CN103441515B - 一种无功补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无功补偿装置，属于电力系统无功控制技术领域。本发明的无功补偿装置采用并联电容器为基础无功补偿手段，设定为第Ⅲ级补偿；为了实现无功控制快速响应，采用SVC作为快速控制补偿手段，设定为第Ⅱ级补偿；为了实现无功控制连续性，采用SVG作为连续控制补偿手段，设定为第Ⅰ级补偿；并在无功补偿和电压控制过程中采用分级响应机制，进行三级模式协调控制：首先动作Ⅰ级补偿实现快速连续无功补偿，然后动作Ⅱ级补偿实现快速离散无功补偿，最后动作Ⅲ级补偿实现大容量无功补偿。本发明既可以解决规模化间歇性能源并网后的无功补偿问题，又可以实现无功补偿与电压控制的精确调节，从而满足电力系统电压运行要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种无功补偿装置，属于电力系统无功控制技术领域。
背景技术
随着清洁能源技术的快速发展，间歇性能源(光伏能源和风力资源)并网技术的日益成熟，越来越多的光伏电源和风力电场接入电网；太阳能和风能的随机性导致了有功功率出力的随机性，给电网的无功补偿和电压调节带来了巨大的不确定性；间歇性能源并网系统中，具备单个电站发电功率容量小、区域光伏电站/风力电场集群接入电网的特点，因此需要的无功补偿具备快速相应、连续可调、补偿容量范围大的特点。
现有电力系统无功补偿方式具有不同特点：早期无功补偿装置的典型代表同步调相机可以进行动态补偿，但由于其经常过励状态运行造成严重损耗，因此逐渐被淘汰；目前的无功补偿多以并联电容器、并联电抗器为主，并联电容器采用多组固定容量电容并联结构，通过分组电容投接至电网的方式补充电力系统的无功缺额。但这些补偿方式设备响应速度慢、补偿容量固定或者有级可调，不能实现无功的平滑无级调节；随着柔性交流输电系统(Flexible Alternative CurrentTransmission System，简称FACTS)的发展，静止无功补偿器(Static VarCompensator，简称SVC)得到了广泛重视。SVC通常由晶闸管控制电容器(TSC)和其他FACTS元件并联组合构成，通过对晶闸管导通角的调节控制可以实现无功补偿在小范围内快速调节，SVC虽然可以实现快速、平滑地控制，满足动态补偿需要，但不具备连续可调特性。静止无功发生器(Static Var Generator，简称SVG)是SVC的升级版，SVG将自换向桥式电路通过电抗器并联在电网上，通过调节桥式电路交流测输出电压的相位和幅值，可以使电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而可实现从感性无功到容性无功的连续调节，但经济投资巨大，未实现广泛应用。
现有传统电力系统无功补偿配置中，多数以并联电容器为补偿方式，其具有巨大的经济效益；然而，随着间歇性能源的大规模接入，快速无功补偿控制技术日益重要，并联电容器已无法满足动态补偿需求，并网运行的风力发电场和光伏电站多采用SVC和SVG进行动态无功补偿控制，但对于大规模新能源接入系统，大容量SVC和SVG补偿装置的经济投资过于巨大，在现有电力系统经济评估体系下难以承担。综上可知，现有电力系统无功补偿装置配置机制不能很好的控制间歇性电源接入电网造成的无功补偿控制问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种无功补偿装置，既可以解决规模化间歇性能源并网后的无功补偿问题，又可以实现无功补偿与电压控制的精确调节，从而满足电力系统电压运行要求。
本发明具体采用以下技术方案：
一种无功补偿装置，用于对电网进行无功补偿调节，包括三级无功补偿单元以及对其进行控制的无功补偿控制单元；所述三级无功补偿单元包括分别与所述电网的无功补偿工作母线上的无功控制出线端口连接的并联电容器、静止无功补偿器、静止无功发生器；所述无功补偿控制单元分别与所述并联电容器、静止无功补偿器、静止无功发生器的控制端口连接，所述无功补偿控制单元还与所述电网的SCADA系统信号连接；无功补偿控制单元按照以下方法对所述三级无功补偿单元进行控制：
