CN104993499B - 组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法和系统，上述组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法，包括如下步骤：获取组合背靠背直流输电系统中控制系统的分层结构；根据所述分层结构确定背靠背输电系统的无功功率控制模式；根据所述无功功率控制模式确定组合背靠背直流输电系统中柔性直流单元无功输出功率的功率范围；根据所述无功功率控制模式和功率范围计算组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额，根据所述无功差额确定柔性直流单元的无功输出功率；其实现了对组合背靠背直流输电系统无功输出功率的直接控制，可以上述无功输出功率的控制效率。

Description

组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法和系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法和系统。

背景技术

组合背靠背直流输电系统没有直流输电线路，其一般包括柔性直流单元和常规直流单元，它的整流和逆变通常布置在一个换流站内，实现两个交流网络的互联。组合背靠背直流输电系统中的柔性直流单元具有无功功率解耦控制、无需配置交流滤波器、无需外加换相电压、不会发生换相失败、可灵活控制交流母线电压、交流系统故障时可提供紧急有功支援和动态无功支撑等优点。在孤岛供电、城市配电网增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网方面具有较强的技术优势。

基于电流源换流器的常规直流单元和电压源换流器的柔性直流单元组合的背靠背直流输电系统即为组合背靠背直流输电系统，具有广泛的工程应用前景，现有技术缺少直接对其无功输出功率进行控制的方案，导致对组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制效率低。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法和系统。

一种组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法，包括如下步骤：

获取组合背靠背直流输电系统中控制系统的分层结构；

根据所述分层结构确定背靠背输电系统的无功功率控制模式；

根据所述无功功率控制模式确定组合背靠背直流输电系统中柔性直流单元无功输出功率的功率范围；

根据所述无功功率控制模式和功率范围计算组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额，根据所述无功差额确定柔性直流单元的无功输出功率。

一种组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制系统，包括：

获取模块，用于获取组合背靠背直流输电系统中控制系统的分层结构；

第一确定模块，用于根据所述分层结构确定背靠背输电系统的无功功率控制模式；

第二确定模块，用于根据所述无功功率控制模式确定组合背靠背直流输电系统中柔性直流单元无功输出功率的功率范围；

计算模块，用于根据所述无功功率控制模式和功率范围计算组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额，根据所述无功差额确定柔性直流单元的无功输出功率。

上述组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法和系统，通过获取组合背靠背直流输电系统中控制系统的分层结构，进而确定背靠背输电系统的无功功率控制模式，再根据所述无功功率控制模式确定组合背靠背直流输电系统中柔性直流单元无功输出功率的功率范围，进一步计算组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额，以确定柔性直流单元的无功输出功率，从而实现对组合背靠背直流输电系统无功输出功率的控制，可以提高上述无功输出功率的控制效率。

附图说明

图1为一个实施例的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法流程图；

图2为一个实施例的基于电流源换流器与电压源换流器组合的新型多单元背靠背直流输电系统的结构示意图；

图3为一个实施例的组合背靠背直流输电系统的控制方式示意图；

图4为一个实施例的交流滤波器投切时柔性直流单元的无功调节过程示意图；

图5为一个实施例的交流滤波器的投切点示意图；

图6为一个实施例的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法和系统的具体实施方式作详细描述。

参考图1，图1所示为一个实施例的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法流程图，包括如下步骤：

S10，获取组合背靠背直流输电系统中控制系统的分层结构；

上述步骤S10中，组合背靠背直流输电系统为不少于2个直流单元的组合，一般情况下，其分层结构可以分为常规直流单元和柔性直流单元，上述常规直流单元和柔性直流单元可以分别配置独立的阀控系统和单元控制系统，支持各个单元独立运行，组合背靠背直流输电系统的全站可以设置共用的直流站控系统，直流站控与单元控制系统之间可以采用快速总线通讯，以交换协调控制信息。

在一个实施例中，组合背靠背直流输电系统中的一种类型，基于电流源换流器与电压源换流器组合的新型多单元背靠背直流输电系统的结构示意图可以如图2所示，图2中，背靠背直流单元1和背靠背直流单元2为基于电流源换流器的常规直流单元，每个单元的整流侧和逆变侧分别由脉动换流器构成，两站经平波电抗器和直流母线相连接，没有直流线路和接地极，逆变侧脉动中点接地。两侧分别配置小组交流滤波器，分为3个大组。背靠背直流单元N为基于电压源换流器的柔性直流单元，每一侧均由联接变压器、启动回路、桥臂电抗器、模块化多电平(MMC)电压源换流器组成，在整流侧和逆变侧均采用联接变二次侧中性点经大电阻接地。当然此多单元混合背靠背直流输电系统还可以根据工程建设规模由更多的常规直流或柔性直流单元灵活构成，相应的交流滤波器也可根据需要进行增减配置。

