一种实现SVG装置多机并联运行的系统及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种实现SVG(Static Var Generator，静止无功发生器)装置多机并联运行的系统及其控制方法。

背景技术：

无功补偿装置作为电力电子领域中重要的装置之一，经常需要面临进行扩容的情况，如企业随着效益的提升需要增加产能，使得负载功率会相应增加，这时需要对既有的电力线路进行扩容以改造升级，而若负载功率增加及进行线路扩容，无功补偿装置则需要扩容才能满足要求；另外，随着目前风电、光伏等新能源发电行业的迅速发展，大量风电、光伏电站并入电网，而部分风电、光伏电站是分期建设，后期如需增加发电容量，也需要无功补偿装置进行扩容。为实现无功补偿装置扩容，如果将原有的无功补偿装置废弃而重新购买更大容量的装置，则原有装置利用率将大大降低，经济上也会遭受损失。因此为了提高原有装置的利用率及经济效益，最优方案就是在后期增加相应补偿容量的无功补偿装置，由多台装置并联运行实现扩容。

静止无功发生器SVG(Static Var Generator，静止无功发生器)装置由于在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减少占地面积等多方面具有优越的性能，目前已广泛的应用于各行各业，因此实现SVG装置并联运行对于需要扩容的企业、新能源发电等行业都具有重要意义。实现多台SVG装置并联的设计中主要包括以下两方面内容：一是SVG装置多机并联的方式，二是并联SVG装置的无功分配方法。目前实现SVG装置并联的方案中，主要存在两种并联方式，一种是采用通信的方式将多台SVG装置连接起来，通信的方式主要为485总线通信、CAN总线、以太网通信以及光纤通信等，无功分配方法则通常都是由主机计算所需补偿的无功功率，然后通过一定的分配算法计算每台SVG所需输出的无功指令，经通信的方式传送到每台SVG装置控制执行；另外一种是各台SVG装置之间并不建立通信连接，无功分配时由每台SVG装置各自计算所需补偿的无功功率，通过一定的算法计算所需输出的无功功率。

上述实现SVG装置并联运行的方案中，采用485接口通信、CAN总线时，其通信速度较慢且抗干扰能力较弱；采用以太网通信虽然通信速度较快，但在高压强电磁场环境下易受干扰、实时性差；采用光纤通信的方案通信速度快且抗干扰能力强，但目前基于光纤通信的SVG装置并联方案中通常是由主机与从机、从机与从机之间都需要光纤连接，因而并联台数越多，所需的光纤路数也就越多，使得连接方式复杂、信息处理量大且互联通信系统复杂，即便采用一对多的连接形式进行光纤通信，即由主机连接各从机、从机之间互相不建立连接，但当主机发生故障时，从机无法切换为主机，这时整个系统都无法工作，系统的冗余性差。对于无功分配方式，采用通信方式连接的SVG并联方式中通常需要判断投入的SVG装置数量，或判断投入SVG装置的数量和各台SVG装置的容量后，计算分流系数后才能得出各SVG装置的无功指令，其无功分配方式复杂；而在各台SVG装置不建立通信连接的并联方式中，无功分配时则需要各台SVG装置分别采集母线的电压电流信号来计算所需补偿功率，由于各台SVG装置的AD采样及跟踪调节并不同步，计算出的无功会有差别，在负载快速变化时很有可能导致各装置的补偿的无功内耗，因而这类无功分配方式还会造成母线无功震荡。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、能够实现快速协同运行且抗干扰能力强、系统的运行稳定性以及冗余度高的实现SVG装置多机并联运行的系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种实现SVG装置多机并联运行的系统，包括多台SVG装置，每台所述SVG装置配置有一对分别用于接收、发送光信号的光纤端口，各台所述SVG装置之间为通过所述光纤端口依次串联且首尾两台SVG装置相互连接的环形拓扑结构以构成光纤环网，各台所述SVG装置中配置为主机的SVG装置通过所述光纤环网传输控制指令至其余配置为从机的SVG装置，控制输出所需补偿的无功功率。

