CN105958504B - 一种减少换相失败的统一潮流控制器无功补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种减少换相失败的统一潮流控制器无功补偿方法，步骤包括：搭建详细电网模型，然后在各种典型故障下分别进行暂态仿真，分别计算逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压，根据会导致换相失败发生的条件，确定熄弧角和换流母线电压的约束极限，并确定当前电网会导致换相失败的故障集；然后提高并联侧补偿参考值，并确定是否超过调节极限；再确定新的故障集，判断故障集是否为空，最后得到应用于实际电网的UPFC无功补偿方案。本发明通过对当前电网进行仿真控制确定合适的UPFC补偿方案，能够覆盖各类故障，减小交流电网故障后对特高压直流的影响，减少可能导致换相失败的故障线路，从而提高特高压直流接入的电网安全性和稳定性。

Description

一种减少换相失败的统一潮流控制器无功补偿方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制技术领域，特别是一种减少换相失败的统一潮流控制器无功补偿方法。

背景技术

换相失败是高压直流输电系统的常见故障之一，当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕，被换相的阀将会在阀电压转变为正向时，向原来预定退出导通的阀倒换相，这称为换相失败。换相失败故障将导致直流电压下降和直流电流增大，若采取的控制措施不当，还会引发连续的换相失败，严重时会导致直流系统闭锁，中断功率传输。影响系统稳定运行。因此如何避免换相失败发生并在故障后使直流系统平稳而快速地恢复，是保证日益扩大的交直流并联系统安全运行的重要课题。

电压降落幅度是导致换相失败的决定因素。一般交流故障引起的暂态电压跌落以及故障后电压过低，无法恢复到正常范围内或者是某种极限潮流下的电压崩溃都会导致换相失败。为此，换相失败的预防措施主要是提高电网故障下电压水平，防止电压跌落。

目前，在受端系统较弱的情况下可以考虑使用具有暂态无功支撑能力的补偿装置，如同步调相机(SC)、静止同步补偿器(SVG)等，二者都可以增加交流系统短路容量，有助于直流系统在故障切除后恢复。但是，这些装置都有很大的局限性：

1)响应时间不足，故障瞬间能够提供的无功支撑响应难以应对暂态复杂快速的变化；

2)这些装置功能单一，仅能提供无功支撑，对于极限有功潮流导致的电压崩溃无能为力。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：通过对当前电网进行仿真，确定合适的利用统一潮流控制器(UPFC)作为减少换相失败的无功补偿设备的方案，然后应用于实际电网中，以增加系统的短路比降低系统对故障的敏感度，解决弱受端电网抵御外界故障能力较弱的问题，能够适用于系统各种故障情况下的控制，并减少故障期间控制的复杂性，且成本较低。

本发明采取的技术方案具体为：一种减少换相失败的统一潮流控制器无功补偿方法，电网中接入有特高压直流，并通过接入UPFC作为无功补偿设备；方法包括以下步骤：

步骤S1，基于电网的实时运行数据，根据UPFC和特高压直流输电的原理搭建含UPFC和特高压直流接入的详细电网模型；

步骤S2，在电网各种典型故障下分别对已搭建的详细电网模型进行暂态仿真，获取各种故障下的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压；

步骤S3，确定逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压的约束极限，然后根据上述约束极限确定当前电网中会导致换相失败的故障集以及对应的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压集合；所述约束极限根据会导致换相失败发生的条件来确定，为现有技术；

步骤S4，计算当前电网若要减少换相失败所需的并联侧补偿参考值，作为UPFC的加装容量，然后确定补偿后是否超过UPFC自身的调节极限，若不超过调节极限则执行步骤S5；若超过调节极限，则在S3得到的会导致换相失败的故障集的中心加装与电网已有UPFC同等容量的UPFC，然后返回步骤S2；

步骤S5，判断补偿后的电网模型的故障集是否为空，若为空则执行步骤S6，若不为空返回到步骤S2；

步骤S6，输出UPFC无功补偿方案，用于实际电网的无功补偿；所述UPFC无功补偿方案包括UPFC加装的容量，或者UPFC加装的位置和容量。

若经步骤S4计算出的并联侧补偿参考值在加装后不超出UPFC自身的调节极限，且补偿后暂态输出的故障集为空，则用于实际电网的无功补偿方案为步骤S4计算得到的UPFC加装容量，即并联侧补偿参考值；若最终达到并联侧补偿参考值在加装后不超出UPFC自身的调节极限，同时暂态输出的故障集为空的过程中，进行了故障集中心的UPFC加装，则用于实际电网的无功补偿方案即全部UPFC加装的位置和容量。

