CN105515035A - 一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法，包括以下内容：1)逆变站采用变直流电压控制，即通过直流功率指令值确定直流电压指令值，通过直流电压指令值确定直流电压运行值；2)逆变站换流变压器分接开关和无功小组协调控制；3)整流站换流变压器分接开关与无功小组协调控制。本发明既保证了电网的安全稳定运行，又增加了背靠背直流输电系统的使用寿命。

Description

一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法

技术领域

本发明涉及一种背靠背直流输电系统控制方法，特别是涉及一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法。

背景技术

背靠背直流输电系统是指没有直流输电线路，且整流站和逆变站通常放在同一个换流站内的直流输电系统。背靠背直流输电系统具有设备制造难度小、控制灵活、投资较小等特点，在实现大区电网互惠互通，提高交流系统安全稳定水平等方面发挥了积极作用。随着电网发展，大区电网互通容量需求进一步增加，背靠背直流输电系统将在我国电网发展过程中发挥更加重要的作用。

随着灵宝、高岭和黑河背靠背直流输电系统的建设和运行，我国对背靠背直流输电系统的控制和保护方法进行了深入研究。背靠背直流输电系统整流站通过触发角控制直流电流为指令值，换流变压器分接开关控制触发角在12.5°～17.5°的正常范围运行。逆变站主要有两种控制方法：一是定熄弧角控制，逆变站熄弧角保持为17°，换流变压器分接开关控制理想空载直流电压在额定理想空载直流电压附近；定熄弧角控制方法具有以下特点：(1)整流站与逆变站耦合。逆变站交流母线电压变化将影响到整流站运行状态的变化，整流站触发角、直流电流、直流电压和无功消耗均将发生变化，进而整流站换流变压器分接开关和无功小组会发生相应操作。(2)逆变站对交流母线电压波动不具备抑制能力，进而不利于弱交流系统电压稳定。由于逆变站熄弧角不随交流母线电压变化而变化，逆变站换流变压器消耗无功几乎不随交流母线电压波动而变化，不利于抑制交流母线电压波动。(3)分接开关动作次数少。分接开关不随直流功率的变化而动作，仅随交流母线电压的变化而动作，而直流功率上升的过程中，直流电压有一定的下降，因此分接开关动作次数少。二是定直流电压控制，通过熄弧角控制直流电压为额定值，换流变压器分接开关控制熄弧角在17.5°～21.5°的指定范围内，当熄弧角小于17°时，转为定最小熄弧角控制；定直流电压控制方法具有以下特点：(1)整流站与逆变站耦合较弱，逆变站交流电压等的波动均由熄弧角平息，直流电压不变，整流站因而不受影响。(2)逆变站对交流系统电压波动有抑制功能，交流母线电压升高，熄弧角将增加，逆变站无功消耗将增加，反之亦然。(3)由于直流功率由最小功率变化到额定功率过程中，直流电压均不变，这使得分接开关需要随直流功率调节而动作，分接开关动作次数多。

背靠背直流输电系统用于电网互联，通常处于交流系统的末端，交流系统相对薄弱，即为弱交流系统。在相关控制方法下，背靠背直流输电系统在运行中暴露出一系列问题，例如2012年高岭背靠背直流输电系统出现了华北侧(逆变侧)投切一组无功小组后，东北侧无功小组和换流变压器分接开关伴随动作的问题。2014年～2015年，黑河背靠背直流输电系统也存在中方侧投切无功小组、换流变压器分接开关动作与俄方侧无功小组投切和换流变压器分接开关伴随动作的问题。另外，高岭和黑河背靠背直流输电系统还多次出现分接开关动作一档导致无功小组投切，进而分接开关向相反方向又动作一档的反复动作现象。由于换流变压器分接开关设计动作次数为20万次左右，且为内置式，更换困难；无功小组设计投切次数为5000次；换流变压器分接开关反复动作和无功小组频繁投切将直接影响背靠背直流输电系统的使用寿命和电网的安全稳定运行。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法，既保证了电网的安全稳定运行，又增加了背靠背直流输电系统的使用寿命。

