CN102064554B - 一种输电系统可控高压并联电抗器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种输电系统可控高压并联电抗器控制方法。该方法基于无功需求增量和母线边界电压实现内外双层控制，内层控制基于无功需求增量，外层控制基于母线边界电压，外层控制优先级高于内层控制，内外层控制相结合既很好的遵循了无功平衡的原则又兼顾了电压的全局特性，可以高精度、高效控制可控高压并联电抗器投切。

Description

一种输电系统可控高压并联电抗器控制方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种输电系统可控高压并联电抗器控制方法。

背景技术

电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。在现代大型电力系统中，超高压输电网的线路分布电容能产生大量的无功功率，从系统安全运行考虑，需要装设并联电抗器予以吸收，根据我国有关技术导则，330kV～1000kV电网应按无功分层就地平衡的基本要求配置高低压并联电抗器。在传输功率波动大，波动频率高的超高压输电系统(例如河西风电基地外送的750kV输电系统)中，传输系统电压波动剧烈，不利于系统安全运行，需要采用可控高压并联电抗器适时投切控制系统电压波动。

目前可控高压并联电抗器控制方法主要为基于母线电压变化量的控制方法，该方法以母线可控高抗接入母线的电压为输入量，通过计算得到标幺母线电压变化量，将标幺母线电压变化量与该母线短路容量相乘得到可控高压并联电抗器的投切容量。该方法直接以电压为控制目标，物理意义明确，但是主要有以下两方面不足：其一，电力系统随着日常运行的需求，运行方式经常发生变化，这将导致母线短路容量经常发生变化，而跟踪计算短路容量困难巨大，通常以典型方式的母线短路容量代替，导致了原理性误差；其二，随着母线短路容量增加，单位无功投切导致的电压变化逐渐变小，同时考虑到高压电压互感器测量误差较大，可控高压并联电抗器单组投切导致的电压变化将淹没于电压互感器的测量误差中。由于这两方面原因将导致通过标幺母线电压变化量与该母线短路容量相乘得到可控高压并联电抗器的投切容量控制误差较大，不能获得满意的控制效果。鉴于目前控制策略的问题，寻求一种控制精度高、控制效果好的可控高压并联电抗器控制策略尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明涉及一种输电系统可控高压并联电抗器控制方法，该方法基于无功需求增量和母线边界电压实现内外双层控制，可以高精度、高效控制可控高压并联电抗器投切。内层控制基于无功需求增量，外层控制基于母线边界电压。内层控制采集电流量，由于电流互感器测量精度高，可以保证内层控制的高精度，母线电压在边界电压内时实时计算无功增量控制可控高压并联电抗器投切，使本地无功功率平衡，外层控制在母线电压达到边界电压时，投切内层控制还未投切的并联电抗器容量，并为内层控制器阶段性附初值，兼有动态无功控制功能。

本发明的一种输电系统母线可控高压并联电抗器控制方法，基于无功需求增量和母线边界电压实现内外双层控制，内层控制基于无功需求增量，外层控制基于母线边界电压，外层控制优先级高于内层控制，从而高精度、高效率控制可控高压并联电抗器投切。

其中，内层控制基于无功需求增量的控制策略包括如下步骤：

1)采集变电站流经母线所连接的线路和变压器的电流量为内层控制的输入量；

2)根据变电站母线所连接的线路电抗和变压器漏抗，计算电流流经母线所连接的线路电抗X_li和变压器漏抗X_ti造成的无功损耗Q：

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ii}}^2{X}_{\mathrm{Ii}}+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ti}}^2{X}_{\mathrm{ti}}---\left(1\right)$

其中I_li，I_ti分别为线路与变压器的稳态电流值，n、m分别为变电站出线数和变压器数；

3)计算初始无功损耗Q_pre，实时计算当前的时标下的无功损耗Q_pos，由下式(2)计算无功损耗的变化量：

ΔQ＝Q_pos-Q_pre    (2)