作为本发明系统的进一步改进：所述SVG装置的控制系统包括用于控制无功功率输出的主控制板以及分别与所述主控制板连接的数据量采集板、模拟量采集板、SVG变流器，所述光纤端口设置在所述主控制板上，配置为主机的所述SVG装置中模拟量采集板分别接入电力系统公共连接点的电压信号和电流信号。

作为本发明系统的进一步改进：至少两台所述SVG装置与用于采集电力系统公共连接点电压信号的电压互感器PT和用于采集电力系统公共连接点电流信号的电流互感器CT连接。

本发明进一步提供利用上述系统的控制方法，步骤包括：

1)配置任意一台能够采集到电力系统公共连接点的电压、电流信号的所述SVG装置为主机、其余SVG装置为从机；

2)所述步骤1)中配置为主机的SVG装置实时根据电力系统公共连接点的控制目标值计算所需补偿功率，由所需补偿功率确定一个用于无功分配的统一分配系数，并作为控制指令通过所述光纤环网传输至各台配置为从机的SVG装置；

3)各台SVG装置根据所述统一分配系数以及额定输出无功容量计算各自所需补偿的功率，各台SVG装置按照各自计算得到的功率控制执行功率补偿。

作为本发明控制方法的进一步改进：所述统一分配系数为无功功率标幺值Q_ref-pu，其中-1.0≤Q_ref-pu≤1.0，且Q_ref-pu＝1.0对应SVG装置的最大容性无功功率、Q_ref-pu＝-1.0对应SVG装置的最大感性无功功率。

作为本发明控制方法的进一步改进：所述步骤3)中各台SVG装置所需补偿的功率具体为作为统一分配系数的所述无功功率标幺值Q_ref-pu与SVG装置的额定输出无功容量之间的乘积。

作为本发明控制方法的进一步改进：所述步骤2)中具体通过PI调节算法实时根据电力系统公共连接点的控制目标值以及反馈值计算所需补偿功率的无功功率标幺值Q_ref-pu并作为所述统一分配系数，以对电力系统公共连接点的控制目标值进行调节。

作为本发明控制方法的进一步改进：所述由PI调节算法计算所需补偿功率的无功功率标幺值的具体步骤为：将控制目标的预设值作为PI调节器的输入、电力系统公共连接点的控制目标的实际值作为PI调节器的反馈量输入，所述PI调节器执行PI调节后得到所需补偿功率的无功功率标幺值Q_ref-pu输出。

作为本发明控制方法的进一步改进，所述步骤3)后还包括故障时SVG装置切换步骤，具体步骤为：实时监测系统中各台SVG装置的故障状态，当存在SVG装置发生故障时，判断是否是SVG装置的控制系统发生故障，如果是，断开故障SVG装置的连接，并将与所述故障SVG装置连接的两个SVG装置进行连接以将故障SVG装置从光纤环网中移除；否则保持当前运行状态。

作为本发明控制方法的进一步改进：所述故障时SVG装置切换步骤中，如果判断到SVG装置的控制系统发生故障时，判断故障SVG装置是否配置为主机，如果是，则将故障SVG装置从光纤环网中移除后，重新配置一台能够采集到电力系统公共连接点的电压、电流信号的SVG装置为主机、其余SVG装置为从机。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明通过建立光纤环网实现各台SVG装置的并联运行，基于光纤通信的通信速度快、抗干扰性能强且可靠性高，同时每台SVG装置仅需要配置一对光纤端口，连接方式及结构简单，有效降低了系统的复杂度同时减少系统所需的硬件资源，各台SVG装置之间能够实现快速协同运行及快速动态响应，从而解决了传统并联运行方案中通信速度慢，存在母线无功震荡以及运行不稳定的问题；

