CN104934988B - 一种静止同步补偿器与站内电容器组协调控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静止同步补偿器与站内电容器组协调控制的方法，属于电力系统的电网稳定控制技术领域。当接入点母线电压偏离额定值小于10％时，STATCOM运行于稳态电压控制模式时，STATCOM与站内电容器组协调控制的方法。考虑STATCOM与电容器无功响应速度的差异，在稳态电压控制时，尽可能由电容器组输出无功功率，置换出最大的动态无功备用容量，以应对电网暂态故障时的暂态电压稳定控制需求。该方法具有物理意义明晰、实现简单、性能优异等特点，本方法应用于系统电压稳定控制及动态无功功率储备时，可有效的维持系统电压水平在合理的范围之内，并保持系统储备有大量的动态无功功率，从而有效的提高电网暂态电压稳定性。

Description

一种静止同步补偿器与站内电容器组协调控制的方法

技术领域

本发明涉及一种静止同步补偿器与站内电容器组协调控制的方法，特别涉及一种静止无功补偿器在电网不同电压水平下与站内电容器组的控制方法，属于电力系统的电网稳定控制技术领域。

背景技术

以可关断器件(IGBT，IGCT)为开关器件的静止无功补偿器(STATCOM)是现代电力电子技术在电力系统中的典型应用，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。

当系统发生突增负荷、短路等因素而导致电压波动时，系统需要大量的无功功率来支撑系统电压。由于静止无功补偿器(STATCOM)对于系统的电压变化响应速度快，因此，当系统电压发生波动时，静止无功补偿器(STATCOM)迅速动作，输出大量的无功功率，对系统电压起到支撑作用，而站内固定电容器组等静态无功补偿设备在暂态过程中对电压波动不响应。然而，上述无功响应过程将导致系统动态无功备用严重不足，当系统再次发生短路等故障而导致电压波动时，系统将因缺乏足够的动态无功备用而导致系统电压水平降低，甚至出现电压崩溃等。研究静止同步补偿器(STATCOM)与站内电容器组的协调控制方法，能够在保证系统电压水平合理的同时，使系统储备最大的动态无功容量，从而增强系统应对故障的能力。

静止同步补偿器(STATCOM)与站内电容器组的协调控制策略，是系统电压发生波动时静止同步补偿器(STATCOM)的输出容量与固定电容器组的投入与否、投入时间及投入组数的协调控制问题。当系统电压发生波动时，若静止同步补偿器(STATCOM)与站内电容器组之间无协调控制，将出现静止同步补偿器(STATCOM)输出大量动态无功甚至输出额定动态无功而固定电容器组不动作的情形，此种情况下，不能发挥静止同步补偿器(STATCOM)储备大量动态无功功率，应对暂态故障的作用。

发明内容

本发明的目的是提出一种静止同步补偿器与站内电容器组协调控制的方法，解决系统发生电压波动时，静止同步补偿器(STATCOM)与站内电容器组的协调控制问题。在充分考虑了静止同步补偿器(STATCOM)与站内电容器组应对故障时的响应速度及补偿容量的动、静态无功容量分配的基础上，提出了静止同步补偿器(STATCOM)不同的控制模式及不同控制模式下与电容器组的协调控制策略。

本发明提出的静止同步补偿器与变电站内电容器协调控制的方法，包括以下步骤：

(1)在每个控制周期到来时刻，检测静止同步补偿器接入电网点的电压有效值V_line，计算电压有效值的标么值V_pcc：V_pcc＝V_line/V_base，其中V_base为电网的电压基值，根据标幺值V_pcc，控制静止同步补偿器的输出无功功率如下：

若V_pcc≤V_th1，则使静止同步补偿器闭锁，结束本次控制周期；其中pu为电压标幺值的单位；

若V_th1<V_pcc≤V_th2，则使静止同步补偿器进入暂态电压控制模式，输出无功功率为容性额定无功功率值Q_max，并结束本次控制周期；

若V_th2<V_pcc<V_th3，则使静止同步补偿器进入稳态电压控制模式，并进行步骤(2)；

若V_th3≤V_pcc≤V_th4，则使静止同步补偿器进入恒无功控制模式，控制静止同步补偿器的输出无功功率为Q_CQR，结束本次控制周期；其中，Q_CQR为恒无功输出无功功率，由电站运行人员根据电网控制目标事先设定；