进一步的，本发明步骤S1中，作为研究对象的电网必须同时接入有UPFC和特高压直流并且具有省级电网及以上规模。所述电网的实时运行数据包括：特高压直流运行的电压、电流、整流侧触发角和逆变侧熄弧角，电网网架参数，UPFC直流侧电压，并联侧和串联侧调制比，UPFC并联侧和串联侧容量。根据上述实时运行数据进行电网模型的搭建为现有技术。

详细电网模型中设有UPFC控制保护装置和特高压直流控制保护装置，且含UPFC和特高压直流接入的详细电网模型采用的是真实的UPFC控制保护装置和特高压直流控制保护装置。

步骤S2中，所述电网各种典型故障包括：单相接地、相间故障、三相接地、跨线故障、变压器故障。暂态仿真可采用现有的RTDS仿真软件；通过暂态仿真，得到逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压。

定义步骤S2中各站点逆变侧换流站熄弧角分别为γ₁,γ₂,…γ_n和换流站交流母线电压分别为V₁,V₂,…V_n；

步骤S3中，所述约束极限为：逆变侧换流站熄弧角γ满足：

γ<13° (1)

换流站交流母线电压V满足：

V<0.8V_s (2)

其中：V_s为换流站母线电压额定值；

同时满足(1)和(2)的故障认为会导致换相失败，将这些故障组成的故障集记做f₁,f₂,…f_m，这些故障对应的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压集合分别为r₁,r₂,…r_m和v₁,v₂,…v_n。

步骤S4中，并联侧补偿参考值Q_n的方法为：

V_min＝Min{v₁,v₂,…v_m} (6)

V_max＝Max{v₁,v₂,…v_m} (7)

其中：V_s为换流站母线电压额定值，S_ac为换流站交流母线处短路容量，V_max和V_min分别为步骤S3中确定的会导致换相失败的故障对应的换流站交流母线电压集合中的最大值和最小值，Q₀为UPFC并联补偿的初始值。

步骤S4中，所述会导致换相失败的故障集的中心为：

若故障集为f₁,f₂,…f_m，以目前电网中UPFC的位置为二维平面坐标系的坐标原点(0,0)，则故障集f₁,f₂,…f_m中每个故障对应实际的故障地理位置相对坐标原点都有一个二维坐标(x₁,y₁),(x₂,y₂),…(x_m,y_m)，在二维平面上做一个圆形并且保证圆的边缘能覆盖所有坐标点，这个圆形的圆心位置即故障集的中心，也即新加装UPFC的位置。新加装的UPFC容量与电网已有UPFC容量相同。

本发明的有益效果为：利用仿真模型获取电网的UPFC补偿方案，考虑了UPFC并联侧无功补偿对电网无功电压的支撑作用，能够覆盖各类故障，提高UPFC控制方法的适应性；并联侧无功补偿计算方法和加装UPFC的站址选择方法减少了UPFC站址选择的盲目和投资的浪费，提高了设备经济性和合理性；在直流近区故障后保证设备调节经济性和合理性，同时优化故障后的UPFC运行控制方法，减小交流电网故障后对特高压直流的影响，有效减少可能导致换相失败的故障线路，从而可以提高特高压直流接入的电网安全性和稳定性。本成果弥补了国内在以减少特高压直流换相失败为目标的UPFC运行控制方面技术的空白，为UPFC和特高压直流接入的电网调控提供新的思路。

附图说明

图1是本发明方法流程示意图；

图2是本发明一种具体实施例即苏南地区电网案例模型图；

图3是本发明实施例对应的UPFC控制保护系统仿真结构示意图；

图4是本发明实施例对应的特高压直流控制保护系统仿真结构示意图；

图5是本发明实施例对应的故障中心的确定方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

参考图2，作为本发明研究对象的电网中接入有特高压直流，并通过接入UPFC作为无功补偿设备。

如图1，本发明减少换相失败的统一潮流控制器无功补偿方法，包括以下步骤：

步骤S1，基于电网的实时运行数据，根据UPFC和特高压直流输电的原理搭建含UPFC和特高压直流接入的详细电网模型；已搭建的详细电网模型中设有UPFC控制保护装置和特高压直流控制保护装置，且皆为真实的UPFC控制保护装置和特高压直流控制保护装置；