步骤1、无功补偿控制单元从电网的SCADA系统获取无功缺额Qn；
步骤2、无功补偿控制单元比较静止无功发生器当前的补偿可用调节容量Q1与Qn大小，若Q1>Qn，则控制静止无功发生器进行无功补偿调节，并对Q1进行更新：Q1＝Q1-Qn；否则转步骤3；
步骤3、无功补偿控制单元比较静止无功补偿器当前的补偿可用调节容量Q2与Qn大小，若Q2>Qn，则控制静止无功补偿器进行无功补偿调节，并对Q2和Qn进行更新：Q2＝Q2-ROUND(Qn/Q2c)*Q2c，Qn＝Qn-ROUND(Qn/Q2c)*Q2c，其中，Q2c表示所述静止无功补偿器的单个调节单元的控制容量，ROUND()为取整函数；然后转步骤2；否则转步骤4；
步骤4、无功补偿控制单元比较并联电容器当前的补偿可用调节容量Q3与Qn大小，若Q3>Qn，则控制并联电容器进行无功补偿调节，并对Q3和Qn进行更新：Q3＝Q3-ROUND(Qn/Q3c)*Q3c，Qn＝Qn-ROUND(Qn/Q3c)*Q3c，其中，Q3c表示所述并联电容器中单个调节单元的控制容量，ROUND()为取整函数，然后转步骤2；否则转步骤5；
步骤5、无功补偿控制单元控制并联电容器进行无功补偿调节，并对Q3和Qn进行更新：
Q3＝0，Qn＝Qn-Q3，然后转步骤2。
进一步地，所述三级无功补偿单元中的并联电容器、静止无功补偿器、静止无功发生器的安装容量按照以下方法配置：
首先根据系统电压实时连续可调控制要求与系统电压波动性特性，确定所述静止无功发生器的安装容量；
然后依据电力系统无功规划无功补偿容量要求，确定所述并联电容器的安装容量，具体如下式：
Q3s＝ROUND((Qs-Q1s)/Q3c)*Q3c，
式中，Q3s表示并联电容器的安装容量，Qs表示电力系统无功规划所要求的无功补偿容量，Q1s表示所述静止无功发生器的安装容量，Q3c表示所述并联电容器中单个调节单元的控制容量，ROUND()为取整函数；
最后按照下式确定所述静止无功补偿器的安装容量：
Q2s＝ROUND((Qs-Q1s-Q3s)/Q2c+1)*Q2c，
式中，Q2s表示所述静止无功补偿器的安装容量，Q3s表示并联电容器的安装容量，Qs表示电力系统无功规划所要求的无功补偿容量，Q1s表示所述静止无功发生器的安装容量，Q2c表示所述静止无功补偿器的单个调节单元的控制容量，ROUND()为取整函数。
相比现有技术，本发明通过并联电容器、静止无功补偿器、静止无功发生器构成的三级无功补偿模式，实现了电力系统大容量快速响应无功补偿；本发明充分利用静止无功发生器连续可快速调节性能，以静止无功补偿器为较大容量快速调整方式，通过并联电容器补偿基准无功缺额，实现了系统经济效益；本发明在实现电力系统电压快速响应的前提下最大程度地提高了系统的经济效益。
附图说明
图1为本发明无功补偿装置的系统结构示意图；
图2为本发明分配无功补偿装置的各级补偿容量的流程示意图；
图3为本发明无功补偿装置的控制流程图；
图4为利用本发明无功补偿装置实现电压控制的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的思路是采用并联电容器为基础无功补偿手段，并设定为第Ⅲ级补偿；为了实现无功控制快速响应，采用SVC作为快速控制补偿手段，设定为第Ⅱ级补偿；为了实现无功控制连续性，采用SVG作为连续控制补偿手段，设定为第Ⅰ级补偿；并在无功补偿和电压控制过程中采用分级响应机制，进行三级模式协调控制：首先动作Ⅰ级补偿实现快速连续无功补偿，然后动作Ⅱ级补偿实现快速离散无功补偿，最后动作Ⅲ级补偿实现大容量无功补偿。
