一種智能無功補償系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種智能無功補償系統，該智能無功補償系統可通過對清潔能源發電裝置和SVC設備一并監測，并以此為信息源動態智能調節無功補償，從而實現平滑并網點功率和電壓，維持提高清潔能源發電裝置的經濟運行。
【專利說明】一種智能無功補償系統 所屬技術領域
[0001] 本發明涉一種智能無功補償系統。
【背景技術】
[0002] 隨著我國電力系統裝備水平不斷發展和戰略需要，長距離、大范圍、高電壓的超高 壓和特高壓輸電網絡已逐步形成，而作為衡量電力網的安全經濟運行重要指標的電壓質 量，受到無功電源超常規輸送而造成有功功率損耗的重要影響。無功功率補償是電力系統 中應用無功功率調節措施改善電網無功功率分布和電壓水平，從而降低地區電網間損耗和 輸變電線路功率損耗的方法。因此，電力系統中無功功率補償設備及裝置有著極其重要的 作用，優化配置補償設備及裝置，不但可以減少電網損耗，提高供電質量，還能有效解決系 統電壓波動和諧波的問題。
[0003] 隨著清潔能源的快速發展，風電的大規模集中接入對電網提出更高的要求。在惡 劣環境或運行約束條件增加的情況下，電網電壓、三相不平衡、電流畸變以及功率因數偏低 等問題會顯得突出，發電裝置的安全水平會一步步降低。柔性交流控制器件中SVC是電網中 應用最廣泛、最為成熟的無功和電壓控制設備了，能快速補償無功和維持電網電壓。
[0004] 傳統的補償諧波和無功電流的一種方法是裝設無功補償設備，通常由電力電容 器、電抗器和電阻器串并聯組合而成。目前我國常用的無功調節設備仍為機械式并聯電抗 器、投切電容器，這些靜止型調壓手段，因調節不連續、響應速度慢，很難滿足系統運行方式 快速變化時的需求。
【發明內容】
[0005] 本發明提供一種智能無功補償系統，該智能無功補償系統可通過對清潔能源發電 裝置和SVC設備一并監測，并以此為信息源動態智能調節無功補償，從而實現平滑并網點功 率和電壓，維持提高清潔能源發電裝置的經濟運行。
[0006] 為了實現上述目的，本發明提供一種智能無功補償系統，該智能無功補償系統包 括：
[0007] 發電裝置，用于將綠色能源轉換成電能，該清潔能源發電裝置為多個；
[0008] SVC設備，用于在發電裝置的并網點提供無功功率，以維持并網電壓的穩定，該SVC 設備為多個，并與所述發電裝置一一對應；
[0009] 并網裝置，用于實現發電裝置和大電網之間的并網運行；
[0010] 和監控裝置；
[0011] 該監控裝置包括：
[0012] 獲取模塊、檢測模塊、控制模塊和用于所述各模塊通信的通信總線；
[0013] 所述獲取模塊，用于接收所述大電網調度中心下發的電壓指令，并從所述電壓指 令中提取并網點電壓；
[0014] 所述檢測模塊，用于接收當前并網點電壓，并將所述當前并網點電壓和預設區間 進行比較，檢測所述當前并網點電壓所在的區間；
[0015] 所述控制模塊，用于在所述當前并網點電壓處于正常運行區間的情況下，控制該 發電裝置及其對應的SVC設備進入本地控制模式，并向所述發電裝置及其對應的SVC設備下 發所述目標并網點電壓，通過無功功率補償控制所述并網點電壓達到所述目標并網點電 壓；
[0016] 在所述當前并網點電壓處于異常運行區間的情況下，控制該異常發電裝置及其對 應的SVC設備進入協調控制模式，根據無功電壓靈敏度和，選擇協調發電裝置及其對應的 SVC設備，控制所述協調發電裝置及其對應的SVC設備輸出無功功率，以協助處于協調控制 模式異常發電裝置及其對應的SVC設備的并網點電壓達到所述目標并網點電壓；以及在所 述當前并網點電壓處于緊急運行區間的情況下，控制該處于緊急運行區間的發電裝置及其 對應的SVC設備進入緊急控制模式，采用切機或甩負荷方式控制該并網點電壓。
