CN114899865B - 一种大规模新能源并网系统无功补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模新能源并网系统无功补偿方法，属于新能源发电技术领域，包括以下步骤：S1：由并网电流及电网电压计算并联补偿极限电抗；S2：由并网侧电压和电流三角形关系计算并联补偿无功量及补偿电流；S3：由实际电网电抗及并联补偿极限电抗计算串联补偿无功量。本发明通过计算并联无功补偿极限电抗，根据实际电网电抗与并联无功补偿极限电抗之间的关系，利用电压、电流三角形关系计算不同电网情况下新能源系统的并联和串联无功补偿量，可以避免传统无功配置中因无功补偿失效而导致的系统振荡不稳定等问题，值得被推广使用。

Description

一种大规模新能源并网系统无功补偿方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种大规模新能源并网系统无功补偿方法。

背景技术

为应对日益严峻的能源危机，世界各国都在加大对新能源的发展和利用。光伏、风电等可再生能源发电在我国得到了迅速发展。大量电力电子设备的投入改变了电力系统的运行及控制方式，对系统的电压及频率控制带来新的挑战。

对于大规模新能源并网系统而言，由于并网容量较大，且传输线路阻抗较大，并网系统容易出现电压问题。无功补偿是维持系统电压的有效方式，根据其补偿方式的不同可以分为串联补偿和并联补偿两种。其中，并联补偿主要通过在新能源电站并联电容器、静止同步补偿器及静止无功补偿器等设备，实现系统的无功补偿。串联补偿主要通过在传输线路中串联电容器及静止同步串联补偿器等实现对线路感抗的等效抵消。

由于新能源并网系统中逆变器的控制特点及无功补偿的实现原理限制，新能源并网系统中的无功补偿并不能完全根据系统的无功需求进行设置，在并网容量及线路阻抗较大的情况下，无功补偿有可能出现补偿失效的问题。此时，虽然无功设备补偿容量满足要求，新能源并网系统也会出现并网电压不稳定及振荡脱网现象。因此，有必要根据新能源并网系统的运行特点及不同的无功补偿形式，研究能够满足系统稳定性要求的无功补偿方法。为此，本发明提出一种大规模新能源并网系统无功补偿方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：大规模新能源并网系统中并联无功补偿及串联无功补偿一般独立配置，且无功补偿控制多根据并网电压变化而增大或减小相应的无功补偿量，并没有考虑逆变器的控制特点及无功补偿极限，从而容易导致并网系统无功补偿失效及系统振荡问题。本发明提供了一种大规模新能源并网系统无功补偿方法，该方法能够解决无功补偿不当而导致的补偿失效及系统振荡的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：由并网电流及电网电压计算并联补偿极限电抗；

S2：由并网侧电压和电流三角形关系计算并联补偿无功量及补偿电流；

S3：由实际电网电抗及并联补偿极限电抗计算串联补偿无功量。

更进一步地，在所述步骤S1中，并联补偿极限电抗如下：

其中，X_mc为并联补偿极限电抗值，I_rn为逆变器总输出电流有效值，V_g为电网电压有效值。

更进一步地，在所述步骤S2中，当X_L<X_mc时，则并联无功补偿设计为：

其中，I_g为流经X_L的总电流有效值，X_L为实际电网电抗，Q_pc为并联无功补偿量；

由并网侧电压和电流三角形关系，计算并联补偿电流有效值I_c为：

其中，I_c为并联补偿无功补偿设备输出电流有效值，V_g为电网电压有效值，I_rm为逆变器输出总电流有效值。

更进一步地，在所述步骤S2中，当X_L≥X_mc时，则并联无功补偿设计为：

其中，I_g为流经X_L的总电流有效值，X_mc为并联补偿极限电抗值，Q_pc为并联无功补偿量；

由并网侧电压和电流三角形关系，计算出并联补偿电流I_c为：

其中，I_c为并联补偿无功补偿设备输出电流有效值，V_g为电网电压有效值，I_rm为逆变器输出总电流有效值。

更进一步地，所述步骤S3包括以下子步骤：

S31：若X_L<X_mc：则串联无功补偿为零；

S32：若X_L≥X_mc：则串联无功补偿设计为：

其中，Q_sc为串联无功补偿量，I_g为流经等效电网电抗上的总电流有效值，X_mc为并联补偿极限电抗值，k为串联补偿度。

本发明相比现有技术具有以下优点：该大规模新能源并网系统无功补偿方法，通过计算并联无功补偿极限电抗，根据实际电网电抗与极限电抗之间的关系，利用电压、电流三角形关系计算不同情况下并联和串联无功补偿量，可以避免传统无功配置中因无功补偿失效而导致的系统振荡不稳定等问题，值得被推广使用。