如果无功损耗变化量等于单组可控高压并联电抗器投切容量时，对应投切一级可控高压并联电抗器容量；如果无功损耗变化量为正且满足投切要求，切除一组可控高压并联电抗器；如果无功损耗变化量为负且满足投切要求，投入一组可控高压并联电抗器；发生投切动作的同时，以当前的Q_pos更新Q_pre；如果无功损耗变化量为正且满足投切要求，但是可控高压并联电抗器已切除至下限，不再向可控高压并联电抗器发切除命令，同时不更新Q_pre；如果无功损耗变化量为负且满足投切要求，但是可控高压并联电抗器已投入至上限，不再向可控高压并联电抗器发投入命令，同时不更新Q_pre。

其中，所述外层控制基于母线边界电压的控制策略如下：

所述外层控制以变电站母线电压为输入量，母线电压上下边界由用户确定，如果母线稳态电压达到上边界，将可控高压并联电抗器全部投入；如果母线稳态电压达到下边界，将可控高压并联电抗器全部切除，在系统故障期间，通过电压降判断是否是近区短路故障，如果系统故障期间电压低于设定值，判断为近区故障将可控高压并联电抗器全部切除，以有效支撑故障后的电压恢复，外层控制优先级高于内层控制，外层控制投切动作时不更新内层控制Q_pre值，只更新内层控制所记录的可控高压并联电抗器工作状态。

其中，所述上边界默认值取1.05p.u，下边界默认值取0.95p.u，所述系统故障期间的电压的设定值，其默认值取0.7p.u。

母线电压在边界电压内时内层控制起主要作用，内层控制的基本原理是：

1、采集变电站流经母线所连接的线路和变压器的电流量为内层控制输入量。

2、根据变电站母线所连接的线路电抗和变压器漏抗，计算电流流经母线所连接的线路电抗X_li(一般取线路全长一半对应的电抗值，如近区变电站无其它可控高压并联电抗器，此时取线路全长对应的电抗值)和变压器漏抗X_ti造成的无功损耗Q。

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ii}}^2{X}_{\mathrm{Ii}}+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ti}}^2{X}_{\mathrm{ti}}$

其中I_li，I_ti分别为线路与变压器稳态电流值，n、m分别为变电站出线数和变压器数。

3、计算初始无功损耗Q_pre，实时计算当前的时标下的无功损耗Q_pos，由下式计算无功损耗变化量，如果无功损耗变化量等于单组可控高压并联电抗器投切容量，对应投切一级可控高压并联电抗器容量。无功损耗变化量为正且满足投切要求，切除一组可控高压并联电抗器；无功损耗变化量为负且满足投切要求，投入一组可控高压并联电抗器，发生投切动作同时，以当前Q_pos更新Q_pre。如果无功损耗变化量为正且满足投切要求，但是可控高压并联电抗器已切除至下限，不再向可控高压并联电抗器发切除命令，同时不更新Q_pre；如果无功损耗变化量为负且满足投切要求，但是可控高压并联电抗器已投入至上限，不再向可控高压并联电抗器发投入命令，同时不更新Q_pre。

ΔQ＝Q_pos-Q_pre

内层控制示意图如图1所示，投切容量系数C＝ΔQ/Q_unit，Q_unit为可控高压并联电抗器单组投切容量。R_n为可控高压并联电抗器工作状态及对应时刻母线可控电抗器已投组数，R_max，R_min为母线可控电抗器投切组数的上下限(一般R_max取母线可控电抗器可投组数，R_min取0值)，R为根据无功损耗变化量得到的可控高压并联电抗器应该投切量。

如R_n未达到上下限时，投切策略如下：

-1＜C＜1  R＝0，不动作，同时保持Q_pre；

1≤C      R＝-1，切一级，更新Q_pre，令Q_pre＝Q_pos；

-1≥C     R＝1，投一级，更新Q_pre，令Q_pre＝Q_pos；

如果R_n已达上下限，此时如果(R_n-1＝R_max∩R＞0)或(R_n-1＝R_min∩R＜0)，保持Q_pre，即：

(1)当并联电抗器投切到达可投切容量的最大值时保持Q_pre(即不再更新Q_pre)，控制器不再发出投切指令。

(2)之后仍不断计算当前的时标下Q_pos，并与(1)中达到最大调节容量时被保持住的Q_pre作差ΔQ＝Q_pos-Q_pre，直至ΔQ发生变号时才开始反向调节。

