基于电压响应的多无功补偿装置并列运行控制方法及系统
技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力系统技术领域，尤其涉及基于电压响应的多无功补偿装置并列运行控制方法及系统。
背景技术
[0002] 截至2018年底，我国
可再生能源发电总装机容量达到7.28亿kW，同比增长了12％；其中，
水电总装机容量3.52亿kW，同比增长2.5％，
风电总装机容量1.84亿kW，同比增长
12.4％，光伏总装机容量1.74亿kW，同比增长34％，
生物质发电总装机容量1781万kW，同比增长20.7％。
[0003]
可再生能源发电总装机容量占全部电力装机容量达到约38.3％，同比上升约1.7个百分点；其中，国内新增风电并网装机容量2059万kW，持续保持稳定增长步伐，风电累计并网装机容量达到1.84亿kW在全部发电装机容量占比为9.7％，2018年风电年发电量3660亿kW·h，占总发电量的5.2％，比2017年提高0.4个百分点，同比增长20％。
[0004] 由于政策的支持，成本的降低，技术的成熟以及资本的涌入，可再生能源发电的装机容量和年发电量都保持着快速的增长，可再生能源的清洁能源替代作用日益突显。
[0005] 目前行业标准NB/T31099-2016中规定，对于接入220kv(或330kv)及以下电压等级变电站的风
电场，当公共
电网电压处于正常范围内时，风电场应能够控制其并网点电压在标称电压的97％～107％范围内；对于接入500kv(或750kv)电压等级变电站220kv(或330kv)
母线侧的风电场，当公共电网电压处于正常范围内时，风电场应能够控制其并网点电压在标称电压的100％～110％范围内，风电场应能够
自动调节其发出(或吸收)的
无功功率，根据电力系统调度机构指令，实现对并网点电压的控制，其调节速度和控制
精度应满足电力系统电压调节的要求。
[0006] 但是目前风
电机组和光伏逆变器基本上都不具备电压闭环调节的功能。另外，具备无功调节能力的新能源机组的控制速度也达不到标准的要求。因此，大型的新能源场站都配备有无功补偿装置，其容量约占新能源装机容量的15％～30％。目前的大型新能源场站甚至未来可能会出现的超大型新能源场站配备的无功补偿将由一系列的无功补偿装置组成，其并列运行的
稳定性急需解决。
发明内容
[0007] 针对
现有技术的不足，本发明提供一种基于电压响应的多无功补偿装置并列运行控制方法及装置，以改善现有技术中新能源场站运行时并网点电压稳定性不足的问题。
[0008] 第一方面，本发明提供一种基于电压响应的多无功补偿装置并列运行控制方法，包括以下步骤：
[0009] 各无功补偿装置根据获取的并网点电压检测值Vt、
无功电流检测值Iti及对应的无功电流名义补偿系数δi，生成并网点电压补偿值 其中，所述各无功补偿装置并联设置在同一个并网点处，1≤i≤n，n为所述并网点处并联设置的无功补偿装置的数目；
[0010] 各无功补偿装置根据获取的并网点电压参考值Vref和所述并网点电压补偿值生成q轴电流控制环节对应的无功电流参考值Iqref；
[0011] 各无功补偿装置执行所述无功电流参考值，以使得各无功补偿装置输出的电压值跟随所述并网点电压参考值，且各无功补偿装置输出的无功电流Itqi与其无功电流名义补偿系数δi成反比。
[0012] 进一步地，所述生成并网点电压补偿值 包括：
[0013] 根据获取的并网点电压检测值Vt和无功电流检测值Iti，及对应的无功电流名义补偿系数δi，利用下式，确定并网点电压中间值Uci：
[0014] Uci＝|Vt+Itiδi|，
[0015] 将所述并网点电压中间值Uci经过时间常数为Tr的一阶延时环节，以得到对应的并网点电压补偿值
[0016] 进一步地，所述生成q轴电流控制环节对应的无功电流参考值Iqref，包括：
