专利名称：基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电压无功综合控制技术领域的方法，具体是一种基于动态无功发生器(SVG)的电压无功自动控制(VQC)系统及方法。
背景技术：
SVG (动态无功发生器，Static Var Generator)是近年来发展较为迅速的无功补偿装置，它主要由IGBT等电力电子器件构成可控的电压源逆变器，能为系统连续快速地提供容性无功和感性无功功率。随着新型的动态无功发生器SVG大量应用于电网的就地无功补偿，需要将快速的 SVG装置和传统的VQC装置结合起来协调控制，以保证调节目标一致。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN2678227，
公开日2005_2_9，记载了一种电压无功自动控制装置，该技术含有一个用于电网系统变化的检测、控制系统，一个由电压调节器、电容器组成补偿系统，将检测、控制系统与补偿系统连在一起，制成电压无功自动控制装置。中国专利文献号CN1655085，
公开日2005_8_17，记载了一种基于公式的可编程电压无功自动控制装置，该技术包括VQC控制单元，该单元通过实时数据库与公式运算单元进行数据交换，获得并输出控制命令，该单元具有与控制对象连接的控制输出接口 ；公式运算单元，该单元通过实时数据库与VQC控制单元进行数据交换；实时数据库，该数据库提供运算所需的所有数据，所述的实时数据库是由一系列的存储器构成的，向VQC控制单元和公式运算单元提供其要求的信息，该数据库采集被控制对象的数据，构成具有多种信息的数据库，是系统的数据源。该技术作为一个电压无功自动控制装置，保证电力系统中变电站的母线电压质量和无功平衡，它具备强大的可编程特性，满足工程现场多变复杂的控制需求。中国专利文献号CN101515720，
公开日2009_8_26，记载了一种火电厂集控型脉冲式电压无功自动控制系统，该技术含有一个用于电网系统变化的检测、控制系统，一个由电压调节器、电抗器组成补偿系统，将检测、控制系统与补偿系统连在一起，制成电压无功自动控制装置。但是上述现有技术存在如下不足1、不能连续调节电压和无功上述控制系统包含的控制对象为电容器组、电抗器组和变压器，电压按档位变化，无功按电容或电抗的容量离散变化，不能连续地调节电压和无功；2、响应速度不够快为了保证控制的稳定性和延长设备的使用寿命，通常要求电容、电抗不能频繁进行投切，变压器不能频繁进行升降档，而且保证有一定的操作时间间隔，在操作时间间隔内任何设备都不能再进行动作。3、一般采用九区图、十七区图或其改进方式，在各区的控制策略不同情况下，这种方式在各区的边界处容易来回调节控制，容易发生振荡。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统及方法，提高了 VQC对电压无功综合控制的速度。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统，包括动态无功发生器、电压无功自动控制器和固定无功补偿电路，其中若干组动态无功发生器并联在系统电压母线上，根据控制指令动态输出连续的容性无功或感性无功，若干组固定无功补偿电路并联在系统电压母线上，根据控制指令投入或退出，输出固定大小的容性无功或感性无功；电压无功自动控制器的输入端分别与用户PT(电压互感器)和用户CT(电流互感器) 相连以采集控制所需要的电压和电流信号，电压无功自动控制器的输出端分别连接动态无功发生器以及固定无功补偿电路，并输出控制指令。所述的动态无功发生器包括控制柜、功率柜、启动柜和开关柜，其中控制柜通过光纤与功率柜相连并输出脉冲以控制功率器件的开关动作和电压输出，控制柜分别与启动柜和开关柜相连并输出开出信号以控制启动柜的启动模式以及开关柜中断路器的闭合与断开，功率柜与启动柜、启动柜与开关柜以及开关柜与电网之间均通过电缆相连接。所述的固定无功补偿电路包括电容器组实现的容性无功补偿电路和电抗器组实现的感性无功补偿电路，其中电容器组包括电容器、串联电抗器和断路器，其中，电容器通过电缆和串联电抗器相连，串联电抗器通过电缆和断路器相连，三者一起构成容性无功补偿电路；电抗器组包括电抗器、串联电阻和断路器，其中电抗器通过电缆和串联电阻相连，串联电阻通过电缆和断路器相连，三者一起构成感性无功补偿电路。