一种用于潮流控制装置的无功功率补偿装置、方法及系统与流程

1.本发明涉及一种用于潮流控制装置的无功功率补偿装置、方法及系统，属于电力系统稳定及控制技术领域。


背景技术：

2.现代电力系统正逐步向高比例可再生能源和高比例电力电子设备趋势发展。“双高”背景下，伴随出现了大量新增负荷而现存线路的输电能力受限且大规模架设多条线路缺乏足够空间或经济性的状况下，新型电网潮流控制装置应运而生。目前的潮流控制装置多为电力电子装置，如最新一代facts装置的统一潮流控制器(upfc)，其特殊拓扑结构使其内部故障电流易于扩散。另外，大量电力电子装置的接入不仅对经典稳定性产生重大影响，而且会引发诸如次超同步控制相互作用、谐波谐振等新型稳定性问题。在此背景下，带“惯性”潮流控制装置的研发与应用存在极大发展前景。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于潮流控制装置的无功功率补偿装置、方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。
4.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
5.第一方面，本发明提供了一种用于潮流控制装置的无功功率补偿装置，包括：同步电机m、同步电机g、串联变压器和并联变压器，所述同步电机m、同步电机g其中一台为发电机时，另一台则为电动机；所述同步电机m与并联变压器低压侧连接，所述并联变压器高压侧与高压线路并联，所述同步电机g通过串联变压器将电压串联接入高压线路。
6.进一步的，所述同步电机m和同步电机g为两台磁场绕组相差90电角度的同轴同步电机，所述同步电机m作为电动机时能够提供必要的机械功率以带动同步电机g转子旋转，此时同步电机g为发电机。
7.进一步的，所述同步电机g的容量等于同步电机m的容量。
8.进一步的，所述同步电机g与同步电机m皆可通过调节励磁的方式向系统发出或吸收无功功率。
9.进一步的，所述同步电机m可通过调节励磁的方式，在一定范围内较为平滑地控制并联侧无功功率qm的发出与吸收，当增加励磁电流时发出的无功功率明显增加；反之，当减小励磁电流时发出的无功功率明显减小。
10.进一步的，所述同步电机m存在一个励磁电流的边界值i
fb
，当通过的励磁电流小于i
fb
时，同步电机m吸收无功功率；当通过的励磁电流大于i
fb
时，同步电机m发出无功功率。
11.第二方面，本发明提供一种根据上述所述的用于潮流控制装置的无功功率补偿装置的控制方法，包括：
12.响应于需要增大并联侧接入点的无功功率，向同步电机m发出无功功率的指令；
13.响应于并联侧由于线路补偿过度或高压线路空/轻载造成的线路过电压，接入点
的无功功率发生过剩情况，向同步电机m发出吸收无功功率的指令。
14.第三方面，本发明提供一种根据上述所述的用于潮流控制装置的无功功率补偿装置的控制系统，包括：
15.同步电机m的励磁电流控制模块：响应于需要增大并联侧接入点的无功功率，向同步电机m发出无功功率的指令，响应于并联侧接入点的无功功率发生过剩情况，向同步电机m发出吸收无功功率的指令。
16.第四方面，本发明提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据上述所述的方法。
17.第五方面，本发明提供一种计算设备，包括，
18.一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据上述所述的方法。
19.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
20.本发明包括两级同步电机，具有故障隔离能力和谐波抑制能力，通过同步电机m吸、发无功的能力，为电网提供短路容量支撑和电压支撑，吸收过剩无功防止过电压危害，维持系统电压稳定。
附图说明
21.图1为本发明装置的结构示意图；
22.图2为同步电机m吸收无功功率时的运行状态相量示意图；
23.图3为同步电机m发出无功功率时的运行状态相量示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.实施例1
28.本实施例介绍一种用于潮流控制装置的无功功率补偿装置，包括：同步电机m、同步电机g、并联变压器和串联变压器，所述同步电机m、同步电机g其中一台为发电机时，另一台则为电动机；同步电机m与并联变压器低压侧连接，并联变压器高压侧与高压线路并联；同步电机g连接串联变压器的原边，串联变压器的副边串入高压线路。
29.同步电机m和同步电机g为两台磁场绕组相差90电角度的同轴同步电机，此装置设计的同步电机m磁场绕组超前同步电机g磁场绕组90电角度。
30.同步电机g的容量等于同步电机m的容量；同步电机m的容量大小根据变电站需要配备的无功补偿容量、以及电网所需转动惯量和短路容量确定，一般约为变电站容量的5～30％。
31.并联变压器容量应与同步电机m容量相同。
32.由于同步电机m不仅要作用于拖动同步电机g转动，还要作用于吸收或发出无功功率、提供电压支撑，需要配备能够快速响应的励磁电源。
33.参见图1，潮流控制装置结构包括同步电机m、同步电机g、一台并联变压器和一台串联变压器。同步电机m的容量约为所在变电站容量的5～30％，接入并联侧变压器低压侧。同步电机g容量等于同步电机m的容量，具体根据工程实际需求设计。串联变压器st的容量略大于发电机的容量。励磁电流的变化范围设计为0＜if＜5i
fb
。
34.实施例2
35.本实施例提供的根据实施例1所述的一种用于潮流控制装置的无功功率补偿装置的控制方法，其应用过程具体涉及如下步骤：
