CN110912147B - 基于静止无功发生器的电网电压调节方法、装置及可读储存介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静止无功发生器的电网电压调节方法，包括：S01、获取负载无功功率Q_L和母线公共连接点电压值V_s；S02、计算预设电压参考值V_ref与V_s之间的差值e(t)；S03、将e(t)进行非线性PI调节，得到电压反馈闭环控制环节的输出Q_vs；S04、将‑Q_L作为负载无功前馈开环控制环节的输出量，得到静止无功发生器无功输出参考值Q_ref，以使静止无功发生器依据无功输出参考值Q_ref输出无功而实现对电网电压的调节。本发明相应公开了一种与上述调节方法相对应的电网电压调节装置。另外本发明还相应公开了一种计算机可读储存介质，其上储存有可读计算机程序，该可读计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法。本发明的方法、装置及介质均具有调节速度快、精度高等优点。

Description

基于静止无功发生器的电网电压调节方法、装置及可读储存 介质

技术领域

本发明主要涉及电压调节技术领域，特指一种基于静止无功发生器的电网电压调节方法、装置及可读储存介质。

背景技术

在部分能耗大的工矿企业中，常常安装有大功率冲击性负荷(如轧机、电弧炉等)；由于冲击性负荷的突变，负载本身的突加或者突卸，会造成电网电压剧烈波动和闪变，对用电安全造成严重影响。因此该类企业会安装一定容量的动态无功补偿装置如静止无功发生器(SVG)、或者静止无功补偿器(SVC)来补偿电网中的无功，提升电网电压的稳定性。

静止无功发生器SVG也称静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，简称STATCOM)由于在响应速度、稳定电网电压、降低***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更加优越的性能，目前已广泛的应用于各行各业。因此研究基于静止无功发生器(SVG)的快速动态响应技术来提升电网电压的稳定性、改善用电安全对于这类具有大功率冲击性负载的工矿企业具有重要的意义。

目前，对利用动态无功补偿装置来调节电网电压的应用研究很多；所利用的动态无功补偿装置主要有SVG、SVC、磁控电抗器等；调压研究的重点主要在两个方面：一是通过直接检测电网电压的变化来计算所需补偿无功量；二是通过检测负载无功、母线无功二者变化相结合来计算所需补偿的无功功率，从而稳定电网电压。所述第一种方法中，有两种实现方式：一种是公共连接点电压反馈值与其给定值做比较，产生的差值经PI调节器后形成无功电流指令值，作为SVG无功输入参考值；另外一种是获取电网的短路阻抗，使用所确定的短路阻抗计算所述电源电网的增益值，以及通过应用所述增益值作为电压控制器中的增益参数来根据计算的增益值控制所述电网电压电平。所述第二种方法中，利用负载前馈开环控制实现对负载无功变化的快速补偿，利用母线无功反馈闭环控制提高补偿的精度以及动态特性，通过两者相结合的方式提高了对负载无功引起电压变化的响应速度。

目前，利用动态无功补偿装置进行电网电压调节方法的主要专利及文章如下：

(1)北京国能子金电气技术有限公司的专利《一种用于高压线路的动态无功电压调节装置及其调节方法》

该发明是有关于一种用于高压线路的动态无功电压调节装置及其调节方法，该装置包括N个磁控电抗器支路、固定电容器支路、避雷器支路、户外高压跌落式熔断器以及一个户外高压线路电流互感器和一个控制器，各磁控电抗器支路由磁控电抗器组成，并装设有电流互感器；第n磁控电抗器支路与第n固定电容器支路、第n避雷器支路并联后，通过第n户外高压跌落式熔断器挂接到户外高压母线上；户外高压线路电流互感器串接于户外高压母线回路中；各磁控电抗器支路的电流互感器和户外高压线路电流互感器与控制器的输入端相连，控制器的输出端与各磁控电抗器相连。本发明可实现无功容量的动态补偿和平滑无级调节，无需投切、安全可靠、线损节能显著。该专利中虽然控制器采用瞬时无功控制算法的计算较传统的周期有效值算法要快，但是***中磁控电抗器支路、固定电容器支路动态响应速度慢，都在百毫秒以上。