上述组合背靠背直流输电系统的控制方式示意图可以如图3所示，图3中，控制系统均按两套冗余配置，即控制系统A及控制系统B。常规直流单元与柔性直流单元(图2中的背靠背直流单元1、背靠背直流单元2、背靠背直流单元N)配置共用的直流站控系统，直流系统无功功率的协调控制功能在直流站控系统中实现。常规直流单元(图2中的背靠背直流单元1、背靠背直流单元2)和柔性直流单元(图2中的背靠背直流单元N)分别配置独立的单元控制系统，支持各个单元独立运行，直流站控系统与单元控制系统之间采用交叉冗余的快速总线通讯，交换协调控制信息。柔性直流单元(图2中的背靠背直流单元N)中的整流侧、逆变侧均可独立作为STATCOM运行，因此分别独立配置柔性直流单元整流侧控制系统及柔性直流单元逆变侧控制系统，避免一侧检修影响另外一侧运行。

S20，根据所述分层结构确定背靠背输电系统的无功功率控制模式；

在一个实施例中，上述无功功率控制模式包括Q模式和U模式；其中，所述Q模式为将常规直流单元与柔性直流单元的无功功率Q控制在设定功率范围的工作模式；所述U模式为将组合背靠背直流输电系统的交流电压U控制在设定电压范围的工作模式。

上述设定功率范围需要根据组合背靠背直流输电系统的所包含的常规直流单元、柔性直流单元的个数、型号、以及其所处工况进行确定；上述设定电压范围需要根据组合背靠背直流输电系统的所包含的常规直流单元、柔性直流单元的个数、型号、以及其所处工况进行确定。

S30，根据所述无功功率控制模式确定组合背靠背直流输电系统中柔性直流单元无功输出功率的功率范围；

上述步骤S30中，在所述无功功率控制模式下的组合背靠背直流输电系统中投切交流滤波器时，利用柔性直流单元快速、精确的进行无功调节，以保证换流站的交流母线电压或换流站与系统交换的无功维持在合理范围内，用于计算组合背靠背直流输电系统小功率运行时直流站控的无功差额，确定柔性直流单元的无功输出功率；这样可以实现对组合背靠背直流输电系统无功输出功率的的线性协调控制方法，实现了低负荷水平下的无功优化控制，同时减小了交流滤波器投切对交流系统电压的影响，提高了暂态故障时交流系统电压的稳定性。

S40，根据所述无功功率控制模式和功率范围计算组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额，根据所述无功差额确定柔性直流单元的无功输出功率。

上述常规直流单元在解锁以直流小功率运行时，投入最小滤波器组(1A+1B)，过剩的无功会注入组合背靠背直流输电系统的交流系统影响交流电压，利用柔性直流单元快速调节无功出力，可控制与交流系统交换的无功在允许范围内。具体是直流站控计算无功差额，并通过高速总线发送至柔性直流单元的控制系统。柔性直流单元接收到无功差额指令后，控制输出的无功功率大小，补偿交流滤波器过剩的无功功率。

在一个实施例中，上述组合背靠背直流输电系统可以包括不少于2个直流单元的组合；所述直流单元的组合可以包括常规直流单元和柔性直流单元。

作为一个实施例，上述常规直流单元解锁时投入组合背靠背直流输电系统的最小滤波器组，设定每个滤波器组的额定容量为Q_filter，常规直流单元消耗的无功功率为Q_conv，常规直流单元与交流系统交换的无功功率为Q_sys，则：

Q_sys＝Q_conv-∑Q_filter；

所述无功功率为Q_sys即为组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额。

本实施例中，组合背靠背直流输电系统的常规直流单元解锁时即投入最小滤波器组(1A+1B)，假定每个小组额定容量为Q_filter，常规直流单元消耗的无功为Q_conv，与系统交换的无功为Q_sys，则上述直流站控公式为：

Q_sys＝Q_conv-∑Q_filter。

上述组合背靠背直流输电系统直流小功率运行时，过剩的无功会注入交流系统影响交流电压，利用柔性直流单元快速调节组合背靠背直流输电系统的无功输出功率，控制与交流系统交换的无功在允许范围内。具体按照上述直流站控按公式计算无功差额，并通过高速总线发送至柔性直流单元的控制系统。柔性直流单元接收到无功差额指令后，控制输出的无功功率大小，补偿交流滤波器过剩的无功功率。

