CN107565581B - 无功补偿装置并联运行系统与无功补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无功补偿装置并联运行系统与无功补偿控制方法，将两个变压器并联运行，在变压器对应的母线连接有无功补偿装置，母线通过母联断路器器连接，采用的无功补偿控制方法为：将其中一个无功补偿装置作为主机，其他无功补偿装置作为从机，主机检测所有母线上的电流和无功功率，根据所有无功补偿装置的运行模式，确定主机和从机需要补偿的无功电流。该系统相对于单台SVG，增大了系统的容量，由于变压器的并联设置，使两个SVG分为主机和从机，相互通讯，在主机和从机之间分配无功补偿电流。

Description

无功补偿装置并联运行系统与无功补偿控制方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及无功补偿装置并联运行系统与无功补偿控制方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，我国经济飞速发展，作为国民经济基础的电力系统，也因需求量的不断增大，规模也越来越大。在现代各行各业，对电力的需求和依赖都变得越来越强烈，电力系统也得到了迅猛的发展。庞大的电力系统中有大量的无功功率在流动，产生了大量的损耗，造成电压跌落，影响电能质量，这会使得从发电到供电，及配电整个电力系统产生不良影响，主要表现在以下几个方面：

1)减小供电设备输出容量，由于无功功率的增加，供电设备在产生有功功率同时还需输出无功功率，使得其输出电流及视在功率增大，从而需要减少了发电设备如发电机、变压器等电气设备输出的容量。

2)增加了设备和线路的损耗，无功电流的增加导致设备和线路的不必要损耗。

3)产生电网波动，许多大型感性或容性设备，如电熔炉、电焊机等设备在运行时会产生频繁的无功功率冲击，从而引起电网剧烈波动，导致电能质量下降，电力保护设备动作，甚至可能引起供电设备故障。

4)电网功率因数降低，电能利用率下降，大量无功功率存在与电网中使得电网整体功率因素下降，用电设备的电能利用率降低，造成能源的浪费。

5)使得设备发热量增加，降低设备使用寿命，增加设备运行及维护成本。

因此，提高和稳定功率因数、减少无功流动是近年来各方面关注的热点之一，而SVG作为目前最先进的无功补偿设备得到了广泛的应用，但SVG装置的单台容量不大，无法满足用户大容量的动态无功补偿需求，并联SVG装置能够解决开关频率与容量之间的矛盾，具有良好的无功补偿效果和动态性能。现有SVG装置的并联方式均采用多个SVG通过变压器独立的接入电网，这种并联运行方法效应速度慢，补偿精度差，无法满足电站各种运行工况的无功补偿要求。

上述多个SVG在启动主、从机时，需要设置单独的协调控制器，协调控制器和所有SVG进行通讯，用于确定SVG的主、从分配，以及进行无功功率分配，这种带有协调控制的无功补偿方案，增加了硬件成本，系统复杂，并且可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种无功补偿装置并联运行系统与无功补偿控制方法，用于解决现有单台SVG装置补充容量无法满足用户需求，且多台SVG装置单独接入电网需要多个协调控制器增加硬件成本的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种无功补偿装置并联运行系统，包括两个并联运行的变压器，每个变压器的一侧用于连接电网，另一侧连接母线，母线之间通过母联断路器相连，所述母线连接有无功补偿装置；

在无功补偿装置中选择其中一个作为主机，将剩余的无功补偿装置作为从机，主机检测所有母线上的电流和无功功率，根据所有无功补偿装置的运行模式，确定主机和从机需要补偿的无功电流。

当从机的运行功率小于额定功率的N倍时，N≤0.5，延时第一设定时间，控制所述从机进入闭锁模式，在闭锁模式下，切除从机中设定数量的功率模块；当需要补偿的总无功功率大于或等于所述额定功率的N倍时，延时第一设定时间，主机控制解锁从机，从机恢复正常运行模式。