2)本发明各台并联SVG装置通过光纤环网通信，可配置任意一台能采集到PCC点的PT和CT信号的SVG装置为主机，并在配置为主机的SVG装置发生故障时能够快速的切换至其他SVG装置而避免影响整个系统的运行，配置灵活，有效提高了系统的冗余度以及系统运行可靠性；

3)本发明通过光纤环网通信的方式将多台SVG装置连接起来，可以方便的接入新的SVG装置至光纤环网中，非常便于实现SVG装置的扩容改造；

4)本发明由配置为主机的SVG装置根据电力系统公共连接点功率确定一个用于无功分配的统一分配系数，将统一分配系数传输给各台配置为从机的SVG装置，各台SVG装置仅需要根据统一分配系数以及额定输出无功容量来确定各自所需补偿的功率，不需要主机对每台从机SVG装置都设置分配算法，且主机SVG装置不需要获取各台并联SVG装置的状态，各台从机SVG装置之间也不需要建立联系，大大简化了SVG装置并联运行的无功分配方式，从而能够方便的实现多台SVG装置并联运行；

5)本发明实时由电力系统公共连接点所需补偿的功率确定分配系数进行无功分配，各台SVG装置的输出变化均会反映至电力系统公共连接点实时功率中，因而按照当SVG装置非控制系统发生故障时无需重新配置系统，系统的稳定性高；

6)本发明进一步由无功功率标幺值作为统一分配系数，各台SVG装置仅需要由无功功率标幺值以及各自额定输出无功容量的乘积即可确定所需补偿的功率，无功分配实现简单有效；本发明进一步通过PI调节确定无功功率标幺值，PI调节可以快速调节输出量来调整系统中每台SVG装置的无功出力以逼近控制目标，由于任意一台SVG装置的无功输出变化都会反应到PI调节的反馈量中，因而执行无功分配时不需要从机SVG装置之间建立联系，无功分配实现简单，且能快速、有效进行功率补偿。

附图说明

图1是本实施例实现SVG装置多机并联运行的系统的结构原理示意图。

图2是本实施例控制实现SVG装置多机并联运行的实现原理示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例实现SVG装置多机并联运行的系统包括多台SVG装置(SVG1～SVGn)，每台SVG装置配置有一对分别用于接收、发送光信号的光纤端口(光纤发送端口TX、光纤接收端口RX)，各台SVG装置之间为通过光纤端口依次串联且首尾两台SVG相互连接的环形拓扑结构以构成光纤环网，光纤环网具体由第一台SVG装置SVG1的光纤发送端口TX连接至第二台SVG装置SVG2的光纤接收端口RX(实际连接时可从任意一台SVG装置作为起始连接点)，第二台SVG装置SVG2的光纤发送端口TX连接至第三台SVG装置SVG3的光纤接收端口RX，依此类推，直至第n-1台SVG装置SVGn-1的光纤发送端口TX连接至第n台SVG装置SVGn的光纤接收端口RX，同时最后一台(第n台)SVG装置SVGn的光纤发送端口TX与第一台SVG装置SVG1的光纤接收端口RX连接，形成闭合的环形结构；各台SVG装置中，配置为主机的SVG装置通过光纤环网传输控制指令至其余配置为从机的SVG装置，以及配置为从机的SVG装置通过光纤环网上传状态信息，控制输出所需补偿的无功功率。

本实施例基于光纤通信的通信速度快、抗干扰性能强且可靠性高，同时由于通过多台SVG装置建立光纤环网进行通信，每台SVG装置仅需要配置一对光纤端口，各台SVG装置之间的连接方式简单，无需组建专门的通信网络，有效降低了系统的复杂度同时减少系统所需的硬件资源；且由于通过光纤环网能够快速传递信息，使得多台SVG装置输出的无功输出能够步调一致，因而能够实现多台SVG装置快速协同运行及快速动态响应，解决了传统并联运行方案中通信速度慢、存在母线无功震荡以及运行不稳定等问题；另外，各台SVG装置通过建立光纤环网通信，可配置任意一台能采集到PCC(Point of Common Coupling，电力系统公共连接点)点的电压和电流信号的SVG装置为主机，并在配置为主机的SVG装置发生故障时能够快速的切换至其他SVG装置而避免影响整个系统的运行，系统配置灵活，同时能够有效提高系统的冗余度以及系统运行的可靠性。