[0017] 優選的，所述控制模塊包括:第一控制單元，用于采用以下公式計算所有發電裝置 對于處于協調控制模式的發電裝置的無功電壓靈敏度系數矩陣Sdi-Mr 1^1，其中，無 功電壓靈敏度系數矩陣S中的元素 Su為發電裝置i的并網點電壓變化對發電裝置j的并網點 無功功率改變的靈敏度系數;B〃為所述發電裝置集群內線路的導納矩陣，矩陣可逆;V = diaga^Vs，. . .，Vn)表示發電裝置的機端電壓，共有η個節點;將無功電壓靈敏度系數矩陣S 中的靈敏度系數按照從大到小進行排序;選擇排序在前面的靈敏度系數所對應的發電裝 置及其SVC設備作為所述協調發電裝置及其SVC設備。
[0018] 優選的，所述控制模塊包括:第二控制單元，用于根據處于協調控制模式發電裝置 及其SVC設備的當前并網點電壓與所述目標并網點電壓的差值，計算所述協調發電裝置及 其SVC設備需要提供的無功調整量；向所述協調發電裝置及其SVC設備下發攜帶有所述無功 調整量的無功協調控制指令，所述協調發電裝置及其SVC設備按照所述無功調整量輸出無 功功率，使處于協調控制模式的發電裝置及其SVC設備的并網點電壓達到所述目標并網點 電壓;其中，所述協調發電裝置及其SVC設備按照所述無功調整量輸出無功功率后，所處于 協調控制模式發電裝置及其SVC設備對應的風電場的并網點電壓處于正常運行區間。
[0019] 優選的，所述控制模塊包括:第三控制單元，用于在處于緊急控制模式時，下發無 功調節指令給處于緊急控制模式發電裝置或SVC設備后，檢測達到預設動作延時時間，控制 處于緊急控制模式時的切機、甩負荷，其中，所述預設動作延時時間大于所述處于緊急控制 模式的發電裝置或SVC設備的動作周期，所述動作周期是從所述處于緊急控制模式時下發 無功調節指令到發電裝置或SVC設備執行動作的時間；其中，如果并網點電壓在預定時間內 一直高于設定的最高值，確認無功補償能力用盡，并網裝置切斷與大電網的并網運行。
[0020] 優選的，所述SVC設備的主電路為三相三橋臂的逆變電路，由6個電力電子器件和 直流側電容組成。
[0021] 優選的，所述SVC設備采用電壓空間矢量的調制方式，為了便于在α-β坐標系上直 接控制，減少切換開關時造成的電壓波動，控制SVC輸出電壓矢量在正六邊形的內切圓中， 內切圓半徑為Ud。表示SVC的直流側電容電壓。 f ·χ· ，
[0022] 本發明具有如下優點：（1)可通過對發電裝置和SVC設備一并監測，及時發現并網 點電壓波動值，并以此為信息源動態無功功率，從而實現并網點電壓穩定；（2)針對并網點 電壓預設運行區間，對應不同的控制模式，協助大電網調度中心共同完成對清潔能源發電 裝置的控制，協調控制各個發電裝置的無功出力，在減少無功儲備的基礎上，保證電壓保持 穩定，提高地區電壓水平。
【附圖說明】
[0023] 圖1示出了本發明的一種智能無功補償系統的框圖；
[0024] 圖2示出了一種智能無功補償系統的監控方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0025] 圖1是示出了本發明的一種智能無功補償系統10,該智能無功補償系統10包括:發 電裝置12,用于將綠色能源轉換成電能，該清潔能源發電裝置12為多個;SVC設備13,用于在 發電裝置的并網點提供無功功率，以維持并網電壓的穩定，該SVC設備13為多個，并與所述 發電裝置12-一對應;并網裝置14,用于實現發電裝置和大電網之間的并網運行;和監控裝 置11。
[0026] 該監控裝置11包括:獲取模塊112、檢測模塊113、控制模塊114和用于所述各模塊 通信的通信總線111;
[0027] 所述獲取模塊112,用于接收所述大電網20調度中心下發的電壓指令，并從所述電 壓指令中提取并網點電壓；