(2)维斯塔斯风力***集团公司的专利《用于控制电网电压的方法》

该发明涉及用于控制可操作地连接到电功率源的电源电网的电压电平的方法。所述方法包括以下步骤：在公共耦合点处确定所述电源电网的短路阻抗，使用所确定的短路阻抗计算所述电源电网的增益值，以及通过应用所述增益值作为电压控制器中的增益参数来根据计算的增益值控制所述电网电压电平。根据本发明的所述方法可以实现为用于一劳永逸地配置电压控制器的方法，或者可以实现为用于自适应调节电压控制器的增益的方法。该方法需要知道电网的短路阻抗以及确定相应的增益值来调节电压，虽然调节快，但精度较差，对于动态无功补偿装置而言，需要根据不同的项目，匹配不同的参数，对于供电***的适应性不佳。

(3)中国南方电网有限责任公司《基于恒电压控制策略的STATCOM无功发生器》

本发明本实用新型公开了一种基于恒电压控制策略的STATCOM无功发生器，由多个结构相同的H桥功率单元组成变流链，每一个变流链为一相，每一相经过电抗器并联在电网上；通过采样单元采集母线侧的电压或电流信号，实时跟踪母线电压的波动情况，当母线电压超过额定范围时，通过控制单元发出控制信号给触发单元对母线电压进行补偿，实现恒电压控制。STATCOM无功发生器采用恒电压控制、具有响应速度快、稳定电网电压、提高瞬变电压极限、降低谐波等功能。由于恒电压控制采用了纯积分调节单元，虽然控制精度较高，但动态响应较慢。

(4)文献《基于快速等效电纳计算的静止无功补偿器复合控制方法》

提出了一种静止无功补偿器(static var compensator，SVC)的不平衡补偿方法。针对不平衡情况下的功率补偿需求，提出了基于佛布迪(fryze-buchholz-depenbrock，FBD)算法的等效电纳检测方法，有效减小了***的计算量；为了提高SVC的补偿性能，提出了一种开环和闭环复合控制方法，并利用单纯形算法对控制参数进行动态调整，提高了***的鲁棒性，大大提高了SVC的补偿精度和补偿性能，实现了三相***的功率平衡、稳定电网电压，提高供电***的电能质量。但该方法需要检测负载电流，当供电***中有多条负载支路时不适用。理由如下：当供电***中有N条负载支路时，SVC控制***需要检测N条负载支路的CT，此时算法量巨大；同时在实际情况中当N比较大时，SVC控制***硬件资源也不具备检测所有支路CT的能力，此时该方法就不适用了。此外，该方法只是通过对母线实现负序和无功的完全补偿来稳定电压，并未考虑冲击性有功负载变化引起的电压波动，并未对电压进行闭环调节。

由上述分析可知，在实现SVG并联运行的多种方法中主要存在的问题主要体现为：

1、部分方法采用直接检测电网电压，通过PI调节器或者纯积分调节器的方式调节电压，此类方法虽然控制精度较高，但动态响应速度较慢；

2、部分方法采用直接检测电网电压，通过非线性PI调节器的方式调节电压，此类方法虽然动态响应速度较适用纯PI调节器的方法有所提高，但仍然难以治理电弧炉之类的非线性冲击性负荷引起的电压波动问题；

3、部分方法采用前馈开环控制加反馈闭环控制控制方式，大大提高了响应速度，该方法需要检测负载电流，当供电***中有多条负载支路时不适用，同时该方法是对母线无功的反馈闭环控制，不能调节有功引起的电压变化。

4、部分方法采用磁控电抗器，投切电容器FC的方式来调节电压，速度较慢；

5、部分方法采用SVC来调节电压，速度较采用SVG调节电压的方式要慢，而且SVC装置本身会产生一定量的谐波电流，污染电网。

发明内容

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，本发明提供一种调节速度快、调节精度高的基于静止无功发生器的电网电压调节方法、装置及可读储存介质。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于静止无功发生器的电网电压调节方法，包括负载无功前馈开环控制环节和电压反馈闭环控制环节，具体步骤为：

