CN107834567A - 特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制方法 - Google Patents
特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制方法，属于电力系统自动电压控制技术领域。该方法在每个自动电压控制周期到来时，构造换流站的二级电压控制模型；然后对未来一段时间特高压直流换流站直流输送容量变化趋势进行判断：如果直流输送容量未来发生变化，则向区域内电厂发送AVC控制闭锁指令；否则进行特高压直流换流站直流输送容量平稳运行的协调控制，根据换流站与外部无功交换的情况实时计算换流母线的动态上下限约束，代入模型更新约束条件后得到发电机无功出力的调节量并下发近区发电厂AVC子站；该方法可以实现电网AVC与特高压直流换流站内无功控制系统的协调控制，有效保障特高压直流输电的安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制方法，属于电力系统自动电压控制技术领域。
背景技术
自动电压控制(以下简称AVC，Automatic Voltage Control)系统是实现输电网安全(提高电压稳定裕度)、经济(降低网络损耗)、优质(提高电压合格率)运行的重要手段。AVC系统架构在电网能量管理系统(EMS)之上，能够利用输电网实时运行数据，从输电网全局优化的角度科学决策出最佳的无功电压调整方案，自动下发给电厂、变电站以及下级电网调度机构执行。孙宏斌、张伯明、郭庆来在《基于软分区的全局电压优化控制系统设计》(电力系统自动化,2003年，第27卷第8期，16-20页)中说明了大电网自动电压控制的体系结构。
AVC系统的主站部分是在电力系统控制中心基于软件实现的，其对输电网的电压控制策略主要有对电厂各发电机无功控制策略以及对变电站的无功设备控制策略2类。其中对电厂各发电机的无功控制策略，目前采用的主要方式是：调度中心的AVC主站系统通过无功优化计算得到电厂各机组的无功调节量后，通过数据通信通道向电厂的AVC子站系统发送，电厂的AVC子站接收到发电机无功调整量后，根据当前电厂内各台发电机的运行状态，采用步进方式调整发电机发出的无功功率，直到达到AVC主站下发的调整量。对变电站的无功设备控制策略为对无功补偿设备的投切指令，无功补偿设备主要包括电容器和电抗器，当投入电容器或切除电抗器时，母线电压升高；当切除电容器或投入电抗器时，母线电压降低。AVC主站下发投入或切除无功设备的指令，变电站内的自动化监控系统根据接收的指令，找到无功设备所连接的断路器并合上或断开断路器，以完成无功设备的投入或切除。
随着我国电网特高压(1000kV)输电工程的建设，大电网之间越来越多通过特高压直流进行远距离输电。近年来已经有多条±800kV直流输电工程投入运行，单回直流线路可长距离输送的有功容量已经超过6GW。特高压直流输电工程中，换流器的运行总是伴随着无功功率的消耗。在稳定运行方式下，整流站吸收的无功功率一般为直流输出功率的30％～50％，逆变站吸收的无功功率则为直流输入功率的40％～60％。因此在换流站运行时，需要大量的无功补偿才能保证正常运行。传统的换流站无功补偿的手段是设置并联电容器和交流滤波器。一般在换流站配置多台滤波器和电容器，每台的无功容量为100～200MVAR，配置总容量应满足换流站最小和最大直流输送容量的要求，并以换流站与外部交流系统的无功交换为0作为运行目标。由于直流输送容量在一天的不同时间段并不相同，其所需的无功补偿容量也不同，因此需要在换流站配置无功补偿的自动控制系统(RPC),根据直流输送容量自动投切滤波器和电容器。
刘刚、刘杰在《±660kV换流站无功控制与滤波器投切策略研究》(宁夏电力，2015年第4期，22-25页)中提出了一种比较典型的换流站RPC系统的控制策略，其主要考虑绝对最小滤波器容量限制控制、无功交换控制、最高电压限制、最大无功限制等控制策略，在正常情况下主要以无功交换控制为主，其主要策略是：换流站的直流系统与交流系统的无功功率交换值如果超过预设限值，RPC就会发出命令，投入或切除一个电容器或滤波器组。由于由于滤波器组不能频繁投切，需要采用滞回特性，滞回窗口的无功上下限幅值大于1/2最大电容器/滤波器组容量。配置RPC系统后，当换流站的直流输送增加时，RPC系统可以自动依次投入电容器/滤波器组，当换流站的直流输送减少时，RPC依次退出电容器/滤波器组。本控制方法只是在按照输送容量进行电容器/滤波器的投退，并没有纳入自动电压控制优化中。