36.1)响应于需要增大并联侧接入点的无功功率，向同步电机m发出无功功率的指令，迅速增加同步电机m的励磁电流，使同步电机m的电动势em的幅值大于电动机端口电压um的幅值，从而能够向系统提供充足的无功功率补偿。
37.2)响应于并联侧由于线路自身过度补偿或高压线路空/轻载造成的线路过电压，接入点的无功功率发生过剩情况，向同步电机m发出吸收无功功率的指令。迅速减小同步电机m的励磁电流，使同步电机m的电动势em的幅值小于电动机端口电压um的幅值，从而使得同步电机m能够消耗过剩无功功率，保障系统电压稳定。
38.通过调节同步电机m的励磁电流大小来控制同步电机m吸收/发出无功功率的状态和吸收/发出无功功率的大小。当系统无功功率缺失，需要进行无功补偿时，同步电机m接受补偿无功的指令，励磁模块迅速响应增大励磁电流，当励磁电流if大于i
fb
时，可以使得同步电机电动势em的幅值大于同步电机端口电压um的幅值，同步电机m开始向外发出无功功率，即qm＞0，继续增加if的值直至系统电压稳定。当系统无功过剩，系统易发生过电压危害，需要消耗多余无功功率时，同步电机m接受吸收无功的指令，励磁模块迅速响应减小励磁电流，当励磁电流if小于i
fb
时，可以使得同步电机电动势em的幅值小于同步电机端口电压um的幅值，同步电机m开始从外部吸收无功功率，即qm＜0，继续减小if的值可以吸收更多的无功功率。
39.同步电机m励磁电流幅值调节为毫秒级快速控制，一般为电压闭环，也可以是无功闭环作为慢速外环，内部仍然为电压闭环，无论是电压闭环还是无功闭环，给定值既可由调度下发，也可根据离线计算自行决策，以满足电网对电压/无功快速响应的要求。
40.参见图2，将同步电机m电流流向系统侧视为正方向，作出同步电机m运行状态相量图，其中em为同步电机m的电动势，em受励磁电流if的直接控制；um为同步电机端口电压，主要由电网电压决定；im为同步电机流出电流；由于大型的用于无功补偿的同步电机大多为隐极机，此方案亦采用隐极同步电机，xs为同步电机内阻抗，是电枢电抗与漏电抗之和。由于同步电机m需要向同步电机g提供一定的机械转矩以使得同步电机g转子转速保持恒定，因此um需要超前em运行，δ为um与em之间的夹角。由于本装置需要保证同步电机g稳定运行，需要通过m与g之间的轴传输一定的机械功率，定义pm为同步电机m向同步电机g提供的机械功率，因此同步电机m对外表现为从电网吸收有功功率，pm＞0，那么um与im之间的功率因数角φ的绝对值一般大于90
°
。由于图2表现为吸收无功，qm＜0，-180
°
＜φ＜-90
°
，正常运行时，um幅值与相位变化不大，em的幅值小于um的幅值，当em幅值变化幅度较大时，为保证机械功率pm充足，δ会相应的略微增大或减小。
41.参见图3，将同步电机m电流流向系统侧视为正方向，作出同步电机m运行状态相量图，其中em为同步电机m的电动势，em受励磁电流if的直接控制；um为同步电机端口电压，主要由电网电压决定；im为同步电机流出电流；由于大型的用于无功补偿的同步电机大多为隐极机，此方案亦采用隐极同步电机，xs为同步电机内阻抗，是电枢电抗与漏阻抗之和。由于同步电机m需要向同步电机g提供一定的机械转矩以使得同步电机g转子转速保持恒定，因此um需要超前em运行，δ为um与em之间的夹角。由于本装置需要保证同步电机g稳定运行，需要通过m与g之间的轴传输一定的机械功率，定义pm为同步电机m向同步电机g提供的机械功率，因此同步电机m对外表现为从电网吸收有功功率，pm＞0，那么um与im之间的功率因数角φ的绝对值一般大于90
°
。由于图3表现为同步电机m发出无功功率，qm＞0，即作并联补偿功能时的运行状态相量图。由于pm＞0，um仍需要超前em运行，此时电动机电动势em的幅值大于电动机端口电压um的幅值，且同步电机m流出电流im滞后于um，90
°
＜φ＜180
°
。
42.实施例3
43.本实施例提供一种根据实施例1所述的用于潮流控制装置的无功功率补偿装置的控制系统，包括：
44.同步电机m的励磁电流控制模块：响应于需要增大并联侧接入点的无功功率，向同步电机m发出无功功率的指令，迅速增加同步电机m的励磁电流。响应于并联侧接入点的无功功率发生过剩情况，向同步电机m发出吸收无功功率的指令，迅速减小同步电机m的励磁电流。
45.本发明包括两级同步电机，具有故障隔离能力和谐波抑制能力，通过同步电机m吸、发无功的能力，为电网提供短路容量支撑和电压支撑，吸收过剩无功防止过电压危害，维持系统电压稳定。
46.实施例4
47.本实施例提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行潮流控制装置的控制方法。
48.实施例5
49.本实施例提供一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一
个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行潮流控制装置的控制方法的指令。
50.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
51.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
52.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
53.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
54.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。