CN106549379A - 一种应用相轨迹的柔性直流附加控制方法 - Google Patents

Abstract

一种应用相轨迹的柔性直流附加控制方法，该控制方法主要针对柔性直流并联于电磁环网的电网结构所存在的暂态稳定问题，结合柔性直流输电特点，首先基于相平面(Δω‑δ)的轨迹凹凸性进行暂态稳定预判,并根据进行了暂稳总措施量计算并分配给柔直和稳控分别执行，得到柔直控制措施量后生成柔性直流附加控制指令参考值，执行有功附加控制参考值且将无功功率及交流电压叠加指令并触发脉冲控制。本发明可实现柔性直流应用于电磁环网的暂态稳定协调控制，可最大程度利用柔直容量对暂态过程中的系统进行有功及无功支撑，优化稳控措施，保证柔直系统能够发挥有功的传输、电压的紧急支撑，避免控制原因导致的换流器过载致使柔性装置失效，提高电网运行稳定性。

Description

一种应用相轨迹的柔性直流附加控制方法

技术领域

本发明属于电力系统运行控制技术领域，具体涉及一种应用相轨迹的柔性直流附加控制方法。

背景技术

在高电压等级网架建设过程中会形成若干电磁环网。考虑到供电可靠性、输电能力等因素,有些电磁环网不具备解环条件,从而给系统安全稳定运行带来一定风险。电磁环网合环运行时，当高压线路因故障断开，潮流突然转移到低压侧，而电磁环网低压侧输电线路静态稳定极限功率远小于高压线路，同时系统间的联络阻抗的增加，将导致这个极限功率更低。另一方面，高压侧输电线路上的潮流向低压线路转移，低压线路上的有功功率增加，此时低压线路上的有功功率很可能超过静态稳定极限，引起两侧系统间的功率振荡，将导致暂态稳定问题而影响电网稳定运行。

本发明在柔直与电磁环网并联连接区域电网与主网的场景下，提出了一种应用相轨迹的柔性直流附加控制方法。目前，电磁环网存在的暂态稳定问题主要依靠稳控措施解决。传统的暂态稳定控制策略制定基于预想事故集，通过对电力系统离线仿真分析获得，而仿真模型和参数不可避免的存在一些偏差，一定程度上会影响计算的精度。同时事故后由稳控措施切除整个负荷或机组，导致执行措施量不连续，易引起欠切或过切，代价较大。同时柔性直流技术具有功率独立控制、动态无功补偿、不会发生换相失败且具备快速响应能力等多方面优势。本发明基于响应的电力系统暂态稳定分析方法实时分配柔直与稳控的协调控制措施量，结合柔直附加控制，实现事故后措施量的连续控制，将更有力的发挥柔性直流接入电磁环网的作用，提高系统稳定性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是在电磁环网故障导致暂稳问题时，能够通过柔性直流和稳控的协调控制快速恢复系统稳定。本发明提供了一种柔性直流应用于电磁环网的相轨迹暂态稳定控制方法。

本发明技术方案如下：

一种应用相轨迹的柔性直流附加控制方法，所述控制方法针对柔性直流与电磁环网并联的互联电网结构，其特征在于：

基于相平面(Δω-δ)的轨迹凹凸性对互联电网暂态稳定进行判断；

控制主站计算暂稳总措施量即互联电网暂态稳定总控制量，并分配给柔直执行站和稳控执行站；

柔直执行站根据由控制主站分配得到的实际柔直措施量后生成柔性有功参考值及无功限幅，执行柔性直流附加控制，跟踪柔性有功参考值，同时跟踪交流电压参考值并满足无功限幅进行控制；

稳控执行站根据控制主站分配得到的实际稳控措施量切除控制主站已选中的相应机组。

一种应用相轨迹的柔性直流附加控制方法，柔性直流与电磁环网低压侧输电线路并联连接形成互联电网，柔性直流在该互联电网里相当于一个幅值和相角可控的交流电压源，能同时对有功和无功类电气量进行完全独立的解耦控制；其特征在于，所述控制方法包含以下步骤：

(1)实时采集柔性直流并联于电磁环网所形成的整个互联电网中的测量值，所述测量值包括柔性直流输电系统的功率及该互联电网中换流站交流电压幅值以及电厂的发电机电磁功率、机械功率、转动惯量、发电机同步电角速度和发电机功角数据，同时根据所采集的互联电网全部数据将互联电网等值为单机无穷大系统即等值单机系统，并得到单机无穷大系统中的等值发电机的电磁功率、机械功率、转动惯量、同步电角速度和功角数据；