[0028] 所述檢測模塊113,用于接收當前并網點電壓，并將所述當前并網點電壓和預設區 間進行比較，檢測所述當前并網點電壓所在的區間。
[0029] 所述控制模塊114,用于在所述當前并網點電壓處于正常運行區間的情況下，控制 該發電裝置及其對應的SVC設備進入本地控制模式，并向所述發電裝置及其對應的SVC設備 下發所述目標并網點電壓，通過無功功率補償控制所述并網點電壓達到所述目標并網點電 壓；
[0030] 在所述當前并網點電壓處于異常運行區間的情況下，控制該異常發電裝置及其對 應的SVC設備進入協調控制模式，根據無功電壓靈敏度和，選擇協調發電裝置及其對應的 SVC設備，控制所述協調發電裝置及其對應的SVC設備輸出無功功率，以協助控制處于協調 控制模式異常發電裝置及其對應的SVC設備的并網點電壓達到所述目標并網點電壓；以及 在所述當前并網點電壓處于緊急運行區間的情況下，控制該處于緊急運行區間的發電裝置 及其對應的SVC設備進入緊急控制模式，采用切機或甩負荷方式控制該并網點電壓。
[0031] 優選的，所述控制模塊包括:第一控制單元，用于采用以下公式計算所有發電裝置 對于處于協調控制模式發電裝置的無功電壓靈敏度系數矩陣其中，無功 電壓靈敏度系數矩陣S中的元素為發電裝置i的并網點電壓變化對發電裝置j的并網點無 功功率改變的靈敏度系數;B 〃為所述發電裝置集群內線路的導納矩陣，矩陣可逆;V = diag (V^Vs，...，Vn)表示發電裝置的機端電壓，共有η個節點;將無功電壓靈敏度系數矩陣S中的 靈敏度系數按照從大到小進行排序;選擇排序在前面的靈敏度系數所對應的發電裝置及 其SVC設備作為所述協調發電裝置及其SVC設備。
[0032]優選的，所述控制模塊包括:第二控制單元，用于根據處于協調控制模式發電裝置 及其SVC設備的當前并網點電壓與所述目標并網點電壓的差值，計算所述協調發電裝置及 其SVC設備需要提供的無功調整量；向所述協調發電裝置及其SVC設備下發攜帶有所述無功 調整量的無功協調控制指令，所述協調發電裝置及其SVC設備按照所述無功調整量輸出無 功功率，使處于協調控制模式的發電裝置及其SVC設備的并網點電壓達到所述目標并網點 電壓;其中，所述協調發電裝置及其SVC設備按照所述無功調整量輸出無功功率后，所處于 協調控制模式發電裝置及其SVC設備對應的風電場的并網點電壓處于正常運行區間。
[0033] 優選的，所述控制模塊包括:第三控制單元，用于在處于緊急控制模式時，下發無 功調節指令給處于緊急控制模式發電裝置或SVC設備后，檢測達到預設動作延時時間，控制 處于緊急控制模式時的切機、甩負荷，其中，所述預設動作延時時間大于所述處于緊急控制 模式的發電裝置或SVC設備的動作周期，所述動作周期是從所述處于緊急控制模式時下發 無功調節指令到發電裝置或SVC設備執行動作的時間；其中，如果并網點電壓在預定時間內 一直高于設定的最高值，確認無功補償能力用盡，并網裝置切斷與大電網的并網運行。
[0034] 優選的，所述SVC設備的主電路為三相三橋臂的逆變電路，由6個電力電子器件和 直流側電容組成。
[0035] 優選的，所述SVC設備采用電壓空間矢量的調制方式，為了便于在α_β坐標系上直 接控制，減少切換開關時造成的電壓波動，控制SVC輸出電壓矢量在正六邊形的內切圓中， 內切圓半徑為ud。表示SVC的直流側電容電壓。
[0036] 參見附圖2,本發明的一種智能無功補償系統的監控方法包括如下步驟：
[0037] S1.監控裝置獲取模塊實時獲取大電網調度中心下發的電壓指令，并從電壓指令 中提取各發電裝置的目標并網點電壓，其中各發電裝置的目標并網點電壓是相同的；