[0017] 将从站控自动电压控制系统获取的并网点电压参考值Vref和并网点电压补偿终值做差后，依次经过死区环节、至少一个
串联校正环节、放大环节和电流
限幅环节，得到q轴电流控制环节对应的无功电流参考值Iqref。
[0018] 进一步地，还包括确定各无功补偿装置的无功电流名义补偿系数δi的步骤：
[0019] 获取并网点上设置的各无功补偿装置的附加补偿电抗Xci和附加补偿因数
角根据下式确定各无功补偿装置的附加补偿系数δ2i：
[0020]
[0021] 在无功补偿装置与所述并网点直接连接时，所述无功补偿装置的自然补偿系数δi1为零；
[0022] 在无功补偿装置与所述并网点之间设置有升压
变压器时，所述无功补偿装置的自然补偿系数δi1根据下式确定：
[0023]
[0024] 其中， 和 分别为
降压变压器高压侧的等效
电阻的额定值和等效电抗的额定值， 和 分别为流过
升压变压器高压侧的有功功率额定值和无功功率额定值， 为升压变压器高压侧的电压额定值；
[0025] 根据下式确定各无功补偿装置的无功电流名义补偿系数：
[0026] δi＝δi1+δi2；
[0027] 其中，各δi互不相等，且0≤δi≤1。
[0028] 进一步地，各无功补偿装置的所述电流限幅环节中，所述无功电流参考值的上限Iqmax和下限Iqmin是根据各无功补偿装置中设置的逆变器的额定电流来确定的。
[0029] 第二方面，本发明提供一种基于电压响应的多无功补偿装置并列运行控制装系统，包括：
[0030] 多个无功补偿装置；
[0031] 所述无功补偿装置并列地连接在新能源机组与大电网的并网点处；
[0032] 站控自动电压控制系统，用于向所述无功补偿装置发送并网点电压参考值Vref；
[0033] 任一所述多个无功补偿装置用于执行如第一方面所述的方法。
[0034] 进一步地，任一无功补偿装置包括无功电流补偿模
块和电压闭环控
制模块；
[0035] 所述电压闭环
控制模块在q轴电流控制环节中，串联有所述无功电流补偿模块。
[0036] 进一步地，所述无功电流补偿模块用于根据获取的并网点电压检测值Vt、各无功补偿装置的无功电流检测值Iti和无功电流名义补偿系数δi，利用下式，确定并网点电压中间值Uci：
[0037] Uci＝|Vt+Itiδi|，
[0038] 将所述并网点电压中间值Uci经过时间常数为Tr的一阶延时环节，以得到对应的并网点电压补偿值
[0039] 进一步地，所述电压闭环控制模块用于将从站控自动电压控制系统获取的并网点电压参考值Vref和并网点电压补偿终值 做差后，依次经过死区环节、至少一个串联校正环节、放大环节和电流限幅环节，得到q轴电流控制环节对应的无功电流参考值Iqref；
[0040] 所述电压闭环控制模块还用于执行所述无功电流参考值Iqref，以使得所述无功补偿装置输出的电压值跟随所述并网点电压参考值，且所述无功补偿装置输出的无功电流与其无功电流名义补偿系数δi成反比。
[0041] 进一步地，各无功补偿装置的所述电流限幅环节中，所述无功电流参考值的上限Iqmax和下限Iqmin是根据各无功补偿装置中设置的逆变器的额定电流来确定的。
[0042] 本发明提供的基于电压响应的多无功补偿装置并列运行控制方法及系统，在无功补偿装置的闭环电压控制环节中串联快速电压-无功电流补偿环节，根据实时分配到各无功补偿装置的无功电流参考值，来抑制各个无功补偿装置之间的无功环流及补偿升压变消耗的无功功率，并最终提高新能源场站运行时的电压稳定性。
附图说明
[0043] 通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
[0044] 图1为本发明优选实施方式的基于电压响应的多无功补偿装置并列运行控制方法的流程示意图；
[0045] 图2是本发明优选实施方式的基于电压响应的多无功补偿装置并列运行控制系统的组成示意图。
[0046] 图3为典型的降压式新能源场站无功补偿装置接入电网的结构图；