为实现上述技术目的，本发明采取以下技术方案：一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法，包括以下内容：1)逆变站采用变直流电压控制，即通过直流功率指令值确定直流电压指令值，通过直流电压指令值确定直流电压运行值；2)逆变站换流变压器分接开关和无功小组协调控制，具体过程为：2.1)当逆变站熄弧角小于17.5°，逆变站换流变压器分接开关需要升一档时，先预算逆变站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组，如果会导致无功小组投入一组，则不升逆变站换流变压器分接开关，而投入一组无功小组；如果不会导致无功小组投入一档，则升逆变站换流变压器分接开关一档；2.2)当逆变站熄弧角大于21.5°，逆变站换流变压器分接开关需要降一档时，先预算逆变站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组，如果会导致无功小组切除一组，则不降逆变站换流变压器分接开关，而切除一组无功小组；如果不会导致无功小组切除一组，则降逆变站换流变压器分接开关一档；2.3)当熄弧角的范围在17.5°～19.5°时，如果计算出需要切除无功小组，则先升高分接开关档位，以使得熄弧角在19.5°以上，再切除无功小组；3)整流站换流变压器分接开关与无功小组协调控制，具体过程为：3.1)在整流站触发角小于12.5°，整流站换流变压器分接开关需要升一档时，先预算整流站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组，如果会导致无功小组投入一组，则不升整流站换流变压器分接开关，而投入一组无功小组；如果不会导致无功小组投入一档，则升整流站换流变压器分接开关一档；3.2)整流站触发角大于17.5°，整流站换流变压器分接开关需要降一档时，先预算整流站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组，如果会导致无功小组切除一组，则不降整流站换流变压器分接开关，而切除一组无功小组；如果不会导致无功小组切除一组，则降整流站换流变压器分接开关一档。

所述步骤1)逆变站采用变直流电压控制，即通过直流功率指令值确定直流电压指令值，通过直流电压指令值确定直流电压运行值，其中，直流电压指令值U_dI的确定公式为：

$U_{dI}=\frac{(U_{di0NI}{\mathrm{cos\γ}}_N+U_T)+\sqrt{{(U_{di0NI}{\mathrm{cos\γ}}_N+U_T)}^2-2(d_{xI}-d_{rI})\·U_{di0NI}{P}_{dM}/I_{dN}}}{2}$

式中，U_dI为直流电压指令值；U_di0NI为背靠背直流输电系统逆变站理想空载直流电压；γ_N为额定熄弧角；U_T为换流器前向压降；d_xI为相对感性压降；d_rI为相对阻性压降；P_dM为直流功率指令值；I_dN为额定直流电流。

所述步骤2.1)逆变站换流变压器分接开关需要升一档时，先预算逆变站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组，具体过程为：先通过计算得到逆变站换流变压器分接开关升一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv，再根据Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定逆变站换流变压器分接开关升一档后是否需要投入一组无功小组，即：当逆变站换流变压器分接开关升一档后，Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值超过无功控制死区时，说明逆变站换流变压器分接开关升一档后需要投入一组无功小组；当逆变站换流变压器分接开关升一档后，Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值没有超过无功控制死区时，说明逆变站换流变压器分接开关升一档后不需要投入一组无功小组；其中，逆变站换流变压器分接开关升一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv的计算公式为：

$Q_{dc,conv}^{\′}=\frac{1}{2}\·\frac{2\·{\mathrm{\μ}}^{\′}+\sin 2{\mathrm{\γ}}^{\′}-\sin 2\left({\mathrm{\γ}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}{{\mathrm{cos\γ}}^{\′}-\cos ({\mathrm{\γ}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′})}\·I_d\·U_{di0I}^{\′}$

式中，Q′_dc,conv为逆变站换流变压器的无功消耗；μ′为换相角；γ′为熄弧角；I_d为直流电流；U′_di0I为理想空载直流电压。

所述步骤2.2)逆变站换流变压器分接开关需要降一档时，先预算逆变站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组，具体过程为：先通过计算得到逆变站换流变压器分接开关降一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv；再根据Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定逆变站换流变压器分接开关降一档后是否需要切除一组无功小组，即：当逆变站换流变压器分接开关降一档后，Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值超过无功控制死区时，说明逆变站换流变压器分接开关降一档后需要切除一组无功小组；当逆变站换流变压器分接开关降一档后，Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值没有超过无功控制死区时，说明逆变站换流变压器分接开关降一档后不需要切除一组无功小组；其中，逆变站换流变压器分接开关降一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv的计算公式为：

$Q_{dc,conv}^{\′}=\frac{1}{2}\·\frac{2\·{\mathrm{\μ}}^{\′}+\sin 2{\mathrm{\γ}}^{\′}-\sin 2\left({\mathrm{\γ}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}{{\mathrm{cos\γ}}^{\′}-\cos ({\mathrm{\γ}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′})}\·I_d\·U_{di0I}^{\′}$