所述设定数量通过以下计算式得出：

式中，n_out为待切除功率模块的设定数量，n_all为每相模块的数量，U_max为电网的线电压的峰值，U_dc为功率模块的直流母线额定电压值。

在所述无功补偿装置中选择其中一个作为主机的方法为：将最先检测到母联断路器的闭合信号的无功补偿装置作为主机，剩余的无功补偿装置作为从机。

当系统需要补偿的总无功电流小于所有无功补偿装置中最小输出无功电流限值时，将主机、从机中的一个输出无功电流为：所述最小输出无功电流限值的负值；将主机、从机中的另一个输出的无功电流为：所述最小输出无功电流限值与所述总无功电流之和。

根据主机、从机的运行模式计算主机和从机输出的无功电流，当所述运行模式为恒无功补偿模式时，设定的无功功率指令值为所述主机和从机当前的总无功功率与母线上当前的总无功功率的差值的一半；

当所述运行模式为恒功率因数模式时，指令值为P_grid1为主机连接的母线上的有功功率，P_grid2为从机连接的母线上的有功功率，λ为设定的功率因数。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种无功补偿控制方法，包括以下步骤：

1)将最先检测到母联断路器的闭合信号的无功补偿装置作为主机、剩余的无功补偿装置作为从机，所述母联断路器用于连接在两个母线之间，每个母线用于连接相应的无功补偿装置；

2)主机检测所有无功补偿装置连接的母线上的电流和无功功率，并根据所有无功补偿装置的运行模式，确定主机和从机需要补偿的无功电流。

当从机的运行功率小于额定功率的N倍时，N≤0.5，延时第一设定时间，控制所述从机进入闭锁模式，在闭锁模式下，切除从机中设定数量的功率模块；当需要补偿的总无功功率大于或等于所述额定功率的N倍时，延时第一设定时间，主机控制解锁从机，从机恢复正常运行模式。

所述设定数量通过以下计算式得出：

式中，n_out为待切除功率模块的设定数量，n_all为每相模块的数量，U_max为电网的线电压的峰值，U_dc为功率模块的直流母线额定电压值。

当系统需要补偿的总无功电流小于所有无功补偿装置中最小输出无功电流限值时，将主机、从机中的一个输出无功电流为：所述最小输出无功电流限值的负值；将主机、从机中的另一个输出的无功电流为：所述最小输出无功电流限值与所述总无功电流之和。

本发明的有益效果是：

本发明的无功补偿装置并联运行系统，将两个变压器并联运行，在每个变压器对应的母线连接有无功补偿装置，每个母线通过母联断路器器连接，采用的无功补偿控制方法为：将其中一个无功补偿装置作为主机，其他无功补偿装置作为从机，主机检测所有母线上的电流和无功功率，根据所有无功补偿装置的运行模式，确定主机和从机需要补偿的无功电流。该系统相对于单台SVG，增大了系统的容量，并且由于变压器并联设置，使多个SVG分为主机和从机，不需要设置协调控控制器，仅通过SVG之间相互通讯，就能实现主从分配和在主机和从机之间分配无功补偿电流，降低了硬件成本，同时提高了工作效率和可靠性。

当从机的运行功率小于该从机的额定功率的N倍时，将从机的一部分功率模块进行闭锁，将直流电压过高的功率模块切除，使从机处于备用待机状态，避免功率模块损坏，保证SVG的功率模块的正常运行。当需要补偿的总无功功率大于或等于额定功率的N倍时，经过延时，恢复处于闭锁状态的功率模块的正常运行。

本发明根据不同的运行模式，恒无功补偿模式、恒功率因数模式或恒电压模式，确定主机和从机输出的无功电流。

当主机和从机需要补偿的总无功电流小于设定的最小输出无功电流限值时，为避免主机和从机的过补偿或欠补偿，控制主机、从机中的一个输出最小输出无功电流限值的负值，另一个输出该最小输出无功电流限值与总无功电流之和，实现主机和从机的零误差补偿。