[0047] 图4为典型的直挂式新能源场站无功补偿装置接入电网的结构图；
[0048] 图5为新能源场站无功补偿装置加入电压-无功电流补偿环节时的系统
框图；
[0050] 图7为在各无功补偿装置的闭环电压控制环节中加入快速电压-无功电流补偿环节后输出的并网点电压-无功电流曲线。
具体实施方式
[0051] 现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的
实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
[0052] 除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0053] 在风电场或者光伏电站等新能源并入公共电网的并网点，通常安装有无功补偿装置，用于对电网内的无功功率进行补偿。这些并列设置的无功补偿装置可以提高新能源场站并网时的电压稳定性。
[0054] 目前，并列运行的多个无功补偿装置在分别进行闭环电压调节时，在系统内会出现多个无功补偿装置抢无功的现象，从而形成无功环流。无功环流不仅不会对系统电压产生正向调节作用，甚至可能会造成新能源装置内局部电压过高或者过低，引起风电机组或者光伏逆变器保护动作，导致新能源场站不能正常运行，降低了电网的稳定性和经济性。
[0055] 另外，对于降压式无功补偿装置，与其连接的升压变压器也会消耗一部分无功功率，从而进一步降低无功补偿装置的无功电流补偿效果。
[0056] 本发明实施例的多无功补偿装置并列运行的快速电压响应控制方法主要应用在设置有降压式无功补偿装置(如图4所示)和直挂式无功补偿装置(如图3所示)的新能源场站的场景中。应该理解为，这里的新能源场站，包括风电场站和光伏场站。
[0057] 为保证电网协调运行，本发明实施例的多无功补偿装置并列运行的快速电压响应控制方法中，站控自动电压控制系统(Automatic Voltage Control，简称AVC)采用分布式控制架构。站控自动电压控制系统向无功补偿装置实时发送并网点电压参考值；而无功补偿装置在其本地实现并网点电压闭环控制。
[0058] 具体地，无功补偿装置设置有控制模块和执行模块。控制模块接收AVC发送的并网点电压参考值，生成控制指令后发送至执行模块执行，实现电压闭环控制。其中，执行模块中包括逆变器。
[0059] 具体地，本发明实施例的多无功补偿装置并列运行的快速电压响应控制方法中，在各无功补偿装置的q轴电流控制环节，串联基于电压响应的无功电流补偿环节。这时，每一个无功补偿装置的q轴电流控制环节包括无功电流补偿环节、延时环节、死区环节、第一串联校正环节、第二串联校正环节和放大环节。
[0060] 通过该q轴电流控制环节，每一个无功补偿装置可以快速、稳定地响应并网点的电压变化，实现电压闭环控制。并且，从系统整体上，全部的无功补偿装置可以避免出现多个无功补偿装置抢无功的现象，从而在系统内将不再存在无功环流。
[0061] 如图1所示，本发明实施例的基于电压响应的多无功补偿装置并列运行控制方法，包括：
[0062] 步骤S10：各无功补偿装置根据获取的并网点电压检测值Vt、无功电流检测值Iti及对应的无功电流名义补偿系数δi，生成并网点电压补偿值 其中，所述各无功补偿装置并联设置在同一个并网点处，1≤i≤n，n为所述并网点处并联设置的无功补偿装置的数目；
[0063] 步骤S20：各无功补偿装置根据获取的并网点电压参考值Vref和所述并网点电压补偿值 生成q轴电流控制环节对应的无功电流参考值Iqref；
[0064] 步骤S30：各无功补偿装置执行所述无功电流参考值，以使得各无功补偿装置输出的电压值跟随所述并网点电压参考值，且各无功补偿装置输出的无功电流Itqi与其无功电流名义补偿系数δi成反比。
[0065] 进一步地，所述生成并网点电压补偿值 包括：