[0038] S2.監控裝置接收各發電裝置上傳的當前并網點電壓，并將當前并網點電壓和預 設區間進行比較，檢測當前并網點電壓所在的區間，對全部發電裝置分別檢測其當前并網 點電壓所在的預設區間，以確定對應的控制模式；
[0039] S3.如果當前并網點電壓處于正常運行區間，監控裝置控制該發電裝置進入本地 控制模式，并向該發電裝置和其對應的SVC設備下發目標并網點電壓，通過無功功率補償控 制該發電裝置的并網點電壓達到目標并網點電壓；當前并網點電壓處于正常運行區間，表 示該發電裝置可以通過自身無功輸出，使并網點電壓達到目標電壓；
[0040] S4.如果當前并網點電壓處于異常運行區間，監控裝置控制異常的發電裝置及其 對應SVC設備進入協調控制模式，根據無功電壓靈敏度選擇協助發電裝置及其對應SVC設 備，控制所述協調發電裝置及其對應SVC設備輸出無功功率，以協助控處于協調控制模式的 發電裝置的并網點電壓達到目標并網點電壓；當前并網點電壓處于異常運行區間，表示無 功不足，并網點電壓越限進入異常運行區，通過自身無功輸出很難使并網點電壓達到目標 電壓，需要其他措施的協助；
[0041] S5.如果當前并網點電壓處于緊急運行區間，監控裝置控制處于緊急運行區間的 發電裝置及其SVC設備進入緊急控制模式，采用切機、甩負荷的方式控制該發電裝置的并網 點電壓。
[0042] 優選的，上述預設區間根據發電裝置并網點電壓進行劃分，正常運行區間為 ^^異常運行區間為丨Μ Κ 或6 淇中，i表示發電裝置的編號，I表示發電裝置并網點電壓，i表示發電 住那個值的編號，Vi表示發電裝置并網點電壓，s
[0043] 優選的，依據發電裝置的當前并網點電壓所處的區間，可以將發電裝置及其對應 的SVC設備的控制分為以下三種控制模式：
[0044] (1)本地控制模式:此時發電裝置并網點電壓處于正常運行區間，發電裝置及其對 應的SVC設備執行監控裝置下發的電壓指令；
[0045] (2)協調控制模式:此時發電裝置并網點電壓處于異常運行區間，發電裝置及其對 應的SVC設備執行監控裝置下發的無功調整指令，為發電裝置所在的區域電網提供無功支 持，直到所有發電裝置及其對應SVC設備處于本地控制模式；
[0046] (3)緊急控制模式:此時發電裝置并網點電壓處于緊急運行區間，即風電場的電壓 經過本地控制和協調控制仍得不到有效恢復，進一步惡化進入緊急運行區間，此時應該對 發電裝置及其對應的SVC設備進行緊急控制。
[0047] 優選的，在本地控制模式下，發電裝置及其對應的SVC設備接收監控裝置下發的并 網點電壓目標值，并實時監測發電裝置當前并網點電壓的實際值，得到目標值與實際值的 差值，在保證發電裝置的并網點電壓跟蹤目標電壓的基礎上，使發電裝置及其對應的SVC的 內部電壓得到最優。
[0048] 優選的，當某發電裝置及其對應的SVC設備無功不足時，其并網點電壓越限進入異 常運行區間時，該發電裝置及其對應的SVC設備進入協調控制模式，將該SVC設備的可調容 量上傳給監控裝置，監控裝置根據無功電壓靈敏度和各發電裝置及其對應的SVC設備的無 功可調容量選擇參與協調控制的發電裝置及其對應的SVC設備，由越限發電裝置及其對應 的SVC設備的電壓偏差值計算出協調發電裝置及其對應的SVC設備的無功調整量，然后下發 無功調整量到協調發電裝置及其對應的SVC設備。
[0049] 優選的，協調發電裝置及其對應的SVC設備的選取，控制目標在區域內節點電壓滿 足要求并得到優化，由于清潔能源的隨機性，發電裝置集群的有功出力會不斷變化，這樣會 導致各個發電裝置并網點電壓不停的波動，在進行潮流計算的時候，對于發電裝置集群的 高壓線路來說，其電抗值往往遠大于其電阻值，根據PQ分解法可得：
[0050] AQ = -VB// AV (1)