本实施例提供的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法，通过获取组合背靠背直流输电系统中控制系统的分层结构，进而确定背靠背输电系统的无功功率控制模式，再根据所述无功功率控制模式确定组合背靠背直流输电系统中柔性直流单元无功输出功率的功率范围，进一步计算组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额，也就是组合背靠背直流输电系统中投切交流滤波器时，利用柔性直流单元快速、精确的进行无功调节，保证换流站的交流母线电压或换流站与系统交换的无功维持在合理范围内，再通过计算组合背靠背直流输电系统小功率运行时直流站控的无功差额，以确定柔性直流单元的无功输出功率，从而实现对组合背靠背直流输电系统无功输出功率的控制，可以提高上述无功输出功率的控制效率。

在一个实施例中，上述组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法还可以包括：

在第一预设时间内将柔性直流单元无功输出功率调节至设定值，并在第二预设时间内将柔性直流单元无功输出功率由所述设定值调节至原来的无功输出功率值。

作为一个实施例，上述在第一预设时间内将柔性直流单元无功输出功率调节至设定值的过程可以包括：

在第一预设时间内将组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额叠加至柔性直流单元无功输出功率使所述无功输出功率调节至设定值。

本实施例中，在组合背靠背直流输电系统的常规直流单元投入或切除交流滤波器指令下达的同时，由直流站控系统给柔性直流单元控制系统发送无功叠加指令。柔性直流单元的无功控制器快速输出无功叠加值叠加在原有无功功率指令上，并按照设置的速率在第一预设时间T1内将无功功率调节至目标值(即上述设定值)，然后再在第二预设时间T2内将叠加的无功叠加值恢复至零，从而限制滤波器投切时交流电压的变化。其中，上述第一预设时间、第二预设时间、设定值可以根据组合背靠背直流输电系统的具体型号、结构以及工作环境进行设置。

为避免交流滤波器的反复投切，常规直流的无功控制通常设置了较大的无功裕度，一般为滤波器小组容量的20％左右，因此常规直流无法保证无功功率的线性变化。组合背靠背直流可利用柔性直流单元无功调节范围，精准控制与交流系统的无功交换值，实现滤波器投切前的无功功率平衡。

在一个实施例中，上述组合背靠背直流输电系统交流滤波器投切时柔性直流单元的无功调节过程示意图可以如图4所示，在常规直流单元投入滤波器指令下达的同时，由直流站控系统给柔性直流单元控制系统发送一个无功指令：△Q_ref。柔性直流单元的控制系统在原有无功功率指令的基础上叠加此指令值，并按较大的变化速率在Tr-short时间内快速减小柔直系统输出的无功功率。无功降低过程应覆盖整个投入过程；在无功功率到达设定值后，再按较低的变化速率在Tr-long时间内恢复无功功率指令至投入滤波器之前的值。同理，可以实现滤波器切除时的无功协调控制功能。

本发明组合背靠背直流输电系统无功功率的线性协调控制方法可以利用柔性直流单元无功调节范围，精准控制与交流系统的无功交换值，实现滤波器投切时的无功功率平衡。通常，常规直流无功控制为避免交流滤波器投入后与系统交换的无功功率值进入切除滤波器区域导致交流滤波器的反复投切，设置了较大的无功裕度Q_margin，一般为滤波器小组容量的20％左右，交流滤波器的投切点示意图如图5所示，选择投入的下一组交流滤波器无功容量为Q_next-filter。常规直流单元无功控制投切满足如下公式：

Q_sys–Q_next-filter–Q_margin＞Q_min。

结合上述直流站控公式可知，系统交换无功Q_sys在一个比较大的范围内波动，难以实现最佳控制，利用柔性直流可以无功实现线性调节，通过调节无功出力把系统交换无功功率控制在图5中间的Q_set附近区域，从而对系统交换无功精准控制，这种控制特别有利于弱交流系统的稳定运行

参考图6，图6所示为一个实施例的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制系统结构示意图，包括：

获取模块10，用于获取组合背靠背直流输电系统中控制系统的分层结构；

第一确定模块20，用于根据所述分层结构确定背靠背输电系统的无功功率控制模式；

在一个实施例中，上述无功功率控制模式可以包括Q模式和U模式；其中，所述Q模式为将常规直流单元与柔性直流单元的无功功率Q控制在设定功率范围的工作模式；所述U模式为将组合背靠背直流输电系统的交流电压U控制在设定电压范围的工作模式。