当主机和从机均正常运行时，主机和从机输出的无功电流为总无功电流的一半；当主机、从机中任意一个停机时，由另一个输出总无功电流，实现主机和从机的互为备用。

附图说明

图1是一种变压器并联运行系统示意图；

图2是本发明主机和从机的恒无功补偿模式控制框图；

图3是本发明主机和从机的恒功率因数模式控制框图；

图4是本发明主机和从机的恒电压模式控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示的变压器并联运行系统，包括两台变压器，分别为1号主变和2号主变，1号主变和2号主变的并联侧为低压侧，1号主变的并联侧设有低压母线Ⅰ，低压母线Ⅰ连接有1号SVG(无功补偿装置)，2号主变的并联侧设有低压母线Ⅱ，低压母线Ⅱ连接有2号SVG。为提高供电的可靠性，两段低压母线分别通过变压器高压侧电网取电，两台SVG分别直挂于两段低压侧母线上，两段低压侧母线经母联断路器互连，当母联断路器断开时，1号SVG和2号SVG独立运行，各自补偿分段母线的无功，当母联断路器闭合后，两台SVG实现并联运行。

变压器并联运行的电站，采用2个母线、2台SVG，2台SVG控制系统通过高速光纤进行通讯交互，可采用Aurora或地址总线读取方式，对对方母线总电流进行采样，根据母联开关状态进行补偿判断。当母联开关断开2台变压器独立运行时，两台SVG分别独立控制，不再区分主从机，两台SVG采集各自母线电压、电流等状态信息，进行相应的无功功率控制。

两台SVG并联运行时，采用以下控制方法：

当一台SVG首先检测到母联断路器的闭合信号时，向对方SVG发送请求命令，请求成为从机，两台SVG通过高速光纤通信，收到请求命令的一方，下发同意指令，请求方收到回复指令后，确定主机、从机分工。主机分别采样低压母线Ⅰ和低压母线Ⅱ的上的电压、电流，根据SVG的运行模式计算无功功率需求值和相应的总无功电流，然后向从机下发电流控制指令。若2台SVG均正常运行时，使总无功电流均分，主机和从机输出的无功电流为总无功电流的一半。当主机、从机中任意一个停机时，则由另一台承担总无功电流指令。

双机(1号SVG和2号SVG)并联的运行模式控制方式如下：

当运行模式为恒无功补偿模式时，其控制逻辑如图2所示，设定无功功率指令值(Q_svg1+Q_svg2-Q_grid1-Q_grid2)/2，该指令值为主机和从机当前的总无功功率与母线上当前的总无功功率的差值的一半，Q_svg1为1号SVG当前的无功功率，Q_svg2为2号SVG当前的无功功率，Q_grid1为低压母线Ⅰ上当前的无功功率，Q_grid2为低压母线Ⅱ上当前的无功功率。然后对设定无功功率指令值限幅，将限幅后的值与主机、从机输出无功功率之和的平均值(Q_svg1+Q_svg2)/2作差，经过PI调节，将得到的输出值与上述限幅后的值的K₁倍作和，其中K₁＝1，作和后将得到的值进行限幅、取反，将生成的无功电流指令的一半，分别作为主机输出的无功电流i_{svg1_p_q}*，和从机输出的无功电流i_{svg2_p_q}*，保证两个母线无功功率值为0，母线无功功率值为输入到电网的无功功率值。

当运行于恒功率因数模式时，其控制逻辑如图3所示，根据设定的功率因数λ、低压母线Ⅰ上的有功功率P_rid1、和低压母线Ⅱ上的有功功率P_rid2，设定第一指令值为其中λ为设定的功率因数，将该第一指令值与主机、从机输出无功功率之和的平均值(Q_svg1+Q_svg2)/2作差，经过PI调节，将得到的输出值与第一指令值的K₂倍作和，K₂＝1，作和后将得到的值进行限幅、取反，将生成的无功电流指令的一半，分别作为主机输出的无功电流i_{svg1_p_q}*，和从机输出的无功电流i_{svg2_p_q}*。

当运行于恒电压模式时，其控制逻辑如图4所示，设定电压指令值U_35kV*，并与电网的线电压U_{d_35kV}*作差，进行PI调节，对调节后的值限幅、取反，将生成的无功电流指令的一半，分别作为主机输出的无功电流i_{svg1_p_q}*，和从机输出的无功电流i_{svg2_p_q}*，保证线路电网电压，2台SVG平分执行无功电流指令。