本实施例实现SVG装置多机并联运行的系统，通过光纤环网通信的方式将多台SVG装置连接起来，使得可以方便的接入新的SVG装置至光纤环网中，非常便于实现SVG装置的扩容改造。

如图1所示，本实施例中各台SVG装置的硬件资源相同，SVG装置的控制系统具体包括用于控制无功功率输出的主控制板以及分别与主控制板连接的数字量采集板、模拟量采集板、SVG变流器，光纤端口设置在主控制板上，配置为主机的SVG装置中模拟量采集板接入电力系统公共连接点(PCC)的电压信号、电流信号。主控制板具体用于计算PCC点所需无功功率、控制SVG变流器输出指定的无功电流；模拟量采集板用于采集电压、电流等各项模拟量，进行AD转换后传送给主控制板；数字量采集装置用于采集数字量状态并传送给主控制板，同时接受主控制板下发的合闸、跳闸、继电器动作等指令。SVG装置的控制系统具体还包括控制电源以及各类低压继电器等。

本实施例具体配置任意一台可采集到PCC点电压、电流信号的SVG装置为主机(主机SVG)、其余SVG装置则为从机(从机SVG)，由主机SVG通过模拟量采集板采集PCC点的电压和电流信号，输出至主控制板计算所需补偿的无功功率，并通过光纤发送端口TX发送控制指令，控制指令由上一台SVG装置发送至下一台SVG装置，使得控制指令经光纤环网传输至各台配置为从机的SVG装置；从机SVG的主控制板通过光纤接收端口RX获取控制指令，控制输出所需的补偿功率。通过主机SVG计算PCC点所需补偿功率，再经光纤环网发送控制指令给各台从机SVG，可以快速响应控制指令实现各台SVG装置快速协同运行，保证系统运行的稳定性。

由于上述系统中需要根据PCC点电压、电流状态计算补偿功率，因而本实施例具体将与用于采集PCC点电压信号的电压互感器PT和用于采集PCC电流信号的电流互感器CT连接的一台SVG装置配置为主机。本实施例中，进一步至少有两台SVG装置与用于采集PCC点电压信号的电压互感器PT和用于采集PCC电流信号的电流互感器CT连接，使得当主机SVG的控制系统发生故障时，可以快速切换另外一台能够采集PCC点电压和电流信号的SVG装置作为主机运行，避免整个系统停运。

本实施例中，利用上述系统的控制方法，步骤包括：

1)配置任意一台能够采集到电力系统公共连接点的电压、电流信号的SVG装置为主机、其余SVG装置为从机，每台从机配置有一个唯一的地址编号；

2)步骤1)中配置为主机的SVG装置实时根据电力系统公共连接点的控制目标值计算所需补偿功率，由所需补偿功率确定一个用于无功分配的统一分配系数，即各SVG装置所对应的分配系数一致，并作为控制指令通过光纤环网传输至各台配置为从机的SVG装置；

3)各台SVG装置根据统一分配系数以及额定输出无功容量计算各自所需补偿的功率，各台SVG装置按照各自计算得到的功率控制执行功率补偿。

本实施例由主机SVG实时采集PCC点的电压、电流信号，得到PCC点的电压、无功功率、功率因数，根据电压、无功功率或功率因数的控制目标值以及SVG所设置的控制模式计算PCC点所需补偿功率，再由所需补偿功率确定一个统一分配系数用于无功分配，将该统一分配系数作为控制指令统一传输给各台从机SVG，各台SVG装置(主机SVG以及从机SVG)需要根据统一分配系数以及各自的额定输出无功容量按照预设运算方法(如乘积运算)来确定所需补偿的功率，实现各台SVG装置并联运行。上述过程中既不需要主机SVG获取并联各台SVG装置的状态，如并联的SVG装置数量、每台SVG装置的额定容量或每台SVG反馈实际输出的无功，不需要主机装置对每台从机SVG装置都设置分配算法，各台从机SVG之间同样不需要建立联系、不需要相互获取各自的状态，因而大大简化了SVG并联运行的无功分配方式，从而可以方便的实现多台SVG装置的并联运行。