式中，Q′_dc,conv为逆变站换流变压器的无功消耗；μ′为换相角；γ′为熄弧角；I_d为直流电流；U′_di0I为理想空载直流电压。

所述步骤3.1)整流站换流变压器分接开关需要升一档时，先预算整流站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组，具体过程为：先通过计算得到整流站换流变压器分接开关升一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv，再根据整流站换流变压器分接开关升一档后的整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定整流站换流变压器分接开关升一档后是否需要投入一组无功小组，即：当整流站换流变压器分接开关升一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关升一档后需要投入一组无功小组；当整流站换流变压器分接开关升一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值没有超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关升一档后不需要投入一组无功小组；其中，整流站换流变压器分接开关升一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv的计算公式为：

$Q_{dc,conv}^{\′}=\frac{1}{2}\·\frac{2\·{\mathrm{\μ}}^{\′}+\sin 2{\mathrm{\α}}^{\′}-\sin 2\left({\mathrm{\α}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}{{\mathrm{cos\α}}^{\′}-\cos ({\mathrm{\α}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′})}\·I_d\·U_{di0R}^{\′}$

式中，Q′_dc,conv为整流站换流变压器的无功消耗；μ′为换相角；α′为触发角；I_d为直流电流；U′_di0R为理想空载直流电压。

所述步骤3.2)整流站换流变压器分接开关需要降一档时，先预算整流站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组，具体过程为：先通过计算得到整流站换流变压器分接开关降一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv；再根据整流站换流变压器分接开关降一档后的整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定整流站换流变压器分接开关降一档后是否需要切除一组无功小组，即：当整流站换流变压器分接开关降一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关降一档后需要切除一组无功小组；当整流站换流变压器分接开关降一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值没有超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关降一档后不需要切除一组无功小组；其中，整流站换流变压器分接开关降一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv的计算公式为：

$Q_{dc,conv}^{\′}=\frac{1}{2}\·\frac{2\·{\mathrm{\μ}}^{\′}+\sin 2{\mathrm{\α}}^{\′}-\sin 2\left({\mathrm{\α}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}{{\mathrm{cos\α}}^{\′}-\cos ({\mathrm{\α}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′})}\·I_d\·U_{di0R}^{\′}$

式中，Q′_dc,conv为整流站换流变压器的无功消耗；μ′为换相角；α′为触发角；I_d为直流电流；U′_di0R为理想空载直流电压。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明逆变站采用变电压控制，直流电压指令值随直流功率的上升会缓慢下降，这使得逆变站具备了抑制交流母线电压波动的特点，有利于减小逆变站无功小组投切、交流系统运行方式变化等导致的换流母线电压波动，也提高了接入弱交流系统时逆变站交流系统的电压稳定水平，保证了电网的安全稳定运行。2、本发明逆变站采用变电压控制，直流电压指令值随直流功率的上升会缓慢下降，这使得背靠背直流输电系统的整流站和逆变站解耦，逆变站分接开关动作、无功小组投切不会影响整流站的稳态运行方式，保证了电网的安全稳定运行。3、本发明逆变站采用变电压控制，直流电压指令值的确定方法使得整流站和逆变站换流变压器分接开关基本不会因为直流功率的变化而动作，分接开关仅仅需要根据交流母线电压波动而动作，动作次数大大减少。4、本发明的整流站无功小组和换流变压器分接开关协调控制，进一步减少了分接开关动作次数，有效防止了分接开关动作导致分接开关和交流滤波器频繁投切的问题，增加了背靠背直流输电系统的使用寿命。5、本发明的逆变站无功小组和换流变压器分接开关协调控制，进一步减少了分接开关动作次数，有效防止了分接开关动作导致分接开关和交流滤波器频繁投切的问题，增加了背靠背直流输电系统的使用寿命。本发明可以实现背靠背直流输电系统整流站和逆变站的解耦，改善逆变站对交流母线电压波动的抑制作用，使得背靠背直流输电系统更加适应弱交流系统的应用需求，同时通过换流变压器分接开关和无功小组的协调控制，减少分接开关和无功小组的动作次数，对后续背靠背直流工程的推广应用以及常规直流控制方法的改进具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实例中逆变站采用定熄弧角控制时投入无功小组时运行状态曲线示意图，其中，(a)为整流侧触发角运行状态曲线示意图，纵坐标表示整流侧触发角的运行状态，单位是°(度)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(b)为直流电流运行状态曲线示意图，纵坐标表示直流电流的运行状态，单位是kA(千安)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(c)为直流电压运行状态曲线示意图，纵坐标表示直流电压的运行状态，单位是kV(千伏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(d)为逆变侧交流电压运行状态曲线示意图，纵坐标表示逆变侧交流电压的运行状态，单位是kV(千伏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(e)为熄弧角运行状态曲线示意图，纵坐标熄弧角的运行状态，单位是°(度)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(f)为与系统无功交换状态曲线示意图，纵坐标表示与系统无功交换的状态，单位是Mvar(兆乏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(g)为交流滤波器发出无功状态曲线示意图，纵坐标表示交流滤波器发出无功的状态，单位是Mvar(兆乏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；