若V_pcc>V_th4，则使静止同步补偿器进入暂态电压控制模式，输出无功功率为感性额定无功功率-Q_max，结束本次控制周期；

以上，V_th1，V_th2，V_th3，V_th4为使静止同步补偿器进入不同控制模式的电压阈值，一种典型的取值为：V_th1＝0.3pu，V_th2＝0.9pu，V_th3＝0.95pu，V_th4＝1.1pu。

(2)根据上述电压有效值的标么值V_pcc、静止同步补偿器的输出无功功率和变电站内电容器的投入状态，对静止同步补偿器进行控制，控制过程如下：

(2-1)根据上述电压测量值V_pcc和电压参考值V_ref，计算静止同步补偿器处于稳态调压模式时的无功功率值Q_CVR，具体包括以下步骤：

(2-1-1)计算上述电压标么值V_pcc和电压参考值V_ref的电压差值ΔV，ΔV＝V_pcc-V_ref，其中电压参考值V_ref的取值为：U_ref2＝1.0pu；

(2-1-2)对电压差值ΔV进行相位补偿计算，得到补偿后的电压差值ΔV_comp，相位补偿计算中的相位补偿传递函数为：其中s为复频率，T₁和T₂分别为相位校正参数，T₁和T₂的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；

(2-1-3)根据上述补偿后的电压差值ΔV_comp和比例积分的传递函数，计算出静止同步补偿器处于稳态调压模式时的输出无功功率Q_CV，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＝1～2，T_v＝0.1～0.2秒；

(2-1-4)记变电站内任意一组电容器的输出无功功率为Q_FC，记稳态电压控制模式下静止同步补偿器的输出无功功率的限值为Q_lim，初始化时，设Q_lim＝Q_FC；

(2-1-5)对上述Q_CV进行限幅处理，计算出静止同步补偿器稳态电压控制所需的输出无功功率Q_CVR，限幅处理过程为：当Q_CV>Q_lim时，使Q_CVR＝Q_lim，当Q_CV<-Q_lim时，使Q_CVR＝-Q_lim，当-Q_lim≤Q_CV≤Q_lim时，使Q_CVR＝Q_CV，使静止同步补偿器的输出无功功率为Q_CVR；

(2-2)使静止同步补偿器的输出无功功率为Q_CVR；

(2-3)对电网的电压有效值的标么值V_pcc进行判断，若V_pcc>V_th3，则结束本次控制周期，若V_pcc≤V_th3，则进行步骤(2-4)；

(2-4)检测变电站内电容器是否已经全部投入运行，若还有未投入运行的电容器，则进行步骤(2-5)，若全部电容器均已投入运行，则进入(2-6)；

(2-5)使未投入运行的电容器中的一组电容器投入运行，进入步骤(2-3)；

(2-6)检查稳态电压控制模式下静止同步补偿器的输出无功功率限值Q_lim，若Q_lim＝K_thQ_FC，则结束本次控制周期，若Q_lim＝Q_FC，则使Q_lim＝K_thQ_FC，进行步骤(2-1-5)，其中K_th为静止同步补偿器参与稳态调压的无功容量与站内一组电容器的比例系数，一种典型的取值为：K_th＝2。

本发明提出的静止同步补偿器与变电站内电容器协调控制的方法，其优点是，本方法能够有效控制静止无功补偿器处于稳态电压控制模式下的输出容量及站内电容器组的投入与否及投入组数，保证系统在电压水平合理的同时储备最大的动态无功，增强系统应对暂态故障的能力。本方法具有物理意义明晰、实现简单、性能优异等特点，解决该控制策略具有物理意义明晰、实现简单、性能优异等特点，本发明所涉的静止无功补偿器与站内电容器组的协调控制策略，可在保证系统电压水平的同时，提高电网暂态电压稳定性。

本发明所涉控制方法可在系统电压水平波动时有效控制静止同步补偿器的输出容量及固定电容器组的投入台数，保证系统在电压水平合理的同时储备最大的动态无功。

具体实施方式

本发明提出的静止同步补偿器与变电站内电容器协调控制的方法，包括以下步骤：

(1)在每个控制周期到来时刻，检测静止同步补偿器接入电网点的电压有效值V_line，计算电压有效值的标么值V_pcc：V_pcc＝V_line/V_base，其中V_base为电网的电压基值，根据标幺值V_pcc，控制静止同步补偿器的输出无功功率如下：