本实施例实时由PCC点所需补偿的功率确定统一分配系数，各台SVG装置的输出变化均会反映至电力系统公共连接点实时功率中，因而按照上述控制方法，当SVG装置非控制系统发生故障时仍然无需重新配置系统，系统的稳定性及可靠性高。

本实施例中，统一分配系数具体为无功功率标幺值Q_ref-pu，其中-1.0≤Q_ref-pu≤1.0，且Q_ref-pu＝1.0对应SVG装置的最大容性无功功率、Q_ref-pu＝-1.0对应SVG装置的最大感性无功功率。由无功功率标幺值Q_ref-pu作为统一分配系数，主机SVG以及各台从机SVG只需要根据各自额定输出无功容量即可以确定所需补偿功率。本实施例中，步骤3)中各台SVG装置所需补偿的功率具体为作为统一分配系数的无功功率标幺值Q_ref-pu与SVG装置的额定输出无功容量之间的乘积。如上述系统具体包括SVG1、SVG2以及SVG3共3台SVG装置时，其中SVG1配置为主机、SVG2和SVG3配置为从机，且SVG1额定容量为10MVar、SVG2额定容量8MVar、SVG1额定容量6MVar，Q_ref-pu＝0.5，则SVG1下发指令后，SVG1输出容性无功为0.5*10＝5MVar，SVG2输出容性无功为0.5*8＝4MVar，SVG3输出容性无功为0.5*6＝3MVar，共计输出容性无功12MVar。

本实施例中，步骤2)中具体通过PI调节算法实时根据电力系统公共连接点的控制目标值以及反馈值计算所需补偿功率的无功功率标幺值Q_ref-pu并作为统一分配系数，以对电力系统公共连接点的控制目标值进行PI调节，其中控制目标值根据SVG装置的控制模式可以是电压、无功功率或者功率因数，即实现对PCC点的电压、无功功率或功率因数的调节。本实施例由PI调节算法计算所需补偿功率的无功功率标幺值的具体步骤为：将控制目标的预设值作为PI调节器的输入、电力系统公共连接点的控制目标实际值作为PI调节器的反馈量输入，PI调节器执行PI调节后得到所需补偿功率的无功功率标幺值Q_ref-pu输出，其中控制目标为PCC点的电压、无功功率或者功率因数。

如图2所示，本实施例控制实现SVG装置多机并联运行时，具体由每台SVG装置的控制系统首先根据主/从机的设置，选择不同的控制运行模式(主机运行模式或者从机运行模式)；当配置为主机时，主机SVG通过模拟信号采集板采集PCC点的电压和电流信号，计算出PCC点的控制目标实际值(如功率因数值)，将预设的控制目标值(如预设功率因数值)设置为PI调节器的输入参数值ref，将计算得到的控制目标实际值(即PCC点的当前反馈值)作为PI调节器的反馈量feedback，通过PI调节器后计算得到所需补偿的无功功率标幺值Q_ref-pu，通过光纤环网传输给各台从机SVG；主机SVG将无功功率标幺值Q_ref-pu转换为无功电流参考值I_ref后，经过电流内环控制环节，主电路输出无功电流I_SVG至电网，从而根据无功功率标幺值Q_ref-pu控制主机SVG输出无功功率；当配置为从机时，从机SVG只需要通过光纤环网通信获取主机SVG下发的无功功率标幺值Q_ref-pu，控制输出相应的无功电流I_SVG以输出所需无功功率。