当双机并联运行时，从机的运行功率小于其额定功率的N倍时，N≤0.5，并延时为第一设定时间，从机转入闭锁模式，切除从机中设定数量的功率模块后，进入待机状态。在闭锁均机模式下，从机SVG中的控制器实时根据每相直流电压对各个功率模块进行排序，然后根据排序结果，通过控制功率模块脉冲(桥臂上管或下管IGBT同时导通)，动态切除部分直流电压较高的功率模块，保证切除模块后，三相中两相之间未切除模块总电压之和为电网线电压的峰值，以将所有功率模块的电压维持在额定电压幅值附近，从机处于热备用待机状态。

切除功率模块的数量的计算式为：

式中，n_out为待切除功率模块的设定数量，n_all为每相模块的数量，U_max为电网的线电压的峰值，U_dc为功率模块的直流母线额定电压值。当每相模块数为40，电网电压为35kV(该值为有效值)，模块额定电压为950V，代入上式，则功率模块的切除数为14。避免频繁切除导致模块IGBT损坏增加，切除周期设置为0.5s。

当需要补偿的总无功功率大于或等于从机额定功率的0.5倍时，处于热备用的从机收到解锁脉冲信号，自动快速解锁执行电流指令输出无功功率，恢复正常运行模式。为了避免SVG重复进行闭锁解锁切换，功率切换点可设置一定死区或时间延时。

在双机并联的模式下，若需要补偿的总无功电流小于单台无功补偿装置输出的最小无功电流限值时，若按照正常运行方式，则存在过补或欠补现象。为防止主机和从机发生过补偿或欠补偿，本发明控制其中一台SVG输出的无功电流为最小无功电流限值的负值，另一台SVG输出的无功电流为该最小无功电流限值与需要补偿的总无功电流之和，实现零误差补偿。例如，当低压母线Ⅰ和低压母线Ⅱ所需补偿的总无功电流为a％In，In为单台SVG的额定电流，而最小无功电流限值为b％In，其中0<a<b，则将其中一台SVG执行无功电流指令-b％In，另一台SVG执行(a+b)％In。

两台并联运行的主机、从机，当有一台出现故障退出运行后，另一台根据采集的电网总电流及母线电压，自动补偿无功，可实现互为备用。

本发明在原单台SVG基础上，通过增加高速通讯和电量采集，不增加其他硬件成本，两台SVG软件硬件可做到完全一致，可满足变压器并联运行电站各种运行工况的无功补偿要求，可靠性高，补偿精度高，冗余性好。

本发明将最先检测到母联断路器的闭合信号的无功补偿装置作为主机、剩余的无功补偿装置作为从机。主机检测所有变压器的并联侧的输出电流和无功功率，并根据所有无功补偿装置的运行模式，确定主机和从机需要补偿的无功电流。相对于单台SVG，增大了系统的容量，并且由于变压器并联设置，使多个SVG分为主机和从机，相互通讯，在主机和从机之间分配无功补偿电流。

上述无功补偿装置的运行模式包括恒无功模式、恒功率因数模式、及恒电压模式，控制逻辑分别如图2、图3和图4所示，最终求出需要补偿的总无功电流，并将总无功电流在正常运行的主机、从机间平均分配。

本发明在系统需要补偿的总无功电流小于设定的所有无功补偿装置中最小输出无功电流限值b％In时，In为额定电流，为避免主机和/或从机发生过补偿或欠补偿，选择主机、从机中的一个输出无功电流为最小输出无功电流限值b％In的负值；将主机、从机中的另一个输出的无功电流的和为：最小输出无功电流限值与所述总无功电流之和。

当主机和从机均正常运行时，主机分别采样第一母线和第二母线上的电压、电流，并计算无功功率需求值和相应的总无功电流，向从机下发无功电流控制指令，即主机和从机输出的无功电流为总无功电流的一半；当主机、从机中任意一个停机时，由另一个输出总无功电流，实现主机和从机的互为备用。