可控高压并联电抗器内外双层控制策略如图2所示，外层控制以母线电压为输入量，母线电压上下边界由用户确定，上边界默认值取1.05p.u，上边界默认值取0.95p.u，当母线电压达到所设置电压上边界，将可控高压并联电抗器全部投入；当母线电压达到所设置电压下边界，将可控高压并联电抗器全部切除。通过电压降判断是否是近区短路故障，如果系统故障期间电压低于设定值(由用户确定，默认值取0.7p.u)判断为近区故障将可控高压并联电抗器全部切除，以对有效支撑故障后电压恢复。

本发明的有益效果是：

1.本发明的方法基于无功增量的内层控制很好的遵循了无功就地平衡的原则，创造性应用了测量精度高的电流量，提高了大功率波动的输电系统可控高压并联电抗器跟踪功率波动造成电压变化的精度。

2.本发明的方法将基于无功增量的内层控制与基于母线电压边界外层控制相结合，有效的反映了电压变化的特性：既兼顾了电压的全局特性，又考虑了无功平衡的局部特性，避免了全局无功缺乏而母线并联高抗根据本地无功平衡判断进一步投入，无法对全局无功进行支撑的特殊情况。本方法使全局与局部无功控制有效协调。到达电压边界，外层控制动作后，外层控制立即转入基于无功增量的内层控制，无形中设置了动作死区，避免了只基于电压量的控制策略的边界点颤抖投切现象。本方法使可控高压并联电抗器动作精度、效率显著提高，为可控高压并联电抗器在输电系统，尤其以大规模风能或太阳能电源基地为末端的输电系统，发挥重大作用提供了保障，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是依据本发明的内层控制策略示意图；

图2是依据本发明的可控高压并联电抗器内外层控制策略示意图；

图3是依据本发明的安西站接线示意图；

图4是依据本发明的安西母线电压控制效果对比图；

图5是依据本发明的安西-哈密、安西-酒泉单回线路功率及安西站上网功率变化图。

具体实施方式

基于BPA稳定程序进行控制策略仿真计算。计算算例采用2010年冬小方式(与西北联网)规划数据。考察基于无功增量的内层控制和母线电压边界内外双层控制的河西电网750输电通道安西母线可控高压并联电抗器对电压的控制效果。安西母线所连线路与变压器如图4所示。由于酒泉站与哈密站均未安装可控高压并联电抗器，线路电抗取安西～酒泉、安西～哈密线路全长对应的电抗值。根据图4无功增量表达式变为：

ΔQ＝Q_pos-Q_pre

$Q_{\mathrm{pre}}=I_{\mathrm{aq}1}^2{X}_{\mathrm{aq}1}+I_{\mathrm{aq}2}^2{X}_{\mathrm{aq}2}+I_{\mathrm{ah}1}^2{X}_{\mathrm{ah}1}+I_{\mathrm{ah}2}^2{X}_{\mathrm{ah}2}+I_t^2{X}_t$

$Q_{\mathrm{pos}}=I_{\mathrm{aq}1}^{\′2}{X}_{\mathrm{aq}1}+I_{\mathrm{aq}2}^{\′2}{X}_{\mathrm{aq}2}+I_{\mathrm{ah}1}^{\′2}{X}_{\mathrm{ah}1}+I_{\mathrm{ah}2}^{\′2}{X}_{\mathrm{ah}2}+I_t^{\′2}{X}_t$