若V_pcc≤V_th1，则使静止同步补偿器闭锁，结束本次控制周期；其中pu为电压标幺值的单位。

若V_th1<V_pcc≤V_th2，则使静止同步补偿器进入暂态电压控制模式，输出无功功率为容性额定无功功率值Q_max，并结束本次控制周期；其中额定无功值Q_max即为静止同步补偿器的额定功率；

若V_th2<V_pcc<V_th3，则使静止同步补偿器进入稳态电压控制模式，并进行步骤(2)；

若V_th3≤V_pcc≤V_th4，则使静止同步补偿器进入恒无功控制模式，控制静止同步补偿器的输出无功功率为Q_CQR，结束本次控制周期；其中，Q_CQR为恒无功输出无功功率，由电站运行人员根据电网控制目标事先设定；

若V_pcc>V_th4，则使静止同步补偿器进入暂态电压控制模式，输出无功功率为感性额定无功功率-Q_max，结束本次控制周期；

以上，V_th1，V_th2，V_th3，V_th4为使静止同步补偿器进入不同控制模式的电压阈值，一种典型的取值为：V_th1＝0.3pu，V_th2＝0.9pu，V_th3＝0.95pu，V_th4＝1.1pu。

(2)根据上述电压有效值的标么值V_pcc、静止同步补偿器的输出无功功率和变电站内电容器的投入状态，对静止同步补偿器进行控制，控制过程如下：

(2-1)根据上述电压测量值V_pcc和电压参考值V_ref，计算静止同步补偿器处于稳态调压模式时的无功功率值Q_CVR，具体包括以下步骤：

(2-1-1)计算上述电压标么值V_pcc和电压参考值V_ref的电压差值ΔV，ΔV＝V_pcc-V_ref，其中电压参考值V_ref的取值为：U_ref2＝1.0pu；

(2-1-2)对电压差值ΔV进行相位补偿计算，得到补偿后的电压差值ΔV_comp，相位补偿计算中的相位补偿传递函数为：其中s为复频率，T₁和T₂分别为相位校正参数，T₁和T₂的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；

(2-1-3)根据上述补偿后的电压差值ΔV_comp和比例积分的传递函数，计算出静止同步补偿器处于稳态调压模式时的输出无功功率Q_CV，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＝1～2，T_v＝0.1～0.2秒；

(2-1-4)记变电站内任意一组电容器的输出无功功率为Q_FC，记稳态电压控制模式下静止同步补偿器的输出无功功率的限值为Q_lim，初始化时，设Q_lim＝Q_FC；

(2-1-5)对上述Q_CV进行限幅处理，计算出静止同步补偿器稳态电压控制所需的输出无功功率Q_CVR，限幅处理过程为：当Q_CV>Q_lim时，使Q_CVR＝Q_lim，当Q_CV<-Q_lim时，使Q_CVR＝-Q_lim，当-Q_lim≤Q_CV≤Q_lim时，使Q_CVR＝Q_CV，使静止同步补偿器的输出无功功率为Q_CVR；

(2-2)使静止同步补偿器的输出无功功率为Q_CVR；

(2-3)对电网的电压有效值的标么值V_pcc进行判断，若V_pcc>V_th3pu，则结束本次控制周期，若V_pcc≤V_th3，则进行步骤(2-4)；

(2-4)检测变电站内电容器是否已经全部投入运行，若还有未投入运行的电容器，则进行步骤(2-5)，若全部电容器均已投入运行，则进入(2-6)；

(2-5)使未投入运行的电容器中的一组电容器投入运行，进入步骤(2-3)；

(2-6)检查稳态电压控制模式下静止同步补偿器的输出无功功率限值Q_lim，若Q_lim＝K_thQ_FC，则结束本次控制周期，若Q_lim＝Q_FC，则使Q_lim＝K_thQ_FC，进行步骤(2-1-5)，其中K_th为静止同步补偿器参与稳态调压的无功容量与站内一组电容器的比例系数，一种典型的取值为：K_th＝2。

本发明提出的静止同步补偿器与变电站内电容器协调控制的方法，当STATCOM接入电网点电压偏离额定值小于10％时，STATCOM进入稳态电压控制模式。在此模式下，优先投入电容器，利用其无功功率调节稳态电压，将STATCOM无功输出限制在2组电容器容量范围内，置换出STATCOM的无功输出，其目标是最大程度保留动态无功储备，应对电网暂态故障后的快速无功支撑需求。本方法的主要功能是在系统发生电压波动触发静止同步补偿器进入稳态电压控制模式时，协调控制静止无功补偿器与站内电容器组无功输出值，从而在保证系统电压水平合理的前提下使系统储备最大的动态无功。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。可在原有静止无功补偿器的系统级控制硬件平台上通过修改控制程序实现。