[0066] 根据获取的并网点电压检测值Vt和无功电流检测值Iti，及对应的无功电流名义补偿系数δi，利用下式，确定并网点电压中间值Uci：
[0067] Uci＝|Vt+Itiδi|，
[0068] 将所述并网点电压中间值Uci经过时间常数为Tr的一阶延时环节，以得到对应的并网点电压补偿值
[0069] 进一步地，所述生成q轴电流控制环节对应的无功电流参考值Iqref，包括：
[0070] 将从站控自动电压控制系统获取的并网点电压参考值Vref和并网点电压补偿终值做差后，依次经过死区环节、至少一个串联校正环节、放大环节和电流限幅环节，得到q轴电流控制环节对应的无功电流参考值Iqref。
[0071] 进一步地，还包括确定各无功补偿装置的无功电流名义补偿系数δi的步骤：
[0072] 获取并网点上设置的各无功补偿装置的附加补偿电抗Xci和附加补偿因数角根据下式确定各无功补偿装置的附加补偿系数δ2i，其中，1≤i≤n：
[0073]
[0074] 在无功补偿装置与所述并网点直接连接时，所述无功补偿装置的自然补偿系数δi1为零；
[0075] 在无功补偿装置与所述并网点之间设置有升压变压器时，所述无功补偿装置的自然补偿系数δi1根据下式确定：
[0076]
[0077] 其中， 和 分别为降压变压器高压侧的等效电阻的额定值和等效电抗的额定值， 和 分别为流过升压变压器高压侧的有功功率额定值和无功功率额定值， 为升压变压器高压侧的电压额定值；
[0078] 根据下式确定各无功补偿装置的无功电流名义补偿系数：
[0079] δi＝δi1+δi2；
[0080] 其中，各δi互不相等，且0≤δi≤1。
[0081] 进一步地，各无功补偿装置的所述电流限幅环节中，所述无功电流参考值的上限Iqmax和下限Iqmin是根据各无功补偿装置中设置的逆变器的额定电流来确定的。
[0082] 如图2所示，本发明实施例的基于电压响应的多无功补偿装置并列运行控制装系统，包括：
[0083] 多个无功补偿装置200；
[0084] 所述无功补偿装置并列地连接在新能源机组与大电网的并网点处；
[0085] 站控自动电压控制系统100，用于向所述无功补偿装置发送并网点电压参考值Vref；
[0086] 任一所述多个无功补偿装置用于执行上述的电压闭环控制方法。
[0087] 进一步地，任一无功补偿装置包括无功电流补偿模块和电压闭环控制模块；
[0088] 所述电压闭环控制模块在q轴电流控制环节中，串联有所述无功电流补偿模块。
[0089] 进一步地，所述无功电流补偿模块用于根据获取的并网点电压检测值Vt、各无功补偿装置的无功电流检测值Iti和无功电流名义补偿系数δi，利用下式，确定并网点电压中间值Uci：
[0090] Uci＝|Vt+Itiδi|，
[0091] 将所述并网点电压中间值Uci经过时间常数为Tr的一阶延时环节，以得到对应的并网点电压补偿值
[0092] 进一步地，所述电压闭环控制模块用于将从站控自动电压控制系统获取的并网点电压参考值Vref和并网点电压补偿终值 做差后，依次经过死区环节、至少一个串联校正环节、放大环节和电流限幅环节，得到q轴电流控制环节对应的无功电流参考值Iqref；
[0093] 所述电压闭环控制模块还用于执行所述无功电流参考值Iqref，以使得所述无功补偿装置输出的电压值跟随所述并网点电压参考值，且所述无功补偿装置输出的无功电流与其无功电流名义补偿系数δi成反比。
[0094] 进一步地，各无功补偿装置的所述电流限幅环节中，所述无功电流参考值的上限Iqmax和下限Iqmin是根据各无功补偿装置中设置的逆变器的额定电流来确定的。
[0095] 该多无功补偿装置并列运行的快速电压响应控制系统中，在各无功补偿装置中，设置有针对q轴电流控制环节的无功电流补偿模块和电压闭环控制模块，以快速、稳定地响应由站控自动电压控制系统发送的并网点的电压的变化，实现电压闭环控制。