图1显示了本发明无功补偿装置的系统结构，如图所示，该无功补偿装置包括：第Ⅰ级补偿—静止无功发生器(SVG)、第Ⅱ级补偿—静止无功补偿器(SVC)、第Ⅲ级补偿—并联电容器，以及用于对上述三级补偿进行控制的无功补偿控制单元；如图所示，这三级补偿并联接入低压母线上的无功控制出线端口。无功补偿控制单元通过无线或有线方式与电网的数据采集与监视控制系统(SupervisoryControl And Data Acquisition，简称SCADA)系统信号连接，相互之间可进行信息交互。
无功补偿控制单元按照以下方法对由SVG、SVC、并联电容器组成的三级无功补偿单元进行控制：
步骤1、无功补偿控制单元从电网的SCADA系统获取无功缺额Qn；
步骤2、无功补偿控制单元比较静止无功发生器当前的补偿可用调节容量Q1与Qn大小，若Q1>Qn，则控制静止无功发生器进行无功补偿调节，并对Q1进行更新：Q1＝Q1-Qn；否则转步骤3；
步骤3、无功补偿控制单元比较静止无功补偿器当前的补偿可用调节容量Q2与Qn大小，若Q2>Qn，则控制静止无功补偿器进行无功补偿调节，并对Q2和Qn进行更新：Q2＝Q2-ROUND(Qn/Q2c)*Q2c，Qn＝Qn-ROUND(Qn/Q2c)*Q2c，其中，Q2c表示所述静止无功补偿器的单个调节单元的控制容量，ROUND()为取整函数；然后转步骤2；否则转步骤4；
步骤4、无功补偿控制单元比较并联电容器当前的补偿可用调节容量Q3与Qn大小，若Q3>Qn，则控制并联电容器进行无功补偿调节，并对Q3和Qn进行更新：Q3＝Q3-ROUND(Qn/Q3c)*Q3c，Qn＝Qn-ROUND(Qn/Q3c)*Q3c，其中，Q3c表示所述并联电容器中单个调节单元的控制容量，ROUND()为取整函数，然后转步骤2；否则转步骤5；
步骤5、无功补偿控制单元控制并联电容器进行无功补偿调节，并对Q3和Qn进行更新：
Q3＝0，Qn＝Qn-Q3，然后转步骤2。
为了便于公众理解，下面以变电站无功补偿的实现为例，来对本发明技术方案进行进一步说明。
整个实现过程如图4所示，分为两个阶段：即无功规划与补偿装置配置阶段和实时运行与电压控制阶段，目的在于电压实时控制过程中实现电压的高精度稳定与系统最大程度的经济效益。
第一阶段、无功规划与补偿装置配置阶段：根据电力系统电网规划部门的规划结果，针对特定地址的变电站装设特定容量的无功补偿设备，无功补偿设备设置过程如图2所示，具体如下：
步骤一：首先在变电站低压母线的一回出线侧装设无功补偿工作母线；
步骤二：分析系统电压实时连续可调控制要求与系统电压波动性特性，确定第Ⅰ级补偿模块——静止无功发生器SVG的安装容量Q1s；例如，利用统计分析方法，通过对间歇性能源有功输出波动引起的系统无功缺额波动分析，统计在单位时间(例如1s，此时间可根据系统稳定性要求选取)内系统无功补偿需求的最大波动量，以此为参考选定静止无功发生器SVG的安装容量Q1s；
步骤三：依据电力系统无功规划无功补偿容量要求Qs，假设并联电容器单个调节单元的控制容量为Q3c，确定第Ⅲ级补偿模块——并联电容器的安装控制单元个数为ROUND((Qs-Q1s)/Q3c)，则并联电容器安装容量为Q3s＝ROUND((Qs-Q1s)/Q3c)*Q3c；
步骤四：假设静止无功补偿器单个调节单元控制容量为Q2c，确定第Ⅱ级模块——静止无功补偿器SVC安装级数为ROUND((Qs-Q1s-Q3s)/Q2c+1)，则静止无功补偿器SVC安装容量为Q2s＝ROUND((Qs-Q1s-Q3s)/Q2c+1)*Q2c；
步骤五：以静止无功发生器SVG为Ⅰ级模块、静止无功补偿器SVC为Ⅱ级模块、并联电容器为Ⅲ级模块，按照以上确定的安装容量进行装设配置，并连接至无功补偿工作母线。
第二阶段：实时运行与电压控制阶段。该阶段的控制方法如图3所示，具体包括：
步骤一：电力系统实时运行过程中，从系统SCADA中获取无功缺额Qn；
步骤二：第Ⅰ级补偿计算：比较第Ⅰ级补偿可用调节容量Q1与Qn大小，若Q1>Qn，则I级补偿动作完成调节，更新Q1＝Q1-Qn，否则转步骤三；
步骤三：第Ⅱ级补偿计算：比较第Ⅱ级补偿可用调节容量Q2与Qn大小，若Q2>Qn，则Ⅱ级补偿动作调节，更新Q2＝Q2-ROUND(Qn/Q2c)*Q2c，Qn＝Qn-ROUND(Qn/Q2c)*Q2c，转步骤二，否则转步骤四；