步骤S2，在电网各种典型故障下分别对已搭建的详细电网模型进行暂态仿真，获取各种故障下的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压；所述暂态仿真包括对电网各个站点线路的各种典型故障进行仿真，典型故障包括单相接地、相间故障、三相接地、跨线故障和变压器故障等；

步骤S3，根据会导致换相失败发生的条件，确定逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压的约束极限，然后根据上述约束极限确定当前电网中会导致换相失败的故障集以及对应的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压集合；故障集中的数据也就是步骤S2得到的仿真结果中会导致换相失败的故障对应的电网站点或线路，及其对应的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压数据；

步骤S4，计算并联侧补偿参考值，并确定是否超过调节极限，若不超过调节极限执行步骤S5；若超过调节极限，在S3得到的会导致换相失败的故障集的中心加装同等容量的UPFC，返回步骤S2；

步骤S5，判断当前的故障集是否为空，若为空则执行步骤S6，若不空返回到步骤S2；若无功补偿足够，则不会出现能导致换相失败的故障，进行暂态仿真后所得到的故障集就是空的；

步骤S6，输出得到减少换相失败的统一潮流控制器运行控制方法。

实施例

结合图2至图5，以苏州南部电网为例进行仿真计算，苏州地区重要的电源就是锦苏特高压直流，苏南地区500kV网络拓扑示意图如图2所示，图2中所示苏州换流站作为锦苏特高压直流在江苏落点承担苏州南部电网主要包括苏州市区及吴江地区的大部分负荷，并且通过梅里～木渎、华能太仓～车坊及石牌～玉山～车坊这3个500kV输电通道向外送电。目前，木渎站装设有两台500kV UPFC，容量2×200MVA(串联侧)+200MVA(并联侧)。苏南电网是一个典型的既有UPFC接入又有特高压直流并存的复杂特高压直流混联受端电网。基于2016年实时数据，采用BPA仿真软件建立了包含线路、变压器、发电机等元件江苏220kV及500kV电网的详细模型，UPFC初始并联无功补偿为130MVar。UPFC和特高压直流控制保护采用真实控制保护装置，仿真结构示意图分别如图3和图4所示，

在2016年夏季小方式下，华东四大特高压直流全部满功率运行的极端条件下，设置电网各种典型故障包括：单相接地、相间故障、三相接地、跨线故障、变压器故障，对全网共计787项故障进行扫描，分别进行暂态仿真，分别输出每个故障下逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压。

按照系统额定电压500kV，按照步骤S3确定的约束极限：逆变侧换流站熄弧角小于13°并且换流站交流母线电压小于0.8×500kV，可以确定会导致锦苏直流发生换相失败的故障集，经过仿真软件分析得到江苏省内69条500千伏线路发生单相接地故障会导致锦苏直流发生换相失败。故障集及对应的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压如表1所示，

表1仅木渎站UPFC加装后不进行控制的换相失败线路

按照步骤S4，木渎站UPFC的并联侧补偿容量为应该在其初始并联补偿的基础上增加13949MVar，远远超过其自身设备的无功调节能力(并联侧200MVA)，因此考虑到经济性和设备安全性将木渎站UPFC并联侧无功补偿参考值调整为200MVar同时考虑在其他地方增加UPFC。

根据步骤S4中会导致换相失败的故障集的中心的确定方法，以木渎站地理位置坐标作为坐标原点，对表1故障集地理位置坐标进行统计，画出各个故障实际地理位置，如图5中实心圆点所示，同时选取能够包络所有故障位置的圆的圆心作为新增UPFC的站址，如图5所示，经过计算画图分析，选取故障集的中心，晋陵站作为新增UPFC站址，新增晋陵UPFC站与目前的木渎站一样装设有两台500kV UPFC，容量2×200MVA(串联侧)+200MVA(并联侧)。