[0096] 具体地，图5示出了设置在各无功补偿装置的q轴电流控制环节中的无功电流补偿模块和电压闭环控制模块的方框图。该无功电流补偿模块包括无功电流补偿单元和延时单元。该电压闭环控制模块包括死区单元、第一串联校正单元、第二串联校正单元、放大单元和电流限幅单元。
[0097] 该无功电流补偿单元的输入包括实时检测的无功补偿装置的并网点电压Vt和并网电流It；
[0098] 无功电流补偿单元的表达式为：
[0099]
[0100] 其中，Xc为该无功电流补偿单元的附加补偿电抗； 为该无功电流补偿单元的附加补偿因数角；Uc为经无功电流补偿后的并网点电压调整量。
[0101] 延时单元则用于表达模拟量到离散量的
采样环节。Tr为延时单元的时间常数；具体地，其值为采样环节的时间常数。
[0102] 因为各无功补偿装置并联地接入并网点，因此，各无功补偿装置的并网点电压Vt相同，但各无功补偿装置的并网电流It通常各不相同。
[0103] 该电压闭环控制模块中，死区单元的区间范围根据无功补偿装置中设置的逆变器的灵敏度或电压采样精度综合确定。死区单元可以避免控制方法或控制装置对原点附近零漂值或漂移值的过度反应，有利于改进控制效果。
[0104] 该电压闭环控制模块中，第一串联校正单元的时间常数包括T1和T2；K为第一串联校正单元的直流增益；Kv为积分校正选择因子。该电压闭环控制模块中，第二串联校正单元的时间常数包括T3和T4。
[0105] 当Kv＝0时，第一串联校正单元为积分校正环节；当Kv＝1时，第一串联校正单元为比例积分校正环节。
[0106] 串联连接的第一串联校正单元和第二串联校正单元合并在一起组成串联PID。
[0107] 该电压闭环控制模块中，放大单元的增益为Ka，时间常数为Ta。
[0108] 该电压闭环控制模块中，为了避免控制量超差，还设置有电流限幅单元。该电流限幅单元用于将生成的无功电流参考值限制在不大于电流上限Iqmax及不小于无功电流下限Iqmin的范围内。
[0109] 通常，根据各无功补偿装置中设置的逆变器的额定电流来确定无功电流参考值的上限Iqmax和下限Iqmin。
[0110] 具体地，无功电流参考值的上限Iqmax和下限Iqmin分别如式(1)和式(2)所示：
[0111] Iqmin＝-IN (1)
[0112] Iqmax＝IN (2)
[0113] 图5中，Vref是各无功补偿装置接收到的站控AVC发送的并网点电压参考值。该电压闭环控制模块输出的无功电流参考值Iqref进一步发送至该无功补偿装置的逆变器，并由逆变器执行后，使得该无功补偿装置输出的无功电流
跟踪该无功电流参考值Iqref。
[0114] 该无功电流参考值由该无功补偿装置中无功电流补偿单元的附加补偿电抗及附加补偿因数角补偿系数综合确定。
[0115] 以下对图3和图4中设置有n个无功补偿装置的新能源场站的快速电压响应控制方法进行具体说明，其中，1＜i＜n。
[0116] 具体实施时，为便于实现负载均衡，在为新能源场站配套设置多台无功补偿装置时，或者选择直挂式无功补偿装置，或者选择升压式无功补偿装置，通常不会出现两类无功补偿装置混编的情形。
[0117] 如图7所示，在新能源场站配套设置的n台无功补偿装置中，每一台无功补偿装置的名义补偿系数δi与其在稳态时的无功电流Itqi一一对应；名义补偿系数的绝对值越大，其在稳态时的无功电流值也就越小；补偿系数的绝对值越小，其在稳态时的无功电流值也就越大。
[0118] 也即，系统内全部的n台无功补偿装置中，名义补偿系数的绝对值越大，其能够承担或对外提供的无功电流值就越小；名义补偿系数的绝对值越小，其能够承担或对外提供的无功电流值就越大。
[0119] 在向新能源场站配套设置无功补偿装置时，根据预先估计的无功功率和并网点电压，选择名义补偿系数适当的n台无功补偿装置，来实现系统内的无功补偿。
[0120] 具体地，根据式(3)计算第i台无功补偿装置的无功电流补偿单元的名义补偿系数：
[0121] δi＝δi1+δi2 (3)