图2为本发明实例中逆变站采用变直流电压控制时投入无功小组时运行状态曲线示意图；其中，(a)为整流侧触发角运行状态曲线示意图，纵坐标表示整流侧触发角的运行状态，单位是°(度)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(b)为直流电流运行状态曲线示意图，纵坐标表示直流电流的运行状态，单位是kA(千安)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(c)为直流电压运行状态曲线示意图，纵坐标表示直流电压的运行状态，单位是kV(千伏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(d)为逆变侧交流电压运行状态曲线示意图，纵坐标表示逆变侧交流电压的运行状态，单位是kV(千伏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(e)为熄弧角运行状态曲线示意图，纵坐标熄弧角的运行状态，单位是°(度)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(f)为与系统无功交换状态曲线示意图，纵坐标表示与系统无功交换的状态，单位是Mvar(兆乏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(g)为交流滤波器发出无功状态曲线示意图，纵坐标表示交流滤波器发出无功的状态，单位是Mvar(兆乏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；

图3为本发明实例中整流站未采用无功小组和换流变压器分接开关协调控制时分接开关升一档后反复动作的仿真曲线示意图；其中，(a)为整流侧触发角运行状态曲线示意图，纵坐标表示整流侧触发角的运行状态，单位是°(度)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(b)为直流电压运行状态曲线示意图，纵坐标表示直流电压的运行状态，单位是kV(千伏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(c)为整流侧与系统交换无功状态曲线示意图，纵坐标表示整流侧与系统交换无功的状态，单位是Mvar(兆乏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(d)为直流功率曲线示意图，纵坐标表示直流功率状态，单位是MW(兆瓦)，横坐标表示时间，单位是s(秒)；(e)为整流侧交流母线电压曲线示意图，纵坐标表示整流侧交流母线电压状态，单位是kV(千伏)，横坐标表示时间，单位是s(秒)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明的接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法，包括以下步骤：

1、逆变站采用变直流电压控制；直流电压指令值由直流功率指令值确定，直流功率指令值变化，直流电压指令值相应变化；通过调节熄弧角控制，使背靠背直流输电系统的直流电压运行值等于直流电压指令值；其中，直流电压指令值U_dI的确定公式为：

$U_{dI}=\frac{(U_{di0NI}{\mathrm{cos\γ}}_N+U_T)+\sqrt{{(U_{di0NI}{\mathrm{cos\γ}}_N+U_T)}^2-2(d_{xI}-d_{rI})\·U_{di0NI}{P}_{dM}/I_{dN}}}{2}---\left(1\right)$

式中，U_dI为直流电压指令值；U_di0NI为背靠背直流输电系统逆变站理想空载直流电压；γ_N为额定熄弧角，一般为19.5°；U_T为换流器前向压降；d_xI为相对感性压降；d_rI为相对阻性压降；P_dM为直流功率指令值；I_dN为额定直流电流；

根据式(1)，当背靠背直流输电系统的直流功率指令值P_dM增大时，直流电压指令值U_dI将减小，背靠背直流输电系统的直流电压运行值也将下降，这是变直流电压控制的关键；

2、逆变站换流变压器分接开关和无功小组协调控制，在保证熄弧角运行在正常范围内、换流站无功平衡的前提下，减少逆变站换流变压器分接开关的动作次数与无功小组的投切次数，具体过程为：

(1)当逆变站熄弧角小于17.5°，逆变站换流变压器分接开关需要升一档时，先预算逆变站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组，如果会导致无功小组投入一组，则不升逆变站换流变压器分接开关，而投入一组无功小组；如果不会导致无功小组投入一档，则升逆变站换流变压器分接开关一档，其中：

逆变站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组的预算方法为：假设逆变站换流变压器分接开关升一档，忽略交流母线电压的变化，计算得到逆变站换流变压器分接开关升一档后的理想空载直流电压U′_di0I、熄弧角γ′、换相角μ′，进一步计算得到逆变站换流变压器分接开关升一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv，并根据逆变站换流变压器分接开关升一档后的逆变站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定逆变站换流变压器分接开关升一档后是否需要投入一组无功小组，具体过程为：

当逆变站换流变压器分接开关升一档后，逆变站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值超过无功控制死区(控制系统中用来确定无功小组是否进行投切的参数)时，说明逆变站换流变压器分接开关升一档后需要投入一组无功小组；

当逆变站换流变压器分接开关升一档后，逆变站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值没有超过无功控制死区(控制系统中用来确定无功小组是否进行投切的参数)时，说明逆变站换流变压器分接开关升一档后不需要投入一组无功小组；