所述的电压无功自动控制器包括电量采集和计算模块、区间判断模块、无功计算和输出模块、通信处理模块和参数设置模块，其中参数设置模块配置所有控制过程中需要的参数，各参数参与后续的各运算和控制环节。所述的电量采集和计算模块采集控制点的电压和电流，并计算出各控制点所需的电压值、无功值和功率因数，计算出的各电量数值输出给区间判断模块；区间判断模块根据当前的电压无功值和设定门限进行比较，判断所属区域，判断结果输出给无功计算和输出模块，无功计算和输出模块根据当前的判断的区间， 取出该区间相应的控制策略，结合当前系统运行点与目标控制值的差异，根据一定的控制方法计算出各情况下SVG输出参考无功的大小，并决定各电容器、电抗器是否投入或退出， 将输出结果转化为通信命令通知各控制对象动作。所述的通信处理模块负责处理电压无功自动控制器与各控制对象的通信数据，负责参数设置的下发和上传，并和上级调度系统通信，接收电压定值设置和无功定值的参数设定。本发明中的VQC控制方法能协调SVG和电容/电抗的操作和输出，使各对象的调节目标一致，与传统的VQC控制方法相比，大大提高了对电压和无功控制响应速度。
图1是本发明结构示意图。图2是电压无功自动控制器示意图。图3是实施例采用电压无功综合控制后SVG的无功输出响应波形示意图。
具体实施例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。实施例如图1所示，本实施例包括动态无功发生器、电压无功自动控制器和固定无功补偿电路，其中若干组动态无功发生器并联连接在系统电压母线上，根据控制指令动态输出连续的容性无 功或感性无功；若干组固定无功补偿电路并联连接在系统电压母线上，根据控制指令投入或退出，输出固定大小的容性无功或感性无功；电压无功自动控制器的输入端分别与用户PT和用户CT相连以采集控制所需要的电压和电流信号，电压无功自动控制器的输出端分别连接动态无功发生器以及固定无功补偿电路，并输出控制指令。所述的动态无功发生器包括控制柜、功率柜、启动柜和开关柜，其中控制柜通过光纤与功率柜相连并输出脉冲以控制功率器件的开关动作和电压输出，控制柜分别与启动柜和开关柜相连并输出开出信号以控制启动柜的启动模式以及开关柜中断路器的闭合与断开，功率柜与启动柜、启动柜与开关柜以及开关柜与电网之间均通过电缆相连接。所述的控制柜具有独立的模拟信号和数字信号采集通道，完成信号采集和动态无功控制算法，具有人机界面显示监控的功能。所述的启动柜在启动过程中通过投入启动电阻限制充电电流，在并网完成后退出启动电阻。所述的功率柜接收控制柜的脉冲控制信号，输出无功补偿所需要的电压和电流波形。所述的开关柜通过断路器的闭合和断开控制整个动态无功装置的并网和退出。所述的固定无功补偿电路包括电容器组实现的容性无功补偿电路和电抗器组实现的感性无功补偿电路，其中电容器组包括电容器、串联电抗器和断路器，其中，电容器通过电缆和串联电抗器相连，串联电抗器通过电缆和断路器相连，三者一起构成容性无功补偿电路；电抗器组包括电抗器、串联电阻和断路器，其中电抗器通过电缆和串联电阻相连，串联电阻通过电缆和断路器相连，三者一起构成感性无功补偿电路。所述的电容器提供基本的容性无功电流。 所述的串联电抗器抑制谐波和限制涌流和滤除谐波。所述的断路器控制容性无功补偿支路的通断。所述的电抗器提供基本的感性无功电流。所述的断路器控制感性无功补偿支路的通断。所述的电压无功自动控制器包括电量采集和计算模块、区间判断模块、无功计算和输出模块、通信处理模块和参数设置模块，其中电量采集和计算模块与区间判断模块相连接并传输当前电压无功计算结果信息，区间判断模块与无功计算和输出模块相连接并传输区间判断结果，无功计算和输出模块与通信处理模块连接并传输无功参考信息，通信处理模块与各控制对象相连接并下发无功参考信息，参数设置模块与所有模块相连接，并传输各模块所需要设计的参数信息。