附图说明

图1为本发明实施例一中新能源并网系统无功补偿示意图；

图2为本发明实施例一中新能源并网系统无功补偿等效电路图；

图3(a)为本发明实施例一中并网侧电压及电流三角形关系图；

图3(b)为本发明实施例一中不同无功补偿容量下并网电压V_i的变化情况示意图；

图4为本发明实施例二中无功补偿失效时系统并网电压和电流振荡不稳定波形图；

图5为本发明实施例二中X_L≥X_mc时并网电压和电流稳定波形图；

图6为本发明实施例二中X_L≥X_mc时并联无功补偿功率波形图；

图7为本发明实施例二中X_L≥X_mc时串联无功补偿功率波形图；

图8为本发明实施例二中X_L<X_mc时并网电压和电流稳定波形图；

图9为本发明实施例二中X_L<X_mc时并联无功补偿功率波形图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

大规模新能源并网系统如图1所示。其中，光伏、风电通过并网逆变器实现并网，将新能源电能供给远距离负荷；并联无功补偿配置在新能源并网点，向系统注入无功电流；串联补偿配置在高压传输线路上，等效抵消电网阻抗。设新能源系统中n个并网逆变单元的并网电流为则可以求出新能源并网单元的总并网电流为：

其中，n分别为第i个新能源并网单元的并网电流相量、总并网电流相量、以及新能源并网单元个数。由于并网逆变器主要工作在并网电流控制方式，因此可以将整个新能源并网系统等效为诺顿等效电路，此时新能源并网系统等效电路图如图2所示。其中C_p、C_s分别代表并联和串联无功补偿，L_g为等效电网电感。

首先不考虑串联补偿作用，此时并网侧电压和电流满足三角形关系，如图3(a)所示。当并网输出电流增大的时候，等效电网电感上的压降会增大，从而导致逆变器并网电压在三角形关系的约束下降低。此时，需要无功补偿向并网系统提供无功功率从而实现对并网电压的调节。图3(b)中给出了不同无功补偿容量下，并网电压V_i的变化情况。其中虚直线计算为：

根据基尔霍夫基本定律，并网侧电压和电流必须要满足三角形关系。而直虚线正好是以电网电压为斜边的直角三角形的直角边，因此，可以得出：

从而可以得到并联无功补偿的极限补偿电抗为：

其中，X_mc为并联补偿极限电抗值，I_rn为逆变器输出总电流有效值，V_g为电网电压有效值。

根据图3(b)可以看出，无论并联补偿输出多少无功功率，都不能打破式(3)所示的限制。从而说明，当并网线路实际电抗大于并联补偿极限电抗时，并联补偿将不能满足对并网电压的正常调节。此时需配置串联补偿实现对多余电抗的补偿。

当实际线路等效电抗(实际电网电抗)X_L小于并联补偿极限电抗X_mc时，电站内并联补偿有能力实现对并网电压的调节，优先采用并联补偿使并网电压与理想电压保持一致。如图3(b)中的b点所示，若要实现V_i＝V_g，则V_i，V_g和V_l构成等腰三角形关系。此时并联无功补偿量可以由三角形关系计算为：

其中，V_i为并网电压有效值，I_g为线路中流过的总电流有效值，I_c为无功补偿电流有效值，为I_g与V_i的夹角。

根据图3(a)所示三角形关系，可以计算出并联补偿电流有效值I_c为：

其中，I_c为并联补偿无功补偿设备输出电流有效值，V_g为电网电压有效值，I_rm为逆变器输出总电流有效值。

此时，由于并联补偿可以实现对并网电压的灵活调节，因此串联无功补偿可以设置为零，从而减小线路中设备的损耗以及运维成本。

当实际线路等效电抗X_L大于并联补偿极限电抗X_mc时，电站内并联补偿不能实现对并网电压的无限调节，此时，并联补偿需要根据并联补偿极限电抗确定，然后线路中剩余电抗由串联补偿解决；因此，并联无功补偿设计为：

其中，I_g为流经X_L的总电流有效值，X_mc为并联补偿极限电抗值，Q_pc为并联无功补偿量。

根据图3(a)所示三角形关系，可以计算出并联补偿电流有效值I_c为：

其中，I_c为并联补偿无功补偿设备输出电流有效值，V_g为电网电压有效值，I_rm为逆变器输出总电流有效值。

并联补偿后并网系统剩余电抗为X_L-X_mc，则串联补偿容量设计为：

其中，Q_sc为串联无功补偿量，I_g为流经等效电网电抗上的总电流有效值，X_mc为并联补偿极限电抗值，X_L为实际线路等效电抗，k为串联补偿度。

实施例二

在本实施例中，根据分析结论，在Matlab中搭建三相并网逆变系统，并网容量取500kW，总并网逆变电流有效值为1069.2A。对实施例一中的无功补偿方法进行仿真验证，系统参数如表1所示。