其中，逆变站换流变压器分接开关升一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv的计算公式为：

$Q_{dc,conv}^{\′}=\frac{1}{2}\·\frac{2\·{\mathrm{\μ}}^{\′}+\sin 2{\mathrm{\γ}}^{\′}-\sin 2\left({\mathrm{\γ}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}{{\mathrm{cos\γ}}^{\′}-\cos ({\mathrm{\γ}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′})}\·I_d\·U_{di0I}^{\′}---\left(2\right)$

式中，Q′_dc,conv为逆变站换流变压器的无功消耗；μ′为换相角；γ′为熄弧角；I_d为直流电流；U′_di0I为理想空载直流电压；

(2)当逆变站熄弧角大于21.5°，逆变站换流变压器分接开关需要降一档时，先预算逆变站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组，如果会导致无功小组切除一组，则不降逆变站换流变压器分接开关，而切除一组无功小组；如果不会导致无功小组切除一组，则降逆变站换流变压器分接开关一档，其中：

逆变站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组的预算方法为：假设逆变站换流变压器分接开关降一档，忽略交流母线电压的变化，计算得到逆变站换流变压器分接开关降一档后的理想空载直流电压U′_di0I、熄弧角γ′、换相角μ′，进一步根据式(2)计算得到逆变站换流变压器分接开关降一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv；根据逆变站换流变压器分接开关降一档后的逆变站换流器无功消耗量Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定逆变站换流变压器分接开关降一档后是否需要切除一组无功小组，具体过程为：

当逆变站换流变压器分接开关降一档后，逆变站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值超过无功控制死区时，说明逆变站换流变压器分接开关降一档后需要切除一组无功小组；

当逆变站换流变压器分接开关降一档后，逆变站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值没有超过无功控制死区时，说明逆变站换流变压器分接开关降一档后不需要切除一组无功小组；

(3)当熄弧角的范围在17.5°～19.5°时，如果计算出需要切除无功小组，则先升高分接开关档位，以使得熄弧角在19.5°以上，再切除无功小组；这样做的目的是避免直接切除无功小组，引起熄弧角小于17°，而转为定最小熄弧角控制，进而导致整流站与逆变站耦合现象的发生；

3、整流站换流变压器分接开关与无功小组协调控制，在保证触发角运行在正常范围内、换流站无功平衡的前提下，减少整流站换流变压器分接开关的动作次数与无功小组的投切次数，具体过程为：

(1)在整流站触发角小于12.5°，整流站换流变压器分接开关需要升一档时，先预算整流站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组，如果会导致无功小组投入一组，则不升整流站换流变压器分接开关，而投入一组无功小组；如果不会导致无功小组投入一档，则升整流站换流变压器分接开关一档；其中：

整流站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组的预算方法为：假设整流站换流变压器分接开关升一档，忽略交流母线电压的变化，计算得到整流站换流变压器分接开关升一档后的理想空载直流电压U′_di0R、触发角α′、换相角μ′，进一步计算得到整流站换流变压器分接开关升一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv，根据整流站换流变压器分接开关升一档后的整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定整流站换流变压器分接开关升一档后是否需要投入一组无功小组，具体过程为：

当整流站换流变压器分接开关升一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关升一档后需要投入一组无功小组；

当整流站换流变压器分接开关升一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值没有超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关升一档后不需要投入一组无功小组；

其中，整流站换流变压器分接开关升一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv的计算公式为：

$Q_{dc,conv}^{\′}=\frac{1}{2}\·\frac{2\·{\mathrm{\μ}}^{\′}+\sin 2{\mathrm{\α}}^{\′}-\sin 2\left({\mathrm{\α}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}{{\mathrm{cos\α}}^{\′}-\cos ({\mathrm{\α}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′})}\·I_d\·U_{di0R}^{\′}---\left(3\right)$

式中，Q′_dc,conv为整流站换流变压器的无功消耗；μ′为换相角；α′为触发角；I_d为直流电流；U′_di0R为理想空载直流电压；

(2)整流站触发角大于17.5°，整流站换流变压器分接开关需要降一档时，先预算整流站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组，如果会导致无功小组切除一组，则不降整流站换流变压器分接开关，而切除一组无功小组；如果不会导致无功小组切除一组，则降整流站换流变压器分接开关一档；其中：

整流站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组的预算方法为：假设整流站换流变压器分接开关降一档，忽略交流母线电压的变化，计算得到整流站换流变压器分接开关降一档后的理想空载直流电压U′_di0R、触发角α′、换相角μ′，进一步根据式(3)计算得到整流站换流变压器分接开关降一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv；根据整流站换流变压器分接开关降一档后的整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定整流站换流变压器分接开关降一档后是否需要切除一组无功小组，具体过程为：