步骤四：第Ⅲ级补偿计算：比较第Ⅲ级补偿可用调节容量Q3与Qn大小，若Q3>Qn，则Ⅲ级补偿动作调节，更新Q3＝Q3-ROUND(Qn/Q3c)*Q3c，Qn＝Qn-ROUND(Qn/Q3c)*Q3c，转步骤二，否则转步骤五；
步骤五：第Ⅲ级补偿全部投入使用，更新Q3＝0，Qn＝Qn-Q3，转步骤二。
步骤六：投入无功补偿设备后，系统运行状态发生改变，SCADA系统重新更新数据，进入下一时刻的电压控制。
上述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施应用。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应属于本发明的技术范畴。
Claims (2)
1.一种无功补偿装置，用于对电网进行无功补偿调节，其特征在于，包括三级无功补
偿单元以及对其进行控制的无功补偿控制单元；所述三级无功补偿单元包括分别与所述电网的无功补偿工作母线上的无功控制出线端口连接的并联电容器、静止无功补偿器、静止无功发生器；所述无功补偿控制单元分别与所述并联电容器、静止无功补偿器、静止无功发生器的控制端口连接，所述无功补偿控制单元还与所述电网的SCADA系统信号连接；无功补偿控制单元按照以下方法对所述三级无功补偿单元进行控制：
步骤1、无功补偿控制单元从电网的SCADA系统获取无功缺额Qn；
步骤2、无功补偿控制单元比较静止无功发生器当前的补偿可用调节容量Q1与Qn大小，若Q1>Qn，则控制静止无功发生器进行无功补偿调节，并对Q1进行更新：Q1＝Q1-Qn；否则转步骤3；
步骤3、无功补偿控制单元比较静止无功补偿器当前的补偿可用调节容量Q2与Qn大小，若Q2>Qn，则控制静止无功补偿器进行无功补偿调节，并对Q2和Qn进行更新：Q2＝Q2-ROUND(Qn/Q2c)*Q2c，Qn＝Qn-ROUND(Qn/Q2c)*Q2c，其中，Q2c表示所述静止无功补偿器的单个调节单元的控制容量，ROUND()为取整函数；然后转步骤2；否则转步骤4；
步骤4、无功补偿控制单元比较并联电容器当前的补偿可用调节容量Q3与Qn大小，若Q3>Qn，则控制并联电容器进行无功补偿调节，并对Q3和Qn进行更新：Q3＝Q3-ROUND(Qn/Q3c)*Q3c，Qn＝Qn-ROUND(Qn/Q3c)*Q3c，其中，Q3c表示所述并联电容器中单个调节单元的控制容量，ROUND()为取整函数，然后转步骤2；否则转步骤5；
步骤5、无功补偿控制单元控制并联电容器进行无功补偿调节，并对Q3和Qn进行更新：
Q3＝0，Qn＝Qn-Q3，然后转步骤2。
2.如权利要求1所述无功补偿装置，其特征在于，所述三级无功补偿单元中的并联电
容器、静止无功补偿器、静止无功发生器的安装容量按照以下方法配置：
首先根据系统电压实时连续可调控制要求与系统电压波动性特性，确定所述静止无功发生器的安装容量；
然后依据电力系统无功规划无功补偿容量要求，确定所述并联电容器的安装容量，具体如下式：
Q3s＝ROUND((Qs-Q1s)/Q3c)*Q3c，
式中，Q3s表示并联电容器的安装容量，Qs表示电力系统无功规划所要求的无功补偿容量，Q1s表示所述静止无功发生器的安装容量，Q3c表示所述并联电容器中单个调节单元的控制容量，ROUND()为取整函数；
最后按照下式确定所述静止无功补偿器的安装容量：
Q2s＝ROUND((Qs-Q1s-Q3s)/Q2c+1)*Q2c，
式中，Q2s表示所述静止无功补偿器的安装容量，Q3s表示并联电容器的安装容量，Qs表示电力系统无功规划所要求的无功补偿容量，Q1s表示所述静止无功发生器的安装容量，Q2c表示所述静止无功补偿器的单个调节单元的控制容量，
ROUND()为取整函数。
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Granted publication date: 20150408 Termination date: 20210917 |