[0051] 式（1)中AQ為發電裝置并網點輸出的無功功率變化值;Β〃為發電裝置集群內線路 的導納矩陣，矩陣可逆，矩陣屬于稀疏型矩陣;VidiagWiVs，. . .，Vn)表示發電裝置機端電 壓，共有η個節點；AV為區域各個節點電壓變化量。由式(1)可得：
[0052] AV = -(B//)_V1AQ (2)
[0053] 則發電裝置集群內所有發電裝置及其對應的SVC設備對處于協調控制模式的發電 裝置及其對應的SVC設備的無功電壓靈敏度系數矩陣S為：
[0054] s = _(B〃）-1 (3)
[0055] 式(3)中無功電壓靈敏度系數矩陣S中的元素為發電裝置i的并網點電壓變化對 發電裝置j的并網點無功功率改變的靈敏度系數，其大小與發電裝置節點電壓值及網絡結 構參數有關;Su為發電裝置電壓對發電裝置調整無功的靈敏度。
[0056] 優選的，協調發電裝置及其對應的SVC設備的選擇依據是發電裝置及其對應的SVC 設備在靈敏度系數矩陣中數值的大小，優先選用靈敏度大的子站，具體的，可以將無功電壓 靈敏度系數矩陣S中的靈敏度系數按照從大到小進行排序，并選擇排序在前面的靈敏度 系數所對應的發電裝置及其對應的SVC設備作為協調發電裝置及其對應的SVC設備。
[0057] 優選的，步驟S4中控制所述協調發電裝置及其對應的SVC設備輸出無功功率，以協 助控制處于協調控制模式的發電裝置及其對應的SVC設備的并網點電壓達到目標并網點電 壓可以包括:根據處于協調控制模式的發電裝置及其對應的SVC設備的當前并網點電壓與 目標并網點電壓的差值，計算所述協調發電裝置及其對應的SVC設備需要提供的無功調整 量;向所述協調發電裝置及其對應的SVC設備下發攜帶有無功調整量的無功協調控制指令， 所述協調發電裝置及其對應的SVC設備按照無功調整量輸出無功功率，使處于協調控制模 式的發電裝置及其對應的SVC設備的并網點電壓達到目標并網點電壓;其中，協調發電裝置 及其對應的SVC設備按照無功調整量輸出無功功率后，協調發電裝置及其對應的SVC設備對 應的風電場的并網點電壓處于正常運行區間。
[0058] 優選的，可以采用以下公式計算協調AVC子站i的無功調整量AQ1:
[0059] AVj = SAQi (4)
[0060] 式(4)中，AVj為處于協調控制模式的發電裝置及其對應的SVC設備j的當前并網 點電壓與目標并網點電壓的差值(即越限子站的電壓偏差量）；下發給協調發電裝置及其對 應的SVC設備i的無功調整量應該在協調AVC子站i的可調容量范圍內；
[0061 ]約束條件如下：
[0062] 1)監控裝置給發電裝置及其對應的SVC設備下發的無功調整量AQi應在發電裝置 及其對應的SVC設備的可調容量范圍Q ava內：
[0063] 〇< Δ Qi<Qava (5)
[0064] 2)發電裝置及其對應的SVC設備調整無功后，發電裝置及其對應的SVC設備電壓 V，"應保持在允許運行范圍內：
[0065] Vinew=Viold+AQiSii (6)
[0066] 松論 <.. f-7) 〇
[0067] 以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當 視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種智能無功補償系統，該智能無功補償系統包括： 發電裝置，用于將綠色能源轉換成電能，該清潔能源發電裝置為多個； SVC設備，用于在發電裝置的并網點提供無功功率，以維持并網電壓的穩定，該SVC設備 為多個，并與所述發電裝置一一對應； 并網裝置，用于實現發電裝置和大電網之間的并網運行； 和監控裝置； 該監控裝置包括： 獲取模塊、檢測模塊、控制模塊和用于所述各模塊通信的通信總線； 所述獲取模塊，用于接收所述大電網調度中心下發的電壓指令，并從所述電壓指令中 提取并網點電壓； 