依照内层控制及总控制策略图采集线路电流、变压器电流量实现BPA仿真模式下的可控高压并联电抗器控制策略。安西母线电压边界设置为765～785kV。

调整河西风场风速，使以下风电场出力由额定出力降到零附近，再迅速升至额定风速，并且对应调整陕西、宁夏、青海常规机组以维持系统的功率平衡。考察基于无功需求增量和母线边界电压的可控高压并联电抗器内外双层控制的效果。母线可控并联高抗容量为300MVar，单组投切容量为75MVar。

仿真开始时，安西母线电压处于765～785kV之间，可控高压并联电抗器投入，随着线路传输功率与安西上网功率变化，电压逐渐升高，在6.9s满足内层控制判据，投入一级电抗器。在11.02s电压达到电压控制带上边界785kV，满足外层控制判据投入剩余三级电抗器。在119.4s电压回复到电压控制带以内，在173.8s满足内层控制判据，切出一级电抗器。在231.6s再次满足内层控制判据，切出一级电抗器。在267.2s达到电压控制带下限765kV，满足外层控制判据判据切出剩余两级电抗器。

图4对比了投入可控高压并联电抗器和未投入可控高压并联电抗器时安西母线电压控制效果。图5为调整河西风场风速造成的哈密-安西单回线路，功率安西-酒泉单回线路功率，安西站上网功率变化。

根据投入投入可控高压并联电抗器和未投入可控高压并联电抗器时安西母线电压控制效果可知，基于无功需求增量和母线边界电压的可控高压并联电抗器内外双层控制策略是行之有效的。

上面已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (3)

1.一种输电系统母线可控高压并联电抗器控制方法，其特征在于：基于无功需求增量和母线边界电压实现内外双层控制，内层控制基于无功需求增量，外层控制基于母线边界电压，外层控制优先级高于内层控制，从而高精度、高效率控制可控高压并联电抗器投切;

内层控制基于无功需求增量的控制策略包括如下步骤：

1）采集变电站流经母线所连接的线路和变压器的电流量为内层控制的输入量；

2）根据变电站母线所连接的线路电抗和变压器漏抗，计算电流流经母线所连接的线路电抗X_li和变压器漏抗X_ti造成的无功损耗Q：

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{li}}^2{X}_{\mathrm{li}}+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{ti}}^2{X}_{\mathrm{ti}}---\left(1\right)$

其中I_li,I_ti分别为线路与变压器的稳态电流值，n、m分别为变电站出线数和变压器数；

3）计算初始无功损耗Q_pre，实时计算当前的时标下的无功损耗Q_pos，由下式（2）计算无

功损耗的变化量：

ΔQ＝Q_pos-Q_pre                          （2）

如果无功损耗变化量等于单组可控高压并联电抗器投切容量时，对应投切一级可控高压并联电抗器容量；如果无功损耗变化量为正且满足投切要求，切除一组可控高压并联电抗器；如果无功损耗变化量为负且满足投切要求，投入一组可控高压并联电抗器；发生投切动作的同时，以当前的Q_pos更新Q_pre；如果无功损耗变化量为正且满足投切要求，但是可控高压并联电抗器已切除至下限，不再向可控高压并联电抗器发切除命令，同时不更新Q_pre；如果无功损耗变化量为负且满足投切要求，但是可控高压并联电抗器已投入至上限，不再向可控高压并联电抗器发投入命令，同时不更新Q_pre。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述外层控制基于母线边界电压的控制策略如下：

所述外层控制以变电站母线电压为输入量，母线电压上下边界由用户确定，如果母线稳态电压达到上边界，将可控高压并联电抗器全部投入；如果母线稳态电压达到下边界，将可控高压并联电抗器全部切除，在系统故障期间，通过电压降判断是否是近区短路故障，如果系统故障期间电压低于设定值，判断为近区故障将可控高压并联电抗器全部切除，以有效支撑故障后的电压恢复，外层控制优先级高于内层控制，外层控制投切动作时不更新内层控制Q_pre值，只更新内层控制所记录的可控高压并联电抗器工作状态。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述上边界默认值取1.05p.u，下边界默认值取0.95p.u，所述系统故障期间的电压的设定值，其默认值取0.7p.u。