(2)根据等值发电机的同步电角速度和等值发电机功角数据，作出相平面内轨迹图，用相平面的轨迹凹凸性几何特征判别所述互联电网的暂态是否稳定，若稳定则返回步骤(1)，否则进入步骤(3)；

(3)控制主站启动互联电网暂态稳定总控制量计算，并根据暂态稳定总控制量的计算结果，结合该互联电网送端可切机组及柔性直流有功、无功实时信息，将所计算的总控制量分配成实际稳控措施量和实际柔直措施量分别发送给稳控执行站和柔直执行站，进入步骤(4)；

(4)根据步骤(3)分配给稳控执行站及柔直执行站的控制措施量，进行切除机组及进行柔直直流附加控制后，返回步骤(2)继续执行，直至互联电网不出现暂态失稳。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述步骤(2)中，采用相平面轨迹凹凸性几何特征即相轨迹判别暂态不稳定的内容如下：

相轨迹的斜率k为：

相轨迹的拐点l为：

式中，δ为步骤1得到的单机无穷大系统中的等值发电机功角，Δω为等值发电机转子角速度偏差；

该互联电网等值单机系统中等值发电机转子角速度偏差Δω为：

式中，M为等值单机系统中等值发电机转动惯量，P_m为等值单机系统中等值发电机的机械功率，P_emax为等值单机系统中等值发电机的电磁功率峰值；

该互联电网暂态不稳定的判据为：

lΔω＞0 (4)

当lΔω＞0时，认为互联电网暂态不稳定，否则认为互联电网暂态稳定。

所述步骤(3)中，切机时刻的相轨迹的斜率k为一个常数系数k'，根据下式计算k'，其值为：

其中，最大摇摆角δ_u给定为180°，δ为等值发电机功角，；

按照下式计算互联电网暂态稳定总控制量ΔP_m：

其中P_e为等值单机系统中等值发电机的电磁功率。

在步骤(3)中，控制主站根据步骤(1)所采集的柔性直流输电系统的当前有功功率P₀、无功功率Q₀以及柔性直流输电系统的最大容量S_max计算当前柔性直流输电系统最大可调有功柔直将ΔP_m-xP_am作为理论稳控措施量即切机量，将P_max作为理论柔直措施量；

在该互联电网所有可切除发电机组的各种组合中找到与理论稳控措施量ΔP_m-P_max最接近的切机组合，并存在最小过切量x₀，控制主站将ΔP_m-P_max+x₀作为实际稳控措施量发送给稳控执行站；将P_max-x₀作为实际柔直措施量发送给柔直执行站。

所述步骤(4)中，所述的柔性直流附加控制内容如下：

①将实际柔直措施量P_max-x ₀作为柔性直流输电系统的有功参考值P_ref、将作为无功限幅Q_max下发给柔直执行站；

②柔直执行站将有功参考值P_ref及无功限幅Q_max传输到柔性直流输电系统定有功功率侧的换流站，定有功功率侧换流站接收到有功功率参考值信号P_ref后，与当前柔直输送有功功率作差，通过外环PI环节生成正序d轴有功电流参考值id_ref，作为附加有功控制信号传输到内环控制器执行；

③柔直执行站将有功参考值P_ref及无功限幅Q_max传输到柔性直流输电系统定有功功率侧的换流站，定有功功率侧换流站收到无功限幅Q_max后，计算正序q轴无功电流限幅i_qmax，其中u_d为直流电压额定值：

无功调节采用定交流电压调节方式，设定该互联电网中柔性换流站送端交流侧额定电压U_N(已知参数)为交流电压参考值U_ref，与当前交流电压幅值作差，通过外环PI环节计算并经i_qmax限幅后生成正序q轴无功电流参考值iq_ref，作为附加无功控制信号传输到内环控制器执行；

④经外环PI环节生成正序d轴有功电流参考值id_ref，经i_qmax限幅后生成正序q轴无功电流参考值iq_ref，作为附加无功控制信号传输到内环控制器，由内环控制器触发柔性直流换流器脉冲控制，调节柔性直流输电的有功、无功功率。

本发明具有以下有益的技术效果：

在柔性直流并接于电磁环网的接线方式下，本发明通过计算柔直与稳控协调控制措施量及切换各个阶段柔直的有功、无功调节措施，充分利用柔直的四象限快速调节特性，最大化发挥柔直在暂态过程中的有功及无功支撑能力，起到减少稳控切机措施，提高交直流系统的的暂态稳定水平以及电压稳定性的作用。