Claims (1)

1.一种静止同步补偿器与变电站内电容器协调控制的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)在每个控制周期到来时刻，检测静止同步补偿器接入电网点的电压有效值V_line，计算电压有效值的标么值V_pcc：V_pcc＝V_line/V_base，其中V_base为电网的电压基值，根据标幺值V_pcc，控制静止同步补偿器的输出无功功率如下：

若V_pcc≤V_th1，则使静止同步补偿器闭锁，结束本次控制周期；

若V_th1<V_pcc≤V_th2，则使静止同步补偿器进入暂态电压控制模式，输出无功功率为容性额定无功功率值Q_max，并结束本次控制周期，其中额定无功值Q_max即为静止同步补偿器的额定功率；

若V_th2<V_pcc<V_th3，则使静止同步补偿器进入稳态电压控制模式，并进行步骤(2)；

若V_th3≤V_pcc≤V_th4，则使静止同步补偿器进入恒无功控制模式，控制静止同步补偿器的输出无功功率为Q_CQR，结束本次控制周期；

若V_pcc>V_th4，则使静止同步补偿器进入暂态电压控制模式，输出无功功率为感性额定无功功率-Q_max，结束本次控制周期；

以上，V_th1，V_th2，V_th3，V_th4为使静止同步补偿器进入不同控制模式的电压阈值，一种典型的取值为：V_th1＝0.3pu，V_th2＝0.9pu，V_th3＝0.95pu，V_th4＝1.1pu；

(2)根据上述电压有效值的标么值V_pcc、静止同步补偿器的输出无功功率和变电站内电容器的投入状态，对静止同步补偿器进行控制，控制过程如下：

(2-1)根据上述电压测量值V_pcc和电压参考值V_ref，计算静止同步补偿器处于稳态调压模式时的无功功率值Q_CVR，具体包括以下步骤：

(2-1-1)计算上述电压标么值V_pcc和电压参考值V_ref的电压差值ΔV，ΔV＝V_pcc-V_ref，其中电压参考值V_ref的取值为：V_ref＝1.0pu；

(2-1-2)对电压差值ΔV进行相位补偿计算，得到补偿后的电压差值ΔV_comp，相位补偿计算中的相位补偿传递函数为：其中s为复频率，T₁和T₂分别为相位校正参数，一种典型的取值为T₁＝0.01秒，T₂＝0.03秒；

(2-1-3)根据上述补偿后的电压差值ΔV_comp和比例积分的传递函数，计算出静止同步补偿器处于稳态调压模式时的输出无功功率Q_CV，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＝1～2，T_v＝0.1～0.2秒；

(2-1-4)记变电站内任意一组电容器的输出无功功率为Q_FC，记稳态电压控制模式下静止同步补偿器的输出无功功率的限值为Q_lim，初始化时，设Q_lim＝Q_FC；

(2-1-5)对上述Q_CV进行限幅处理，计算出静止同步补偿器稳态电压控制所需的输出无功功率Q_CVR，限幅处理过程为：当Q_CV>Q_lim时，使Q_CVR＝Q_lim，当Q_CV<-Q_lim时，使Q_CVR＝-Q_lim，当-Q_lim≤Q_CV≤Q_lim时，使Q_CVR＝Q_CV，使静止同步补偿器的输出无功功率为Q_CVR；

(2-2)使静止同步补偿器的输出无功功率为Q_CVR；

(2-3)对电网的电压有效值的标么值V_pcc进行判断，若V_pcc>V_th3，则结束本次控制周期，若V_pcc≤V_th3，则进行步骤(2-4)；

(2-4)检测变电站内电容器是否已经全部投入运行，若还有未投入运行的电容器，则进行步骤(2-5)，若全部电容器均已投入运行，则进入(2-6)；

(2-5)使未投入运行的电容器中的一组电容器投入运行，进入步骤(2-3)；

(2-6)检查稳态电压控制模式下静止同步补偿器的输出无功功率限值Q_lim，若Q_lim＝K_thQ_FC，则结束本次控制周期，若Q_lim＝Q_FC，则使Q_lim＝K_thQ_FC，进行步骤(2-1-5)，其中K_th为静止同步补偿器参与稳态调压的无功容量与站内一组电容器的比例系数，一种典型的取值为：K_th＝2。