所述的电量采集和计算模块采集控制点的电压和电流，并计算出各控制点所需的电压值、无功值和功率因数，各电量数值输出给区间判断模块；区间判断模块根据当前的电压无功值和设定门限进行比较，判断所属区域，判断结果输出给无功计算和输出模块，无功计算和输出模块根据当前的判断的区间，取出该区间相应的控制策略，结合当前系统运行点与目标控制值的差异，根据一定的控制方法计算出各情况下SVG输出参考无功的大小， 并决定各电容器、电抗器是否投入或退出，将输出结果转化为通信命令通知各控制对象动作。所 述的通信处理模块负责处理电压无功自动控制器与各控制对象的通信数据，负责参数设置的下发和上传，并和上级调度系统通信，接收电压定值设置和无功定值的参数设定。所述的电量采集和计算模块采集控制点的电压和电流信号，计算出控制点的电压有效值、电流有效值、无功和功率因数等电量信息。所述的区间判断模块根据控制点当前的电压和无功，与设定的电压和无功门限作比较，判断位于如下的哪个区间电压超过上限、电压超过下限、电压合格无功超过上限、电压合格无功超过下限。所述的无功计算和输出模块根据区间的控制策略计算所需要补偿的无功参考数值或投切动作。所述的通信处理模块将所需要补偿的无功参考数值下发给动态无功补偿设备，将投切动作命令下发给电容器组或电抗器组。所述的参数设置模块配置所有模块运行中所需要的参数，包括采样通道的变比零漂、电压和无功门限、各区间的控制策略、通信通道和参数等。本实施例的控制方法包括以下步骤第一步、当Us >UH，表示系统当前电压超过设定的合格上限，此时采用电压反差值的方法，即SVG增加无功输出为AQ = KuMUS-Uh),电压偏差越大，SVG输出的感性无功越大，直到系统电压合格或SVG满容量，电压高于合格上限时按顺序切除所有的电容器，或按顺序投入所有的电抗器；第二步、当Us <队，表示系统当前电压低于设定的合格下限，此时采用电压反差值的方法，即SVG增加无功输出为AQ = KuMUs-UJ,电压偏差越大，SVG输出的容性无功越大，直到系统电压合格或SVG满容量，电压低于合格下限时按顺序投入所有的电容器，或按顺序切除所有的电抗器；第三步、当Uh > Us > Uh- Δ U,表示系统电压虽然合格，但处于接近电压合格上限的敏感区，将这个区间设为滞环区，SVG不再增加容性无功的输出，电容器和电抗器都不动作。 同理，若队+△ U > Us >队，表示系统电压虽然合格，但处于接近电压合格下限的敏感区，将这个区间设为滞环区，SVG不再增加感性无功的输出，电容器和电抗器都不动作。第四步当Uh-AU > Us > UL+Δ U，表示系统电压合格，并控制母线上的无功，控制目标为无功合格或功率因数合格。为保证既达到无功控制目标，且在控制过程中电压仍合格，选择两种方法进行无功控制(1) SVG输出的无功按固定步长增减△ Q =常数；(2) SVG 输出的无功按无功偏差的一定比例系数增减= AQ= (Qs-Qain)*KQ。在电压合格时，根据SVG 的实际输出无功情况判断是否需要投退一组电容或电抗，以代替SVG的输出无功，即当Qm> Kc^Qc时，退出一组电容，同时等额减少SVG的感性无功输出，当Qm > -Kc^Qc时，投入一组电容，同时等额减少SVG的容性无功输出。使SVG工作在轻载情况，以便为下次迅速调节留出动态裕量。SVG始终工作在恒无功的方式，根据VQC下发的无功参考进行无功闭环输出。Us为控制点当前系统电压值，Uh为控制点电压合格上限，Ul为控制点电压合格下限，Ku为无功影响系统电压的系数，AQ为SVG输出的无功增量，AU为电压合格滞环区，Qs 为控制点当前系统无功值，Qaim为控制点系统无功的目标值，QmS SVG输出的无功值，&为无功偏差调节比例系数，Qe为电容器的额定容量，K。为电容器替换SVG无功的比例系数。根据现场运行的记录波形，采用本控制方法后，SVG对稳定系统电压起到了较快的作用，如图3所示。图3左图从上到下分别表示电压高于上限时VQC运行前的系统三相电压、VQC运行后的系统三相电压和VQC运行后系统无功，设置电压合格门限为232 225kV， 系统当前电压为233kV以上，系统电压偏高，VQC运行后，系统三相电压降低为231kV左右， 重归合格范围， 由于VQC调节的作用，系统中感性无功迅速增加；图3右图从上到下分别表示电压低于下限时VQC运行前的系统三相电压、VQC运行后的系统三相电压和VQC运行后系统无功，设置电压合格门限为232 225kV，系统当前电压为224kV，系统电压偏低，VQC运行后，系统三相电压提升为227kV左右，重归合格范围，由于VQC调节的作用，系统中容性无功迅速增加，响应速度在1 2秒。