附图说明

图1所示为柔性直流应用于电磁环网的总体框架示意图；

图2基于相轨迹的柔性直流附加控制整体流程图；

图3柔性直流附加控制框图；

图4具体实施方式三种情况相轨迹对比曲线。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进一步详细表述。

柔性直流应用于电磁环网的总体框架结构如图1所示，具体实施方式采用集中决策、分散执行控制模式，柔性直流与电磁环网低压侧输电通道并联，电网中主要电厂及枢纽站均设配置PMU设备，相关发电厂配备稳控执行站，柔性直流换流站配置柔直控制执行站，通过高速通信网络连接并接收高精度GPS对时。控制主站通过高速通信网络将PMU测得的同步功率、惯性、角速度和功角数据，以及柔性直流控制执行站计算得到的当前柔性直流控制有功、无功，加上稳控执行站上送的可切机组排序等控制参数汇集起来，作为大扰动检测启动后系统不稳定性判别与控制决策的依据，需要完成分群、等值计算、等值轨迹预测，暂态稳定总体措施量计算及分配稳控具体切机措施及柔直控制措量。各发电厂及主要变电站的PMU上送各发电机电磁功率、惯性(反映开机方式)、角速度和功角及主要联络线功率、功角信息。稳控执行站上送可切机组及优先级排序并接受且执行控制主站送来的切机命令。柔性直流控制子站实时上送柔直有功、无功等参考值并接受且执行控制主站送来的调控柔直命令。

本发明所采用的基于相轨迹的柔性直流附加控制整体流程图如附图2所示，包括以下步骤：

(1)实时采集柔性直流并联于电磁环网所形成的整个互联电网中的测量值，所述测量值包括柔性直流输电系统的功率及该互联电网中换流站交流电压幅值以及电厂的发电机电磁功率、机械功率、转动惯量、发电机同步电角速度和发电机功角数据，同时根据所采集的互联电网全部数据将互联电网等值为单机无穷大系统即等值单机系统，并得到单机无穷大系统中的等值发电机的电磁功率、机械功率、转动惯量、同步电角速度和功角数据；

(2)根据采集的发电机同步电角速度和发电机功角数据，作出相平面内轨迹图，用相平面的轨迹凹凸性几何特征判别所述互联电网的暂态是否稳定，采用相平面轨迹凹凸性几何特征即相轨迹判别暂态不稳定的内容如下：

相轨迹的斜率k为：

相轨迹的拐点l为：

式中，δ为等值单机系统发电机功角，由步骤1采集得到；

Δω为等值单机系统发电机转子角速度偏差，该互联电网等值单机系统发电机转子角速度偏差Δω为：

式中，M为等值单机系统发电机转动惯量P_m为等值单机系统发电机的机械功率，P_emax为等值单机系统发电机的电磁功率峰值；

该互联电网暂态不稳定的判据为：

lΔω＞0(4)

当lΔω＞0时，认为互联电网暂态不稳定，否则认为互联电网暂态稳定。

所述步骤(3)中，切机时刻的相轨迹的斜率k为一个常数系数k'，为了计算暂态稳定总控制量，需要先近似计算k'的值，假定计算执行措施时刻到切机时刻之间k'的值恒定，可以计算出其值为：

其中最大摇摆角δ_u给定为180°，δ为等值单机系统发电机功角，δ可以实时采集获得，Δω可以通过式(3)计算获得；

k'近似值用于随后的暂态稳定总控制量计算将使其比实际值大，因此通过该原则计算的措施量要略大于最小措施量，结果偏保守，满足稳定控制策略制定原则；

计算互联电网暂态稳定总控制量ΔP_m：

其中P_e为等值单机系统发电机的电磁功率。

在步骤(3)中，控制主站根据步骤(1)所采集的柔性直流输电系统的当前有功功率P₀、无功功率Q₀以及柔性直流输电系统的最大容量S_max计算当前柔性直流输电系统最大可调有功柔直将ΔP_m-xP_am作为理论稳控措施量即切机量，将P_max作为理论柔直措施量；

在该互联电网所有可切除发电机组的各种组合中找到与理论稳控措施量ΔP_m-P_max最接近的切机组合，并存在最小过切量x₀，控制主站将ΔP_m-P_max+x₀作为实际稳控措施量发送给稳控执行站；将P_max-x₀作为实际柔直措施量发送给柔直执行站。