本发明还提出了一种无功补控制方法，包括以下步骤：将最先检测到母联断路器的闭合信号的无功补偿装置作为主机、剩余的无功补偿装置作为从机，所述母联断路器用于连接在两个母线之间，每个母线用于连接相应的无功补偿装置。主机检测所有无功补偿装置连接的母线上的电流和无功功率，并根据所有无功补偿装置的运行模式，确定主机和从机需要补偿的无功电流。由于对上述方法已经介绍的足够清楚完整，故不再详细进行描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种无功补偿装置并联运行系统，其特征在于，包括两个并联运行的变压器，每个变压器的一侧用于连接电网，另一侧连接母线，母线之间通过母联断路器相连，所述母线连接有无功补偿装置；

在无功补偿装置中选择其中一个作为主机，将剩余的无功补偿装置作为从机，主机检测所有母线上的电流和无功功率，根据所有无功补偿装置的运行模式，确定主机和从机需要补偿的无功电流；

当从机的运行功率小于额定功率的N倍时，N≤0.5，延时第一设定时间，控制所述从机进入闭锁模式，在闭锁模式下，切除从机中设定数量的功率模块；当需要补偿的总无功功率大于或等于所述额定功率的N倍时，延时第一设定时间，主机控制解锁从机，从机恢复正常运行模式。

2.根据权利要求1所述的无功补偿装置并联运行系统，其特征在于，所述设定数量通过以下计算式得出：

式中，n_out为待切除功率模块的设定数量，n_all为每相模块的数量，U_max为电网的线电压的峰值，U_dc为功率模块的直流母线额定电压值。

3.根据权利要求1所述的无功补偿装置并联运行系统，其特征在于，在所述无功补偿装置中选择其中一个作为主机的方法为：将最先检测到母联断路器的闭合信号的无功补偿装置作为主机，剩余的无功补偿装置作为从机。

4.根据权利要求3所述的无功补偿装置并联运行系统，其特征在于，当系统需要补偿的总无功电流小于所有无功补偿装置中最小输出无功电流限值时，将主机、从机中的一个输出无功电流为：所述最小输出无功电流限值的负值；将主机、从机中的另一个输出的无功电流为：所述最小输出无功电流限值与所述总无功电流之和。

5.根据权利要求1所述的无功补偿装置并联运行系统，其特征在于，根据主机、从机的运行模式计算主机和从机输出的无功电流，当所述运行模式为恒无功补偿模式时，设定的无功功率指令值为所述主机和从机当前的总无功功率与母线上当前的总无功功率的差值的一半；

当所述运行模式为恒功率因数模式时，指令值为P_grid1为主机连接的母线上的有功功率，P_grid2为从机连接的母线上的有功功率，λ为设定的功率因数。

6.一种无功补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将最先检测到母联断路器的闭合信号的无功补偿装置作为主机、剩余的无功补偿装置作为从机，所述母联断路器用于连接在两个母线之间，每个母线用于连接相应的无功补偿装置；

2)主机检测所有无功补偿装置连接的母线上的电流和无功功率，并根据所有无功补偿装置的运行模式，确定主机和从机需要补偿的无功电流；

当从机的运行功率小于额定功率的N倍时，N≤0.5，延时第一设定时间，控制所述从机进入闭锁模式，在闭锁模式下，切除从机中设定数量的功率模块；当需要补偿的总无功功率大于或等于所述额定功率的N倍时，延时第一设定时间，主机控制解锁从机，从机恢复正常运行模式。

7.根据权利要求6所述的无功补偿控制方法，其特征在于，所述设定数量通过以下计算式得出：

式中，n_out为待切除功率模块的设定数量，n_all为每相模块的数量，U_max为电网的线电压的峰值，U_dc为功率模块的直流母线额定电压值。

8.根据权利要求6所述的无功补偿控制方法，其特征在于，当系统需要补偿的总无功电流小于所有无功补偿装置中最小输出无功电流限值时，将主机、从机中的一个输出无功电流为：所述最小输出无功电流限值的负值；将主机、从机中的另一个输出的无功电流为：所述最小输出无功电流限值与所述总无功电流之和。