第二确定模块30，用于根据所述无功功率控制模式确定组合背靠背直流输电系统中柔性直流单元无功输出功率的功率范围；

计算模块40，用于根据所述无功功率控制模式和功率范围计算组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额，根据所述无功差额确定柔性直流单元的无功输出功率。

在一个实施例中，上述组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制系统还可以包括：

调节模块，用于在第一预设时间内将柔性直流单元无功输出功率调节至设定值，并在第二预设时间内将柔性直流单元无功输出功率由所述设定值调节至原来的无功输出功率值。

作为一个实施例，上述调节模块可以进一步用于：

在第一预设时间内将组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额叠加至柔性直流单元无功输出功率使所述无功输出功率调节至设定值。

本发明的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制系统与本发明的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法一一对应，在上述组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制系统的实施例中，特此声明。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取组合背靠背直流输电系统中控制系统的分层结构；所述组合背靠背直流输电系统包括不少于2个直流单元的组合；所述直流单元的组合包括常规直流单元和柔性直流单元；所述分层结构可以分为常规直流单元和柔性直流单元；

根据所述分层结构确定背靠背输电系统的无功功率控制模式；

根据所述无功功率控制模式确定组合背靠背直流输电系统中柔性直流单元无功输出功率的功率范围；

根据所述无功功率控制模式和功率范围计算组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额，根据所述无功差额确定柔性直流单元的无功输出功率；所述常规直流单元解锁时投入组合背靠背直流输电系统的最小滤波器组，设定每个滤波器组的额定容量为Q_filter，常规直流单元消耗的无功功率为Q_conv，常规直流单元与交流系统交换的无功功率为Q_sys，则：

Q_sys＝Q_conv-∑Q_filter；

所述无功功率为Q_sys为组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额。

2.根据权利要求1所述的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法，其特征在于，所述无功功率控制模式包括Q模式和U模式；其中，所述Q模式为将常规直流单元与柔性直流单元的无功功率Q控制在设定功率范围的工作模式；所述U模式为将组合背靠背直流输电系统的交流电压U控制在设定电压范围的工作模式。

3.根据权利要求1所述的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法，其特征在于，还包括：

在第一预设时间内将柔性直流单元无功输出功率调节至设定值，并在第二预设时间内将柔性直流单元无功输出功率由所述设定值调节至原来的无功输出功率值。

4.根据权利要求3所述的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制方法，其特征在于，所述在第一预设时间内将柔性直流单元无功输出功率调节至设定值的过程包括：

在第一预设时间内将组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额叠加至柔性直流单元的无功输出功率，使所述无功输出功率调节至设定值。

5.一种组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取组合背靠背直流输电系统中控制系统的分层结构；所述组合背靠背直流输电系统包括不少于2个直流单元的组合；所述直流单元的组合包括常规直流单元和柔性直流单元；所述分层结构可以分为常规直流单元和柔性直流单元；

第一确定模块，用于根据所述分层结构确定背靠背输电系统的无功功率控制模式；

第二确定模块，用于根据所述无功功率控制模式确定组合背靠背直流输电系统中柔性直流单元无功输出功率的功率范围；

计算模块，用于根据所述无功功率控制模式和功率范围计算组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额，根据所述无功差额确定柔性直流单元的无功输出功率；所述常规直流单元解锁时投入组合背靠背直流输电系统的最小滤波器组，设定每个滤波器组的额定容量为Q_filter，常规直流单元消耗的无功功率为Q_conv，常规直流单元与交流系统交换的无功功率为Q_sys，则：

Q_sys＝Q_conv-∑Q_filter；

所述无功功率为Q_sys为组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额。

6.根据权利要求5所述的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制系统，其特征在于，所述无功功率控制模式包括Q模式和U模式；其中，所述Q模式为将常规直流单元与柔性直流单元的无功功率Q控制在设定功率范围的工作模式；所述U模式为将组合背靠背直流输电系统的交流电压U控制在设定电压范围的工作模式。

7.根据权利要求5所述的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制系统，其特征在于，还包括：

调节模块，用于在第一预设时间内将柔性直流单元无功输出功率调节至设定值，并在第二预设时间内将柔性直流单元无功输出功率由所述设定值调节至原来的无功输出功率值。

8.根据权利要求7所述的组合背靠背直流输电系统无功输出功率控制系统，其特征在于，所述调节模块进一步用于：

在第一预设时间内将组合背靠背直流输电系统直流站控的无功差额叠加至柔性直流单元无功输出功率使所述无功输出功率调节至设定值。