当整流站换流变压器分接开关降一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关降一档后需要切除一组无功小组；

当整流站换流变压器分接开关降一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值没有超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关降一档后不需要切除一组无功小组。

下面通过不同实施方法的对比来详细说明本发明的接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法的特点：

某背靠背直流输电系统额定功率为2000MW，由两个背靠背换流变压器单元组成，每个换流变压器单元的额定功率均为1000MW，额定直流电压均为±100kV，额定直流电流均为5000A，换流变压器阻抗均为16％，为了方便比较，两侧弱交流系统的短路容量均按6000MVA考虑，短路比均为3，整流站和逆变站的无功投切控制的死区均为80Mvar，即从弱交流系统吸收无功超过80Mvar，就投入一组无功小组，注入弱交流系统无功超过80Mvar，就切除一组无功小组，以此背靠背直流输电系统为例进行说明，具体如下：

1、该背靠背直流输电系统的逆变站采用变直流电压控制；

根据该背靠背直流输电系统的额定参数，计算得出整流站额定理想空载直流电压U_di0R为113.86kV，逆变站额定理想空载直流电压U_di0I为115.28kV，根据式(1)计算得到直流功率P_d从0.1pu到1.0pu过程中的直流电压指令值U_d如表1第2列所示；由表1可见，直流电压随着直流功率的增加逐渐降低，在0.1pu时为108.1kV，在1.0pu时为100kV。根据稳态运行参数计算，在直流功率变化过程中，逆变站熄弧角γ始终为19.5°，逆变站换流变压器分接开关Tc_I均为0档，逆变站换流变压器分接开关没有直流功率的变化而升降。整流站触发角α仅由16.56°降到15.40°，整流站换流变压器分接开关Tc_R均为1档，整流站换流变压器分接开关没有随直流功率的变化而升降。

表1逆变站采用变直流电压控制的背靠背直流输电系统的稳态运行参数

Pd(MW)	UdI(kV)	Id(A)	Udi0R(kV)	Udi0I(kV)	α(°)	γ(°)	TcR	TcI
									100	108.1	463	113.86	115.28	16.56	19.5	1	0
200	107.2	933	113.86	115.28	16.44	19.5	1	0
									300	106.4	1410	113.86	115.28	16.32	19.5	1	0
400	105.5	1896	113.86	115.28	16.20	19.5	1	0
									500	104.6	2389	113.86	115.28	16.08	19.5	1	0
600	103.7	2892	113.86	115.28	15.95	19.5	1	0
									700	102.8	3404	113.86	115.28	15.82	19.5	1	0
800	101.9	3925	113.86	115.28	15.68	19.5	1	0
									900	101.0	4457	113.86	115.28	15.54	19.5	1	0
1000	100	5000	113.86	115.28	15.40	19.5	1	0

当该背靠背直流输电系统直流功率运行在2000MW时，逆变站投入一组无功小组(105Mvar)，如果逆变站采用定熄弧角控制，其相关状态变量变化曲线，如图1所示，由于采用定熄弧角控制，投入无功小组后，逆变站熄弧角始终维持17°不变；投入无功小组后，逆变站交流电压上升了13kV；逆变侧交流滤波器发出总无功由1000Mvar上升到1159Mvar；由于熄弧角维持17°不变，交流电压升高后，直流电压相应升高2.6kV；为维持直流功率不变，整流站触发角降低2.5°，直流电流降低0.13kA，整流站运行状态受到了明显影响。如果逆变站采用变直流电压控制，其相关状态变量变化曲线，如图2所示，由于采用定直流电压控制，在逆变侧投入一组无功小组后，逆变站交流滤波器发出无功由995Mvar上升到1118Mvar；逆变站交流母线电压上升6kV；投入无功小组后，直流电压经过一个暂态过程后恢复到100kV；逆变站熄弧角由投入无功小组前的17.7°上升到20.1°；由于直流电压经历一个暂态过程后就恢复到100kV，整流站触发角也是经历一个下降过程后恢复到15.8°，直流电流也恢复到投入无功小组前的5006A。

2、该背靠背直流输电系统的整流站换流变压器分接开关和无功小组协调控制；

当整流站换流变压器分接开关和无功小组不采取协调控制方法时，其相关状态变量变化曲线，如图3所示，随着直流功率由670MW缓慢上升至690MW，直流电压参考值会缓慢下降，由106kV下降至105.8kV；随着直流功率的缓慢上升，整流侧触发角也在缓慢下降，当整流侧触发角小于12.5°时，分接开关上调一档；分接开关上升一档后，整流站从系统吸收的无功功率由71Mvar上升至106Mvar，超过无功控制的死区80Mvar，进而引发无功小组投入；在无功小组投入后，交流母线电压上升约8kV，导致触发角上升约3°，进而到17.8°，显然超过了17.5°，进而分接开关又下调一档。显而易见地，此过程中，分接开关先上调一档，后下调一档，增加了分接开关的动作次数。