表1并网逆变系统参数

Table 1 Parameters of grid-connected inverter system

参数	取值	参数	取值
				电网线电压有效值Vg/V	270	PR控制器比例系数kp	0.456
电网频率fg/Hz	50	PR控制器谐振系数kr	226.1
				直流母线电压设计值Vdc/V	700	PR控制器带宽ωc	3.14
开关频率fs/kHz	5	滤波器电容C/μF	220
				逆变桥侧电感L1/mH	0.2	谐振频率ω0/rad/s	100π
电网侧电感L2/mH	0.01	有源阻尼系数kc	0.9

根据式(4)可以计算出并联补偿临界电抗(极限补偿电抗)为：

首先，实际电网电抗取0.2Ω，大于并联补偿极限电抗。此时若完全按实际电网电抗进行并联无功补偿，并联补偿失效，并网系统仿真波形如图4所示，并网系统出现振荡不稳定现象。

采用本发明所提供的无功补偿方法，并联补偿设计按照极限补偿电抗计算公式为：

其中，I_rn＝1069.2A，V_i＝155.846V，X_mc＝0.14Ω，根据式(11)可以求得并联无功补偿输出容量Q_pc为375.3kVar。

此时串联补偿计算为：

其中，k为串联补偿度，本实施例中取0.95，I_rn＝1069.2A，V_i＝155.846V，X_mc＝0.14Ω，Q_pc＝375.3kVar，将数据代入式(10)可以求得：Q_sc＝246.63kVar。

通过采用本发明所提无功补偿方法，Matlab仿真波形如图5-图7所示。图5表明采用本发明的无功补偿方法之后，原振荡不稳定系统可以稳定运行，无功补偿达到了理想的效果，电压稳定在220V左右。图6和图7分别为此时的并联无功补偿量和串联无功补偿量，可以看出仿真结果和理论计算值一致。

当实际电网电抗取0.1Ω，小于并联补偿极限电抗时，此时并联无功补偿按实际电网电抗进行计算：

代入数值后，可以计算出Q_pc为198.485kVar。由于实际电抗没有超出并联补偿极限电抗，因此串联补偿设置为零。此时并网电压和电流的仿真波形如图8所示，可以看出此时并联补偿可以将系统电压维持在正常水平，无功补偿效果较好。图9为并联补偿输出无功功率，可以看出仿真数值和理论计算一致。

综上所述，上述实施例的一种大规模新能源并网系统无功补偿方法，通过计算并联无功补偿极限电抗，根据实际电网电抗与极限电抗之间的关系，利用电压、电流三角形关系计算不同情况下并联和串联无功补偿量，可以避免传统无功配置中因无功补偿失效而导致的系统振荡不稳定等问题，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种大规模新能源并网系统无功补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：由并网电流及电网电压计算并联补偿极限电抗；

S2：由并网侧电压和电流三角形关系计算并联补偿无功量及补偿电流；

S3：由实际电网电抗及并联补偿极限电抗计算串联补偿无功量；

在所述步骤S1中，并联补偿极限电抗如下：

其中，X_mc为并联补偿极限电抗值，I_rn为逆变器总输出电流有效值，V_g为电网电压有效值；

在所述步骤S2中，当X_L<X_mc时，则并联无功补偿设计为：

其中，I_g为流经等效电网电抗上的总电流有效值，X_L为实际电网电抗，Q_pc为并联无功补偿量；

由并网侧电压和电流三角形关系，计算并联补偿电流有效值I_c为：

其中，I_c为并联补偿无功补偿设备输出电流有效值，V_g为电网电压有效值，I_rm为逆变器输出总电流有效值；

在所述步骤S2中，当X_L≥X_mc时，则并联无功补偿设计为：

其中，I_g为流经X_L的总电流有效值，X_mc为并联补偿极限电抗值，Q_pc为并联无功补偿量；

由并网侧电压和电流三角形关系，计算出并联补偿电流I_c为：

其中，I_c为并联补偿无功补偿设备输出电流有效值，V_g为电网电压有效值，I_rm为逆变器输出总电流有效值；

所述步骤S3包括以下子步骤：

S31：若X_L<X_mc：则串联无功补偿为零；

S32：若X_L≥X_mc：则串联无功补偿设计为：

其中，Q_sc为串联无功补偿量，I_g为流经等效电网电抗上的总电流有效值，X_mc为并联补偿极限电抗值，k为串联补偿度。