所述步骤(4)中，所述的柔性直流附加控制如图3所示，具体内容如下：

①将实际柔直措施量P_max-x₀作为柔性直流输电系统的有功参考值P_ref、将作为无功限幅Q_max下发给柔直执行站；

②柔直执行站将有功参考值P_ref及无功限幅Q_max传输到柔性直流输电系统定有功功率侧的换流站，定有功功率侧换流站接收到有功功率参考值信号P_ref后，与当前柔直输送有功功率作差，通过外环PI环节生成正序d轴有功电流参考值id_ref，作为附加有功控制信号传输到内环控制器执行；

③柔直执行站将有功参考值P_ref及无功限幅Q_max传输到柔性直流输电系统定有功功率侧的换流站，定有功功率侧换流站收到无功限幅Q_max后，计算正序q轴无功电流限幅i_qmax，其中u_d为直流电压额定值：

无功调节采用定交流电压调节方式，设定该互联电网中柔性换流站送端交流侧额定电压U_N(已知参数)为交流电压参考值U_ref，与当前交流电压幅值作差，通过外环PI环节计算并经i_qmax限幅后生成正序q轴无功电流参考值iq_ref，作为附加无功控制信号传输到内环控制器执行；

④经外环PI环节生成正序d轴有功电流参考值id_ref，经i_qmax限幅后生成正序q轴无功电流参考值iq_ref，作为附加无功控制信号传输到内环控制器，由内环控制器触发柔性直流换流器脉冲控制，调节柔性直流输电的有功、无功功率。

进行柔性直流附加控制后，返回步骤(2)继续执行，直至互联电网稳定。

暂态失稳后，采集PMU数据利用相轨迹预判并计算得到暂稳总控制量为840MW，对以下三种情况进行试验分析：系统暂态失稳后不采取任何措施；暂态失稳后100ms仅通过稳控切除A侧区域3台280MW机组；暂态失稳后100ms稳控切除2台280MW机组，柔性直流100ms提升270MW有功，100ms提供50MVar无功。三种情况仿真结果分别对应：系统失稳、系统临界稳定、系统稳定，其相轨迹曲线对比如图4所示，因此，利用相轨迹方法计算总措施量，分配给柔直与稳控协调控制，可以有效减少稳控措施量，同时提升系统稳定性。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用相轨迹的柔性直流附加控制方法，所述控制方法针对柔性直流与电磁环网并联的互联电网结构，其特征在于：

基于相平面(Δω-δ)的轨迹凹凸性对互联电网暂态稳定进行判断；

控制主站计算暂稳总措施量即互联电网暂态稳定总控制量，并分配给柔直执行站和稳控执行站；

柔直执行站根据由控制主站分配得到的实际柔直措施量后生成柔性有功参考值及无功限幅，执行柔性直流附加控制，跟踪柔性有功参考值，同时跟踪交流电压参考值并满足无功限幅进行控制；

稳控执行站根据控制主站分配得到的实际稳控措施量切除控制主站已选中的相应机组。

2.一种应用相轨迹的柔性直流附加控制方法，柔性直流与电磁环网低压侧输电线路并联连接形成互联电网，柔性直流在该互联电网里相当于一个幅值和相角可控的交流电压源，能同时对有功和无功类电气量进行完全独立的解耦控制；其特征在于，所述控制方法包含以下步骤：

(1)实时采集柔性直流并联于电磁环网所形成的整个互联电网中的测量值，所述测量值包括柔性直流输电系统的功率及该互联电网中换流站交流电压幅值以及电厂的发电机电磁功率、机械功率、转动惯量、发电机同步电角速度和发电机功角数据，同时根据所采集的互联电网全部数据将互联电网等值为单机无穷大系统即等值单机系统，并得到单机无穷大系统中的等值发电机的电磁功率、机械功率、转动惯量、同步电角速度和功角数据；

(2)根据等值发电机的同步电角速度和等值发电机功角数据，作出相平面内轨迹图，用相平面的轨迹凹凸性几何特征判别所述互联电网的暂态是否稳定，若稳定则返回步骤(1)，否则进入步骤(3)；

(3)控制主站启动互联电网暂态稳定总控制量计算，并根据暂态稳定总控制量的计算结果，结合该互联电网送端可切机组及柔性直流有功、无功实时信息，将所计算的总控制量分配成实际稳控措施量和实际柔直措施量分别发送给稳控执行站和柔直执行站，进入步骤(4)；