[0122] 其中，δi1为与第i台无功补偿装置相连接的升压变压器的自然补偿系数，δi2为第i台无功补偿装置的附加补偿系数。
[0123] 如图4所示，对于第i个直挂式无功补偿装置，其与并网点之间不设置升压变压器(这时，为直挂式无功补偿装置)，这时，该第i个直挂式无功补偿装置的自然补偿系数δi1为零，即
[0124] δi1＝0 (6)
[0125] 根据式(7)，计算该第i台无功补偿装置的无功电流补偿单元的附加补偿系数：
[0126]
[0127] 其中，Xci为第i台无功补偿装置的附加补偿电抗， 为第i台无功补偿装置的附加补偿因数角。
[0128] 与降压式无功补偿装置相连的升压变压器的等值电路如图6所示，其中，串联的RT和XT分别为降压变压器高压侧的等效电阻和等效电抗，并联的GT和BT分别为升压变压器高压侧的等效电导和等效电纳，PT和QT分别为流过升压变压器高压侧(也即并网点侧)的有功功率和无功功率。
[0129] 根据式(4)，确定与该降压式无功补偿装置相连的升压变压器的电压降落：
[0130]
[0131] 具体地，在以无功补偿装置的额定容量为基准值选取自然补偿系数时，鉴于光伏逆变器或风电机组和升压变压器在电气上是直接相连的，因此，流过升压变压器的各物理量(包括：额定视在功率、额定电压、额定阻抗)均取逆变器的额定值。
[0132] 根据式(5)，确定与该降压式无功补偿装置相连接的升压变压器的自然补偿系数δi1
[0133]
[0134] 其中，式(5)中，各变量附加的“*”表示标幺值形式的各额定值。
[0135] 由升压变压器确定的自然补偿系数通常为恒定值。通过优选各无功补偿装置的附加补偿系数(也即附加补偿电抗Xci和附加补偿因数角 的组合)来实现对名义补偿系数的优选。
[0136] 对并列地设置有n个无功补偿装置的新能源场站，通过对每台无功补偿装置分别设置附加补偿电抗和附加补偿因数角，得到对应于各无功补偿装置且互不相同的补偿系数δi；实施上述的快速电压响应控制方法，实现无功电流在各无功补偿装置之间的合理分配，以响应该控制周期内的系统工况
波动。
[0137] 图7示出了在并网点电压Vt(电压有效值，为正值)偏离电压参考值Vref且越过电压死区后，与各无功补偿装置的名义补偿系数δi相适配，各无功补偿装置输出的无功电流值Itqi(为正值)。
[0138] 因为补偿系数δi是并网点电压-无功电流构成的直线的斜率；因此，补偿系数的绝对值越小，向相应的无功补偿装置分配的无功电流参考值就越大。
[0139] 为实施上述的快速电压响应控制方法，各无功补偿装置的名义补偿系数恒定，且为正值。如图5所示，在与并网点参考电压做差的环节，在补偿系数前引入了负号，因此，在图7中，无功补偿装置的并网点电
压实测值与无功电流值的比值(也即直线的斜率)为负值。
[0140] 具体地，为实现无功电流在各无功补偿装置之间的合理分配，避免抢无功或者无功环流现象的产生，设置每台无功补偿装置的名义补偿系数满足以下条件，且各补偿系数互不相等：
[0141] δi≠δ1≠δ2≠...≠δn (8)
[0142] 及
[0143] 每台无功补偿装置的补偿系数的取值范围为
[0144] 0≤δi≤1 (9)
[0145] 综上，该多无功补偿装置并列运行的快速电压响应控制方法及系统中，在各无功补偿装置中，设置有针对q轴电流控制环节的无功电流补偿模块和电压闭环控制模块，以快速、稳定地响应由站控自动电压控制系统发送的并网点的电压的变化，实现电压闭环控制。
[0146] 以上已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的
专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
[0147] 通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