S01、获取负载无功功率Q_L和母线公共连接点电压值V_s；

S02、计算预设电压参考值V_ref与电压值V_s之间的差值，即调节误差e(t)＝V_ref-V_s；

S03、将调节误差e(t)进行非线性PI调节，得到电压反馈闭环控制环节的输出指令Q_vs；

S04、将-Q_L作为负载无功前馈开环控制环节的输出量，得到静止无功发生器无功输出参考值Q_ref＝-Q_L+Q_vs＝Q_SVG-Q_s+Q_vs，以使静止无功发生器依据无功输出参考值Q_ref输出无功而实现对电网电压的调节。

优选地，在步骤S01中，计算母线公共连接点无功功率值Q_s、静止无功发生器当前输出无功功率值Q_SVG，以得到负载无功功率Q_L＝Q_s-Q_SVG。

优选地，通过检测母线公共连接点的电压信号、电流信号和静止无功发生器的电流信号I_SVG，从而计算得到电压值V_s、无功功率值Q_s和静止无功发生器当前输出无功功率值Q_SVG。

优选地，在步骤S03中，在进行非线性PI调节时，根据非线性函数K_P[e(t)]＝a_P+b_P{1-sech[c_Pe(t)]}计算出比例增益K_P；其中a_P、b_P、c_P均为正实常数。

优选地，在步骤S03中，在进行非线性PI调节时，根据非线性函数K_i[e(t)]＝a_isech[c_ie(t)]计算出积分系数K_i，其中a_i、c_i均为正实常数。

优选地，在步骤S04中，将无功输出参考值Q_ref经无功/电流转换环节后，输出无功电流参考值I_ref至静止无功发生器。

优选地，将无功电流参考值I_ref送入电流内环控制环节，输出相应的无功电流至静止无功发生器。

本发明相应公开了一种基于静止无功发生器的电网电压调节装置，包括

第一模块、用于获取负载无功功率Q_L和母线公共连接点电压值V_s；

第二模块、用于计算预设电压参考值V_ref与电压值V_s之间的差值，即调节误差e(t)＝V_ref-V_s；

第三模块、用于将调节误差e(t)进行非线性PI调节，得到电压反馈闭环控制环节的输出指令Q_vs；

第四模块、用于将-Q_L作为负载无功前馈开环控制环节的输出量，得到静止无功发生器无功输出参考值Q_ref＝-Q_L+Q_vs＝Q_SVG-Q_s+Q_vs，以使静止无功发生器依据无功输出参考值Q_ref输出无功而实现对电网电压的调节。

本发明还相应公开了一种计算机可读储存介质，其上储存有可读计算机程序，其特征在于，该可读计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于静止无功发生器的电网电压调节方法。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的基于静止无功发生器的电网电压调节方法，采用负载无功前馈开环控制环节和电压反馈闭环控制环节相结合，较单纯采用负载前馈开环调压方式精度要高，较单纯采用电压反馈闭环的调压方式调节速度快；由于电网电压的变化可由供电***中负载的无功或者有功的变化引起的，通过负载无功前馈开环控制的方法来迅速调节供电***中负载的无功变化引起的电压波动；通过电压反馈闭环控制来迅速调节供电***中负载的有功变化引起的电压波动；采用非线性PI调节器，在调节误差小时增益小，调节误差大时增益大，具有快速动态响应的特点，特别适合具有快速负荷变化的***中；且该方法不需要知道供电***阻抗特性就能匹配好控制参数，普适性好。

本发明的基于静止无功发生器的电网电压调节方法，由于对负载无功的检测不需通过负载支路的CT直接检测计算，而是通过检测PCC点(母线公共连接点)无功功率和SVG输出无功功率来间接推导出负载无功功率，可以适用于有多条具有快速变化负荷支路的供电***。

本发明的基于静止无功发生器的电网电压调节装置及计算机可读储存介质均具有如上方法所述的优点。

附图说明

图1为本发明的调压控制方框图。

图2(a)为本发明中K_P变化曲线图。

图2(b)为本发明中K_i变化曲线图。

图3为本发明中SVG在具体应用时的接线图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至3所示，本实施例的基于静止无功发生器的电网电压调节方法，适用于具有电弧炉等非线性冲击性负载的供电***中，包括负载无功前馈开环控制环节和电压反馈闭环控制环节，具体方法步骤为：