根据步骤S2，重新通过暂态仿真计算表1故障集对应的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压，计算结果如表2所示，根据S3确定的约束极限，可以确定通过在晋陵站加装与木渎站同样规模和容量的UPFC后，并且并联侧无功补偿参考值与木渎站初始参考值相同取130MVar，可能导致锦苏直流发生换相失败的故障集为空，输出最终的UPFC无功补偿方案。

表2

也即通过本发明提出的一种减少换相失败的统一潮流控制器(UPFC)控制方法，考虑了UPFC并联侧无功补偿对电网无功电压的支撑作用，能够覆盖各类故障，提高UPFC控制方法的适应性；并联侧无功补偿计算方法和加装UPFC的站址选择方法上通过运行方法优化减少了UPFC站址选择的盲目和投资的浪费，提高了设备经济性和合理性；同时优化故障后的UPFC运行控制方法，减小交流电网故障后对特高压直流的影响，有效减少了可能导致换相失败的故障线路，从而可以提高特高压直流接入的电网安全性和稳定性。本成果弥补了国内在UPFC运行控制方面技术的空白，为UPFC和特高压直流接入的电网调控提供新的思路。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种减少换相失败的统一潮流控制器无功补偿方法，电网中接入有特高压直流，并通过接入UPFC作为无功补偿设备；其特征是，方法包括以下步骤：

步骤S1，基于电网的实时运行数据，根据UPFC和特高压直流输电的原理搭建含UPFC和特高压直流接入的详细电网模型；

步骤S2，在电网各种典型故障下分别对已搭建的详细电网模型进行暂态仿真，获取各种故障下的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压；

步骤S3，确定逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压的约束极限，然后根据上述约束极限确定当前电网中会导致换相失败的故障集以及对应的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压集合：

定义各站点逆变侧换流站熄弧角分别为γ₁,γ₂,…γ_n，换流站交流母线电压分别为V₁,V₂,…V_n，其中n表示故障种类数目；

所述约束极限为：变侧换流站熄弧角γ满足：

γ＜13° (1)

换流站交流母线电压V满足：

V＜0.8V_s (2)

其中：V_s为换流站母线电压额定值；

同时满足(1)和(2)的故障认为会导致换相失败，将这些故障组成的故障集记做f₁,f₂,……f_m，这些故障对应的逆变侧换流站熄弧角和换流站交流母线电压集合分别为r₁,r₂,…r_m和v₁,v₂,…v_m，其中m表示故障集中的故障个数；

步骤S4，计算当前电网若要减少换相失败所需的并联侧补偿参考值，作为UPFC的加装容量，然后确定补偿后是否超过UPFC自身的调节极限，若不超过调节极限则执行步骤S5；若超过调节极限，则在S3得到的会导致换相失败的故障集的中心加装与电网已有UPFC同等容量的UPFC，然后返回步骤S2；

并联侧补偿参考值Q_n的计算方法为：

V_min＝Min{v₁,v₂,…v_m} (6)

V_max＝Max{v₁,v₂,…v_m} (7)

其中：V_s为换流站母线电压额定值，S_ac为换流站交流母线处短路容量，V_max和V_min分别为步骤S3中确定的会导致换相失败的故障对应的换流站交流母线电压集合中的最大值和最小值，Q₀为UPFC并联补偿的初始值；

所述会导致换相失败的故障集的中心为：

若故障集为f₁,f₂,…f_m，以目前电网中UPFC的位置为二维平面坐标系的坐标原点(0,0)，则故障集f₁,f₂,…f_m中每个故障对应实际的故障地理位置相对坐标原点都有一个二维坐标(x₁,y₁),(x₂,y₂),…(x_m,y_m)，在二维平面上做一个圆形并且保证圆的边缘能覆盖所有坐标点，这个圆形的圆心位置即故障集的中心，也即新加装UPFC的位置；

步骤S5，判断补偿后的电网模型的故障集是否为空，若为空则执行步骤S6，若不为空返回到步骤S2；

步骤S6，输出UPFC无功补偿方案，用于实际电网的无功补偿；所述UPFC无功补偿方案包括UPFC加装的容量，或者UPFC加装的容量和位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤S1中，详细电网模型中设有UPFC控制保护装置和特高压直流控制保护装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤S2中，所述电网各种典型故障包括：单相接地、相间故障、三相接地、跨线故障和变压器故障。