权利要求
1.一种基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统，其特征在于，包括动态无功发生器、电压无功自动控制器和固定无功补偿电路，其中若干组动态无功发生器并联连接在系统电压母线上，根据控制指令动态输出连续的容性无功或感性无功；若干组固定无功补偿电路并联连接在系统电压母线上，根据控制指令投入或退出，输出固定大小的容性无功或感性无功；电压无功自动控制器的输入端分别与用户PT和用户CT相连以采集控制所需要的电压和电流信号，电压无功自动控制器的输出端分别连接动态无功发生器以及固定无功补偿电路，并输出控制指令；所述的动态无功发生器包括控制柜、功率柜、启动柜和开关柜，其中控制柜通过光纤与功率柜相连并输出脉冲以控制功率器件的开关动作和电压输出，控制柜分别与启动柜和开关柜相连并输出开出信号以控制启动柜的启动模式以及开关柜中断路器的闭合与断开，功率柜与启动柜、启动柜与开关柜以及开关柜与电网之间均通过电缆相连接。
2.根据权利要求1所述的基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统，其特征是， 所述的控制柜具有独立的模拟信号和数字信号采集通道，完成信号采集和动态无功控制算法，具有人机界面显示监控的功能；所述的启动柜在启动过程中通过投入启动电阻限制充电电流，在并网完成后退出启动电阻；所述的功率柜接收控制柜的脉冲控制信号，输出无功补偿所需要的电压和电流波形；所述的开关柜通过断路器的闭合和断开控制整个动态无功装置的并网和退出。
3.根据权利要求1所述的基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统，其特征是， 所述的固定无功补偿电路包括电容器组实现的容性无功补偿电路和电抗器组实现的感性无功补偿电路，其中电容器组包括电容器、串联电抗器和断路器，其中，电容器通过电缆和串联电抗器相连，串联电抗器通过电缆和断路器相连；电抗器组包括电抗器、串联电阻和断路器，其中电抗器通过电缆和串联电阻相连，串联电阻通过电缆和断路器相连。
4.根据权利要求1所述的基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统，其特征是， 所述的电压无功自动控制器包括电量采集和计算模块、区间判断模块、无功计算和输出模块、通信处理模块和参数设置模块，其中电量采集和计算模块与区间判断模块相连接并传输当前电压无功计算结果信息，区间判断模块与无功计算和输出模块相连接并传输区间判断结果，无功计算和输出模块与通信处理模块连接并传输无功参考信息，通信处理模块与各控制对象相连接并下发无功参考信息，参数设置模块与所有模块相连接，并传输各模块所需要设计的参数信息。
5.根据权利要求4所述的基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统，其特征是， 所述的电量采集和计算模块采集控制点的电压和电流，并计算出各控制点所需的电压值、 无功值和功率因数，各电量数值输出给区间判断模块；区间判断模块根据当前的电压无功值和设定门限进行比较，判断所属区域，判断结果输出给无功计算和输出模块，无功计算和输出模块根据当前的判断的区间，取出该区间相应的控制策略，结合当前系统运行点与目标控制值的差异，根据一定的控制方法计算出各情况下SVG输出参考无功的大小，并决定各电容器、电抗器是否投入或退出，将输出结果转化为通信命令通知各控制对象动作；所述的通信处理模块负责处理电压无功自动控制器与各控制对象的通信数据，负责参数设置的下发和上传，并和上级调度系统通信，接收电压定值设置和无功定值的参数设定；所述的电量采集和计算模块采集控制点的电压和电流信号，计算出控制点