当整流站换流变压器分接开关和无功小组采取协调控制方法时，先根据式(3)计算分接开关上升一档后的换流器无功消耗增加量为每个单元14Mvar，两个单元共增加28Mvar无功消耗，换流站从弱交流系统吸收无功将从71Mvar上升到99Mvar,这样，分接开关如果上升一档后，整流站从弱交流系统吸收的无功将上升至99Mvar，超过无功控制死区80Mvar，一定会投入一组无功小组，因此，应该先投入一组无功小组，无功小组投入后，由于换流母线电压升高，触发角相应增加至15.5°，这样换流变压器分接开关就不会动作。因此，在初始运行状态下，利用整流站换流变压器分接开关和无功小组采取协调控制方法，只用投入一组无功小组，背靠背直流输电系统就直接由图3中的初始状态达到最终状态，减少了换流变压器分接开关的动作。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法，其特征在于：包括以下内容：

1)逆变站采用变直流电压控制，即通过直流功率指令值确定直流电压指令值，通过直流电压指令值确定直流电压运行值；

2)逆变站换流变压器分接开关和无功小组协调控制，具体过程为：

2.1)当逆变站熄弧角小于17.5°，逆变站换流变压器分接开关需要升一档时，先预算逆变站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组，如果会导致无功小组投入一组，则不升逆变站换流变压器分接开关，而投入一组无功小组；如果不会导致无功小组投入一档，则升逆变站换流变压器分接开关一档；

2.2)当逆变站熄弧角大于21.5°，逆变站换流变压器分接开关需要降一档时，先预算逆变站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组，如果会导致无功小组切除一组，则不降逆变站换流变压器分接开关，而切除一组无功小组；如果不会导致无功小组切除一组，则降逆变站换流变压器分接开关一档；

2.3)当熄弧角的范围在17.5°～19.5°时，如果计算出需要切除无功小组，则先升高分接开关档位，以使得熄弧角在19.5°以上，再切除无功小组；

3)整流站换流变压器分接开关与无功小组协调控制，具体过程为：

3.1)在整流站触发角小于12.5°，整流站换流变压器分接开关需要升一档时，先预算整流站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组，如果会导致无功小组投入一组，则不升整流站换流变压器分接开关，而投入一组无功小组；如果不会导致无功小组投入一档，则升整流站换流变压器分接开关一档；

3.2)整流站触发角大于17.5°，整流站换流变压器分接开关需要降一档时，先预算整流站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组，如果会导致无功小组切除一组，则不降整流站换流变压器分接开关，而切除一组无功小组；如果不会导致无功小组切除一组，则降整流站换流变压器分接开关一档。

2.如权利要求1所述的一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法，其特征在于：所述步骤1)逆变站采用变直流电压控制，即通过直流功率指令值确定直流电压指令值，通过直流电压指令值确定直流电压运行值，其中，直流电压指令值U_dI的确定公式为：

$U_{dI}=\frac{(U_{di0NI}{\mathrm{cos\γ}}_N+U_T)+\sqrt{{(U_{di0NI}{\mathrm{cos\γ}}_N+U_T)}^2-2(d_{xI}-d_{rI})\·U_{di0NI}{P}_{dM}/I_{dN}}}{2}$

式中，U_dI为直流电压指令值；U_di0NI为背靠背直流输电系统逆变站理想空载直流电压；γ_N为额定熄弧角；U_T为换流器前向压降；d_xI为相对感性压降；d_rI为相对阻性压降；P_dM为直流功率指令值；I_dN为额定直流电流。

3.如权利要求2所述的一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法，其特征在于：所述步骤2.1)逆变站换流变压器分接开关需要升一档时，先预算逆变站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组，具体过程为：

先通过计算得到逆变站换流变压器分接开关升一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv，再根据Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定逆变站换流变压器分接开关升一档后是否需要投入一组无功小组，即：当逆变站换流变压器分接开关升一档后，Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值超过无功控制死区时，说明逆变站换流变压器分接开关升一档后需要投入一组无功小组；当逆变站换流变压器分接开关升一档后，Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值没有超过无功控制死区时，说明逆变站换流变压器分接开关升一档后不需要投入一组无功小组；其中，逆变站换流变压器分接开关升一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv的计算公式为：