所述檢測模塊，用于接收當前并網點電壓，并將所述當前并網點電壓和預設區間進行 比較，檢測所述當前并網點電壓所在的區間； 所述控制模塊，用于在所述當前并網點電壓處于正常運行區間的情況下，控制該發電 裝置及其對應的SVC設備進入本地控制模式，并向所述發電裝置及其對應的SVC設備下發所 述目標并網點電壓，通過無功功率補償控制所述并網點電壓達到所述目標并網點電壓； 在所述當前并網點電壓處于異常運行區間的情況下，控制該異常發電裝置及其對應的 SVC設備進入協調控制模式，根據無功電壓靈敏度和，選擇協調發電裝置及其對應的SVC設 備，控制所述協調發電裝置及其對應的SVC設備輸出無功功率，以協助處于協調控制模式異 常發電裝置及其對應的SVC設備的并網點電壓達到所述目標并網點電壓；以及在所述當前 并網點電壓處于緊急運行區間的情況下，控制該處于緊急運行區間的發電裝置及其對應的 SVC設備進入緊急控制模式，采用切機或甩負荷方式控制該并網點電壓。2. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述控制模塊包括:第一控制單元，用于采用 以下公式計算所有發電裝置對于處于協調控制模式發電裝置的無功電壓靈敏度系數矩陣 s:s=-(B 〃廣iri，其中，無功電壓靈敏度系數矩陣S中的元素^為發電裝置i的并網點電壓 變化對發電裝置j的并網點無功功率改變的靈敏度系數;B 〃為所述發電裝置集群內線路的 導納矩陣，矩陣可逆;VidiagWiVs，. . .，Vn)表示發電裝置的機端電壓，共有η個節點;將無 功電壓靈敏度系數矩陣S中的靈敏度系數Slj按照從大到小進行排序;選擇排序在前面的靈 敏度系數所對應的發電裝置及其SVC設備作為所述協調發電裝置及其SVC設備。3. 如權利要求2所述的系統，其特征在于，所述控制模塊包括:第二控制單元，用于根據 處于協調控制模式發電裝置及其SVC設備的當前并網點電壓與所述目標并網點電壓的差 值，計算所述協調發電裝置及其SVC設備需要提供的無功調整量；向所述協調發電裝置及其 SVC設備下發攜帶有所述無功調整量的無功協調控制指令，所述協調發電裝置及其SVC設備 按照所述無功調整量輸出無功功率，使處于協調控制模式的發電裝置及其SVC設備的并網 點電壓達到所述目標并網點電壓;其中，所述協調發電裝置及其SVC設備按照所述無功調整 量輸出無功功率后，所處于協調控制模式發電裝置及其SVC設備對應的風電場的并網點電 壓處于正常運行區間。4. 如權利要求3所述的系統，其特征在于，所述控制模塊包括:第三控制單元，用于在處 于緊急控制模式時，下發無功調節指令給處于緊急控制模式發電裝置或SVC設備后，檢測達 到預設動作延時時間，控制處于緊急控制模式時的切機、甩負荷，其中，所述預設動作延時 時間大于所述處于緊急控制模式的發電裝置或SVC設備的動作周期，所述動作周期是從所 述處于緊急控制模式時下發無功調節指令到發電裝置或SVC設備執行動作的時間；其中，如 果并網點電壓在預定時間內一直高于設定的最高值，確認無功補償能力用盡，并網裝置切 斷與大電網的并網運行。5. 如權利要求4所述的系統，其特征在于，所述SVC設備的主電路為三相三橋臂的逆變 電路，由6個電力電子器件和直流側電容組成。6. 如權利要求5所述的系統，其特征在于，所述SVC設備采用電壓空間矢量的調制方式， 為了便于在α_β坐標系上直接控制，減少切換開關時造成的電壓波動，控制SVC輸出電壓矢 量在正六邊形的內切圓中，內切圓半徑為ud。表示SVC的直流側電容電壓。
【文檔編號】H02J3/16GK105932687SQ201610390877
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】靖新宇
【申請人】成都欣維保科技有限責任公司