相位补偿的传递函数为：

其中s为复频率，频差信号Δf_comp；相位补偿的传递函数为：

其中s为复频率，的处理逻辑为当Q_f>Q_max2时，Q_{ref_f}=Q_max2；当Q_f<-Q_max2时，Q_{ref_f}=-Q_max2；当-Q_max2<Q_f<Q_max2时，Q_{ref_f}=Q_f，限幅处理的限幅值选为额定容量的0.5-0.8倍，用于阻尼的无功容量小于额定容量。

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