$Q_{dc,conv}^{\′}=\frac{1}{2}\·\frac{2\·{\mathrm{\μ}}^{\′}+\sin 2{\mathrm{\γ}}^{\′}-\sin 2\left({\mathrm{\γ}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}{{\mathrm{cos\γ}}^{\′}-\cos \left({\mathrm{\γ}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}\·I_d\·U_{di0I}^{\′}$

式中，Q′_dc,conv为逆变站换流变压器的无功消耗；μ′为换相角；γ′为熄弧角；I_d为直流电流；U′_di0I为理想空载直流电压。

4.如权利要求3所述的一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法，其特征在于：所述步骤2.2)逆变站换流变压器分接开关需要降一档时，先预算逆变站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组，具体过程为：

先通过计算得到逆变站换流变压器分接开关降一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv；再根据Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定逆变站换流变压器分接开关降一档后是否需要切除一组无功小组，即：当逆变站换流变压器分接开关降一档后，Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值超过无功控制死区时，说明逆变站换流变压器分接开关降一档后需要切除一组无功小组；当逆变站换流变压器分接开关降一档后，Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值没有超过无功控制死区时，说明逆变站换流变压器分接开关降一档后不需要切除一组无功小组；其中，逆变站换流变压器分接开关降一档后的逆变站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv的计算公式为：

$Q_{dc,conv}^{\′}=\frac{1}{2}\·\frac{2\·{\mathrm{\μ}}^{\′}+\sin 2{\mathrm{\γ}}^{\′}-\sin 2\left({\mathrm{\γ}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}{{\mathrm{cos\γ}}^{\′}-\cos \left({\mathrm{\γ}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}\·I_d\·U_{di0I}^{\′}$

式中，Q′_dc,conv为逆变站换流变压器的无功消耗；μ′为换相角；γ′为熄弧角；I_d为直流电流；U′_di0I为理想空载直流电压。

5.如权利要求4所述的一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法，其特征在于：所述步骤3.1)整流站换流变压器分接开关需要升一档时，先预算整流站换流变压器分接开关升一档后是否会导致无功小组投入一组，具体过程为：

先通过计算得到整流站换流变压器分接开关升一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv，再根据整流站换流变压器分接开关升一档后的整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定整流站换流变压器分接开关升一档后是否需要投入一组无功小组，即：当整流站换流变压器分接开关升一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关升一档后需要投入一组无功小组；当整流站换流变压器分接开关升一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量大的值没有超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关升一档后不需要投入一组无功小组；

其中，整流站换流变压器分接开关升一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv的计算公式为：

$Q_{dc,conv}^{\′}=\frac{1}{2}\·\frac{2\·{\mathrm{\μ}}^{\′}+\sin 2{\mathrm{\α}}^{\′}-\sin 2\left({\mathrm{\α}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}{{\mathrm{cos\α}}^{\′}-\cos \left({\mathrm{\α}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}\·I_d\·U_{di0R}^{\′}$

式中，Q′_dc,conv为整流站换流变压器的无功消耗；μ′为换相角；α′为触发角；I_d为直流电流；U′_di0R为理想空载直流电压。

6.如权利要求5所述的一种接入弱交流系统的背靠背直流输电系统控制方法，其特征在于：所述步骤3.2)整流站换流变压器分接开关需要降一档时，先预算整流站换流变压器分接开关降一档后是否会导致无功小组切除一组，具体过程为：

先通过计算得到整流站换流变压器分接开关降一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv；再根据整流站换流变压器分接开关降一档后的整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv和无功小组已投入总量，确定整流站换流变压器分接开关降一档后是否需要切除一组无功小组，即：当整流站换流变压器分接开关降一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关降一档后需要切除一组无功小组；当整流站换流变压器分接开关降一档后，整流站换流变压器无功消耗量Q′_dc,conv比无功小组已投入总量小的值没有超过无功控制死区时，说明整流站换流变压器分接开关降一档后不需要切除一组无功小组；

其中，整流站换流变压器分接开关降一档后的整流站换流变压器的无功消耗Q′_dc,conv的计算公式为：

$Q_{dc,conv}^{\′}=\frac{1}{2}\·\frac{2\·{\mathrm{\μ}}^{\′}+\sin 2{\mathrm{\α}}^{\′}-\sin 2\left({\mathrm{\α}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}{{\mathrm{cos\α}}^{\′}-\cos \left({\mathrm{\α}}^{\′}+{\mathrm{\μ}}^{\′}\right)}\·I_d\·U_{di0R}^{\′}$

式中，Q′_dc,conv为整流站换流变压器的无功消耗；μ′为换相角；α′为触发角；I_d为直流电流；U′_di0R为理想空载直流电压。