(4)根据步骤(3)分配给稳控执行站及柔直执行站的控制措施量，进行切除机组及进行柔直直流附加控制后，返回步骤(2)继续执行，直至互联电网不出现暂态失稳。

3.根据权利要求2所述的应用相轨迹的柔性直流附加控制方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，采用相平面轨迹凹凸性几何特征即相轨迹判别暂态不稳定的内容如下：

相轨迹的斜率k为：

$k=\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{d\mathrm{\δ}}---\left(1\right)$

相轨迹的拐点l为：

$l=\frac{d^2\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{d^2\mathrm{\δ}}=0---\left(2\right)$

式中，δ为步骤1得到的单机无穷大系统中的等值发电机功角，；

Δω为等值发电机转子角速度偏差；

该互联电网等值单机系统中等值发电机转子角速度偏差Δω为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}=\±\sqrt{\frac{{(P_m-P_{emax}sin\mathrm{\δ})}^2}{-P_{emax}M\cos \mathrm{\δ}}}---\left(3\right)$

式中，M为等值单机系统中等值发电机转动惯量，P_m为等值单机系统中等值发电机的机械功率，P_emax为等值单机系统中等值发电机的电磁功率峰值；

该互联电网暂态不稳定的判据为：

lΔω＞0(4)

当lΔω＞0时，认为互联电网暂态不稳定，否则认为互联电网暂态稳定。

4.根据权利要求2所述的应用相轨迹的柔性直流附加控制方法，其特征在于：

所述步骤(3)中，切机时刻的相轨迹的斜率k为一个常数系数k'，根据下式计算k'，其值为：

$k^{\′}=\frac{-\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\δ}}_u-\mathrm{\δ}}---\left(5\right)$

其中，最大摇摆角δ_u给定为180°，δ为等值发电机功角；

按照下式计算互联电网暂态稳定总控制量ΔP_m：

${\mathrm{\ΔP}}_m=P_e-\[\frac{P_e^2}{P_m-{\mathrm{M\Δ\ωk}}^{\′}}\]---\left(6\right)$

其中P_e为等值单机系统中等值发电机的电磁功率。

5.根据权利要求4所述的应用相轨迹的柔性直流附加控制方法，其特征在于：

在步骤(3)中，控制主站根据步骤(1)所采集的柔性直流输电系统的当前有功功率P₀、无功功率Q₀以及柔性直流输电系统的最大容量S_max计算当前柔性直流输电系统最大可调有功柔直将ΔP_m-P_max作为理论稳控措施量即切机量，将P_xam作为理论柔直措施量；

在该互联电网所有可切除发电机组的各种组合中找到与理论稳控措施量ΔP_m-P_max最接近的切机组合，并存在最小过切量x₀，控制主站将ΔP_m-P_max+x₀作为实际稳控措施量发送给稳控执行站；将P_max-x₀作为实际柔直措施量发送给柔直执行站。

6.根据权利要求5所述的应用相轨迹的柔性直流附加控制方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，所述的柔性直流附加控制内容如下：

4.1将实际柔直措施量P_max-x₀作为柔性直流输电系统的有功参考值P_ref、将作为无功限幅Q_max下发给柔直执行站；

4.2柔直执行站将有功参考值P_ref及无功限幅Q_max传输到柔性直流输电系统定有功功率侧的换流站，定有功功率侧换流站接收到有功功率参考值信号P_ref后，与当前柔直输送有功功率作差，通过外环PI环节生成正序d轴有功电流参考值id_ref，作为附加有功控制信号传输到内环控制器执行；

4.3柔直执行站将有功参考值P_ref及无功限幅Q_max传输到柔性直流输电系统定有功功率侧的换流站，定有功功率侧换流站收到无功限幅Q_max后，计算正序q轴无功电流限幅i_qmax，其中u_d为直流电压额定值：

$i_{q\max }=\sqrt{{S_{\max }}^2-{(P_{\max }-x_0)}^2}/1.5u_d---\left(7\right)$

无功调节采用定交流电压调节方式，设定该互联电网中柔性换流站送端交流侧额定电压U_N为交流电压参考值U_ref，与当前交流电压幅值作差，通过外环PI环节计算并经i_qmax限幅后生成正序q轴无功电流参考值iq_ref，作为附加无功控制信号传输到内环控制器执行；

4.4经外环PI环节生成正序d轴有功电流参考值id_ref，经i_qmax限幅后生成正序q轴无功电流参考值iq_ref，作为附加无功控制信号传输到内环控制器，由内环控制器触发柔性直流换流器脉冲控制，调节柔性直流输电的有功、无功功率。