的电压有效值、电流有效值、无功和功率因数电量信息；所述的区间判断模块根据控制点当前的电压和无功，与设定的电压和无功门限作比较，判断位于如下的哪个区间电压超过上限、电压超过下限、电压合格无功超过上限、电压合格无功超过下限；所述的无功计算和输出模块根据区间的控制策略计算所需要补偿的无功参考数值或投切动作；所述的通信处理模块将所需要补偿的无功参考数值下发给动态无功补偿设备，将投切动作命令下发给电容器组或电抗器组；所述的参数设置模块配置所有模块运行中所需要的参数，包括采样通道的变比零漂、电压和无功门限、各区间的控制策略、通信通道和参数。
6.根据权利要求2所述的基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统，其特征是， 所述的动态无功控制算法包括以下步骤第一步、当Us > Uh，表示系统当前电压超过设定的合格上限，此时采用电压反差值的方法，即SVG增加无功输出为Δ Q = Ku* (US-Uh)，电压偏差越大，SVG输出的感性无功越大，直到系统电压合格或SVG满容量，电压高于合格上限时按顺序切除所有的电容器，或按顺序投入所有的电抗器；第二步、当Us <队，表示系统当前电压低于设定的合格下限，此时采用电压反差值的方法，即SVG增加无功输出为AQ = Ku*(Us-队)，电压偏差越大，SVG输出的容性无功越大，直到系统电压合格或SVG满容量，电压低于合格下限时按顺序投入所有的电容器，或按顺序切除所有的电抗器；第三步、当Uh > Us > Uh- Δ U，表示系统电压虽然合格，但处于接近电压合格上限的敏感区，将这个区间设为滞环区，SVG不再增加容性无功的输出，电容器和电抗器都不动作；当 Ul+AU>Us>队，表示系统电压虽然合格，但处于接近电压合格下限的敏感区，将这个区间设为滞环区，SVG不再增加感性无功的输出，电容器和电抗器都不动作；第四步当Uh-AU〉Us〉队+AU，表示系统电压合格，并控制母线上的无功，控制目标为无功合格或功率因数合格，在电压合格时，当SVG输出的无功值大于电容器替换SVG无功的比例系数*电容器的额定容量时，即Qm > KC*QC，退出一组电容，同时等额减少SVG的感性无功输出；当Qm > -Kc^Qc时，投入一组电容，同时等额减少SVG的容性无功输出，最终使SVG工作在轻载情况且始终工作在恒无功的方式，根据VQC下发的无功参考进行无功闭环输出；所述的Us为控制点当前系统电压值，Uh为控制点电压合格上限，Ul为控制点电压合格下限，Ku为无功影响系统电压的系数，AQ为SVG输出的无功增量，AU为电压合格滞环区， Qs为控制点当前系统无功值，Qaim为控制点系统无功的目标值，QmSSVG输出的无功值，Kq 为无功偏差调节比例系数，Qe为电容器的额定容量，K。为电容器替换SVG无功的比例系数。
7.根据权利要求6所述的基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统，其特征是， 所述的SVG输出的无功增量AQ为自然常数。
8.根据权利要求6所述的基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统，其特征是， 所述的SVG输出的无功增量AQ= (Qs-Qaim)*KQ。
全文摘要
一种电压无功综合控制技术领域的基于动态无功发生器的电压无功自动控制系统及方法，该系统包括动态无功发生器、电压无功自动控制器和固定无功补偿电路，若干组动态无功发生器分别与若干组固定无功补偿电路并联连接于与电力系统变压器的输出端口相连的母线上并动态输出连续的容性无功和感性无功，电压无功自动控制器的输入端分别与用户PT和用户CT相连，电压无功自动控制器的输出端分别连接动态无功发生器以及固定无功补偿电路相连并输出控制指令。本发明提高了VQC能提高对电压无功综合控制的速度。
文档编号H02J3/18GK102231525SQ20111017657
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者李小兵, 赵香花, 路永辉, 陈远华, 鲁闯 申请人:思源清能电气电子有限公司