本实施例通过PI调节确定无功功率标幺值Q_ref-pu，各台SVG装置根据该无功功率标幺值Q_ref-pu确定各自对应所需补偿的功率，在这种无功分配模式下，PI调节可以快速调节输出量，即无功功率标幺值Q_ref-pu，来调整系统中每台SVG装置的无功出力，以此来调节PCC点无功功率至逼近控制目标，由于任意一台SVG装置的无功输出变化都会反应到PI调节的反馈量feedback中，因而本实施例上述控制方法执行无功分配时不需要从机SVG装置之间建立联系，也不需要相互获取各自的状态，无功分配方式简单，且能快速、有效进行功率补偿。当然在其他实施例中，还可以采用其他调节算法计算无功功率标幺值Q_ref-pu来逼近PCC点的控制目标。

本实施例中，步骤3)后还包括故障时SVG装置切换步骤，具体步骤为：实时监测系统中各台SVG装置的故障状态，当存在SVG装置发生故障时，判断是否是SVG装置的控制系统发生故障，如果是，断开故障SVG装置的连接，并将与故障SVG装置连接的两个SVG装置进行连接以将故障SVG装置从光纤环网中移除；否则保持当前运行状态。通过实时监测系统中各台SVG装置的故障状态，以在SVG装置控制系统发生故障时及时切除故障SVG装置，保证系统的正常运行，且由于基于光纤环网的连接方式，可以实现SVG装置的方便快速投运。

本实施例中，故障时SVG装置切换步骤中，如果判断到SVG装置的控制系统发生故障时，判断故障SVG装置是否配置为主机，如果是，则将故障SVG装置从光纤环网中移除后，重新配置一台能够采集到电力系统公共连接点(PCC)电压、电流信号的SVG装置为主机、其余SVG装置为从机。各台SVG装置通过光纤环网通信，则在主机SVG装置故障时，可以快速的切换其他SVG装置为主机，保证系统正常运行。

具体的，本实施例系统执行上述控制方法时，按照主、从机模式的不同发生故障时可分为：

如果为从机SVG发生故障，则：

①如果是从机SVG中除控制系统之外的部分发生了故障导致停机，此时从机SVG的控制系统能正常工作，光纤环网通信正常，因而发生故障的从机SVG并不会影响整套系统的运行；采用上述基于PI调节的控制方法时，此时系统虽然会突然减少一个无功输出量(即故障从机SVG的无功输出)，但主机SVG通过PCC点的反馈量能迅速检测到此变化，通过PI调节器能迅速调整，控制其他SVG装置增加输出无功以此来调节整套系统的输出无功，仍然可以达到控制目标的目的，实现快速软切换；

②如果是从机SVG的控制系统发生了故障导致环网光纤无法正常通信，则停运所有SVG装置，将故障SVG装置从光纤环网网络中移除，重新恢复光纤环网通信即可启动所有SVG装置运行，因而能够在故障后实现系统的快速重运行。移除SVG装置即将与故障SVG装置连接的两台SVG装置相连接，例如若从机SVG3发生了故障，只需将原来连接在SVG3光纤接收端RX的光纤接到SVG4的光纤接收端RX即可。

如果为主机SVG发生故障，则：

①如果是主机SVG除控制系统之外的部分发生了故障导致SVG装置停机，此时主机SVG的控制系统能正常工作，光纤环网通信正常，发生故障的主机SVG并不会影响整套装置的运行，此时虽然主机SVG装置停机不再输出无功，控制程序中自动跟踪补偿程序仍然可以运行；采用上述基于PI调节的控制方法时，通过PCC点的反馈量能迅速检测到此变化，通过PI调节器能迅速调整输出值Q_ref-pu，以此来调节整套装置的输出无功，仍然可以达到控制目标的目的，实现快速软切换。

②如果是主机SVG的控制系统发生了故障导致光纤环网无法正常通信，则停运所有SVG装置，并将故障SVG装置从光纤环网网络中移除，重新恢复光纤环网通信后重新配置主机，能够实现主机故障后的快速投运。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。