S01、获取所有负载支路的总负载无功功率Q_L和母线公共连接点电压值V_s；

S02、计算预设电压参考值V_ref与电压值V_s之间的差值，即调节误差e(t)＝V_ref-V_s；

S03、将调节误差e(t)进行非线性PI调节，得到电压反馈闭环控制环节的输出指令Q_vs；

S04、将-Q_L作为负载无功前馈开环控制环节的输出量，得到静止无功发生器(SVG)无功输出参考值Q_ref＝-Q_L+Q_vs＝Q_SVG-Q_s+Q_vs，以使静止无功发生器依据无功输出参考值Q_ref输出无功而实现对电网电压的调节。

本发明的基于静止无功发生器的电网电压调节方法，采用负载无功前馈开环控制环节和电压反馈闭环控制环节相结合，较单纯采用负载无功前馈开环控制方式精度要高，较单纯采用电压反馈闭环控制方式调节速度快；由于电网电压的变化由供电***中负载的无功或者有功的变化引起的，通过负载无功前馈开环控制的方法可迅速调节供电***中负载的无功变化引起的电压波动；通过电压反馈闭环控制来迅速调节供电***中负载的有功变化引起的电压波动；采用非线性PI调节器，在调节误差小时增益小，调节误差大时增益大，具有快速动态响应的特点，特别适合具有快速负荷变化的***中；且该方法不需要知道供电***阻抗特性就能匹配好控制参数，普适性好。

本实施例中，通过检测母线公共连接点(PCC点)的电压信号、电流信号和静止无功发生器的电流信号I_SVG，从而计算得到电压值V_s、无功功率值Q_s和静止无功发生器当前输出无功功率值Q_SVG，以得到负载无功功率Q_L＝Q_s-Q_SVG，负载无功前馈开环控制环节的输出量即为-Q_L＝-(Q_s-Q_SVG)。由于对负载无功的检测不需通过负载支路的CT直接检测计算，而是通过检测PCC点(母线公共连接点)无功功率和SVG输出无功功率来间接推导出负载无功功率，可以适用于有多条具有快速变化负荷支路的供电***，如图3所示。

本实施例中，在负载剧烈变化时，此时参考电压值V_ref与电网电压值V_s的差值即调节误差e(t)很大，此时要求PI调节器输出比例增益要大，以实现快速的动态响应；随着调节的进行，预设电压参考值V_ref与电网电压值V_s的差值e(t)逐步变小，为了减少超调量，调节器比例增益随之减小。因此可以构造一个以双曲正割函数为基础的函数作为非线性PI调节器比例增益K_P的函数，如下所示：

K_P[e(t)]＝a_P+b_P{1-sech[c_Pe(t)]}

式中,a_P、b_P、c_P为正实常数。当误差e(t)＝±∞时,K_P取最大值为a_P+b_P；当e(t)＝0时，K_P取最小值为a_P；b_P为K_P的变化区间，调整c_P的大小可调整K_P变化的速率(sech为双曲正割函数)，K_P[e(t)]函数曲线如图2(a)所示。

积分增益参数K_i积分控制的主要作用是消除***的稳态误差。当预设电压参考值V_ref与电网电压值V_s的差值e(t)较大时，期望积分增益不要太大，可防止响应产生振荡，有利于减小超调量；而当e(t)较小时期望积分增益增大，这样对消除***的稳态误差比较有利。根据积分增益的期望变化特性，积分增益参数K_i的变化形状如图2(b)所示,因此可以构造一个以双曲正割函数为基础的函数作为非线性PI调节器积分系数K_i的函数，如下所示：

K_i[e(t)]＝a_isech[c_ie(t)]

式中，a_i、c_i为正实常数，K_i的取值范围为(0，a_i)，当e(t)＝0时，K_i取最大值。其中c_i决定了K_i的变化快慢程度。

本实施例中，在步骤S04中，将无功输出参考值Q_ref经无功/电流转换环节后，输出无功电流参考值I_ref，送至电流内环控制环节，与电流信号I_SVG比较后，输入至SVG中输出相应的无功电流，完成对电网电压的调节。

本发明还公开一种基于静止无功发生器的电网电压调节装置，包括

第一模块、用于获取负载无功功率Q_L和母线公共连接点电压值V_s；

第二模块、用于计算预设电压参考值V_ref与电压值V_s之间的差值，即调节误差e(t)＝V_ref-V_s；

第三模块、用于将调节误差e(t)进行非线性PI调节，得到电压反馈闭环控制环节的输出指令Q_vs；

第四模块、用于将-Q_L作为负载无功前馈开环控制环节的输出量，得到静止无功发生器无功输出参考值Q_ref＝-Q_L+Q_vs＝Q_SVG-Q_s+Q_vs，以使静止无功发生器依据无功输出参考值Q_ref输出无功而实现对电网电压的调节。

本发明还公开了一种计算机可读储存介质，其上储存有可读计算机程序，该可读计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于静止无功发生器的电网电压调节方法。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于静止无功发生器的电网电压调节方法，其特征在于，包括负载无功前馈开环控制环节和电压反馈闭环控制环节，具体步骤为：

S01、获取负载无功功率Q_L和母线公共连接点电压值V_s；

S02、计算预设电压参考值V_ref与电压值V_s之间的差值，即调节误差e(t)＝V_ref-V_s；

S03、将调节误差e(t)进行非线性PI调节，得到电压反馈闭环控制环节的输出指令Q_vs；

S04、将-Q_L作为负载无功前馈开环控制环节的输出量，得到静止无功发生器无功输出参考值Q_ref＝-Q_L+Q_vs＝Q_SVG-Q_s+Q_vs，以使静止无功发生器依据无功输出参考值Q_ref输出无功而实现对电网电压的调节；

其中Q_s为母线公共连接点无功功率值、Q_SVG为静止无功发生器当前输出无功功率值。

2.根据权利要求1所述的基于静止无功发生器的电网电压调节方法，其特征在于，在步骤S01中，计算母线公共连接点无功功率值Q_s、静止无功发生器当前输出无功功率值Q_SVG，以得到负载无功功率Q_L＝Q_s-Q_SVG。

3.根据权利要求2所述的基于静止无功发生器的电网电压调节方法，其特征在于，通过检测母线公共连接点的电压信号、电流信号和静止无功发生器的电流信号I_SVG，从而计算得到电压值V_s、无功功率值Q_s和静止无功发生器当前输出无功功率值Q_SVG。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于静止无功发生器的电网电压调节方法，其特征在于，在步骤S03中，在进行非线性PI调节时，根据非线性函数K_P[e(t)]＝a_P+b_P{1-sech[c_Pe(t)]}计算出比例增益K_P；其中a_P、b_P、c_P均为正实常数。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于静止无功发生器的电网电压调节方法，其特征在于，在步骤S03中，在进行非线性PI调节时，根据非线性函数K_i[e(t)]＝a_isech[c_ie(t)]计算出积分系数K_i，其中a_i、c_i均为正实常数。

6.根据权利要求1或2或3所述的基于静止无功发生器的电网电压调节方法，其特征在于，在步骤S04中，将无功输出参考值Q_ref经无功/电流转换环节后，输出无功电流参考值I_ref至静止无功发生器。

7.根据权利要求6所述的基于静止无功发生器的电网电压调节方法，其特征在于，将无功电流参考值I_ref送入电流内环控制环节，输出相应的无功电流至静止无功发生器。

8.一种基于静止无功发生器的电网电压调节装置，其特征在于，包括

第一模块、用于获取负载无功功率Q_L和母线公共连接点电压值V_s；

第二模块、用于计算预设电压参考值V_ref与电压值V_s之间的差值，即调节误差e(t)＝V_ref-V_s；

第三模块、用于将调节误差e(t)进行非线性PI调节，得到电压反馈闭环控制环节的输出指令Q_vs；

第四模块、用于将-Q_L作为负载无功前馈开环控制环节的输出量，得到静止无功发生器无功输出参考值Q_ref＝-Q_L+Q_vs＝Q_SVG-Q_s+Q_vs，以使静止无功发生器依据无功输出参考值Q_ref输出无功而实现对电网电压的调节；

其中Q_s为母线公共连接点无功功率值、Q_SVG为静止无功发生器当前输出无功功率值。

9.一种计算机可读储存介质，其上储存有可读计算机程序，其特征在于，该可读计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任意一项所述的基于静止无功发生器的电网电压调节方法。

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