随着近年来自动电压控制系统(AVC)在电网调度中心的广泛应用，电网中大量的电厂已经投入AVC自动控制，其中也包括特高压直流换流站相连接的近区(对特高压站500kV母线灵敏度大于0.2的厂站)电网中的电厂。由于AVC系统和换流站RPC系统分别对换流站及周边电厂机组进行控制，在运行中造成了换流站及近区电网的不协调的运行情况，主要体现在以下二个方面。第一，在换流站有功输容量调整期间，RPC系统根据换流站输送有功的增减逐步投切滤波器组和电容器，由于滤波器无功容量大，每次投切均会造成区域内电压的大幅波动，同时近区电厂在AVC控制下会尽量维持电压稳定，因此在换流站滤波(电容器)投入前电压偏低造成电厂机组增发无功，在投入后电压偏高造成电厂机组减少无功，因此出现了在换流站直流有功输送容量调整的过程中近区电厂机组无功反复来回调节的现象，影响发电机的安全稳定运行。第二，在换流站有功输送容量调整完成、进入稳定运行后，由于AVC控制电厂机组的无功出力，造成换流站电压变化，其与外部交流系统的无功交换可能出现越限并触发RPC投切滤波器(电容器)，因此出现了AVC控制造成的换流站内滤波器(电容器)频繁投切的情现象，影响换流站的安全稳定运行。
综上所述，随着特高压直流输电工程的快速建设，以及电网自动电压控制系统的广泛应用，迫切需要解决特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制问题，以保证特高压直流输电的稳定可靠运行。
目前省级电网调度中心的AVC系统采用协调二级电压控制方法(CSVC)实现对某个包含发电厂的区域电网的电压控制，二级控制为分区解耦的控制策略计算，其将电网自动划分为解耦的各个分区，每个分区内选择若干中枢母线，对每个分区分别计算分区内包括电厂在内的各种无功资源的控制策略，以追随该分区中枢母线的优化目标。郭庆来，孙宏斌，张伯明在《协调二级电压控制的研究》(电力系统自动化，2005年12月，V29N23，pp.19-24)中提出了一种协调二级电压控制(CSVC)模型，该模型在优先考虑中枢母线电压偏差最小的前提下，利用多余的控制自由度保证本区域发电机运行在无功裕度更大、出力更均衡的状态。该模型所涉及到的各个变量的具体物理含义可以从图1所示的二次规划计算电厂模型中直观看出，其中，Qg1、Qg2、Qg3、Qg4分别表示发电机1、2、3、4的当前无功出力，Vg1、Vg2、Vg3、Vg4分别表示发电机1、2、3、4机端母线当前电压，Vp1、Vp2分别表示中枢母线1和2的当前电压，VH1、VH2分别表示发电机高压侧母线1和2的当前电压，Cg为中枢母线无功电压灵敏度矩阵和Cvg为高压侧母线无功电压灵敏度矩阵，满足：
ΔVp＝CgΔQg (1.1)
ΔVH＝CvgΔQg (1.2)
其中，ΔQg为发电机无功出力的调节量，ΔVp为机组对中枢母线的电压调整量，ΔVH为机组对电厂高压侧母线的电压调整量。区域中的中枢母线一般为预先人工选择指定。该模型采用了二次规划模型来计算电厂的控制，二次规划模型的目标函数如下：
其中，ΔQg为二次规划的优化变量，表示发电机无功出力的调节量；和分别表示无功下限和无功上限；表示区域中的中枢母线设定电压；Wp和Wq为权重系数，两者一般均为0.1到1之间，α为增益系数，一般为0.1到1之间；式中目标函数第一部分体现了调整发电机无功使得中枢母线达到三级控制给出的目标值。同时，为了实现增大发电机无功裕度并使之出力更加均衡的目的，在目标函数的第二部分引入了无功裕度向量Θg，其第i个分量为:
其中，为发电机i的当前无功出力，为发电机i的无功出力的调节量，为发电机i的无功最大值，为发电机i的无功最小值，i为发电机的序号，||Θg||2为无功裕度向量集，||Θg||2在二次规划目标函数中，可以保证一方面增加控制发电机的无功裕度，另一方面促使各台控制发电机向无功出力更加均衡的方向发展。
省调AVC的二级电压控制模块在满足安全约束条件的情况下来求解极小化问题，这些约束包括：
其中和分别表示中枢母线电压下限和中枢母线电压上限；和分别表示发电机无功下限和无功上限；和分别表示发电机高压侧母线的电压下限、电压上限和允许的单步最大调整量。
上述内容涉及到无功电压灵敏度矩阵Cg和Cvg的计算。孙宏斌，张伯明，相年德在《准稳态的灵敏度分析方法》(中国电机工程学报，1999年4月V19N4，pp.9-13)中提出了准稳态灵敏度方法，与常规的静态的灵敏度分析方法不同，准稳态灵敏度方法考虑了电力系统准稳态的物理响应，计及系统控制前后新旧稳态间的总变化，有效提高了灵敏度分析的精度。该方法基于电力系统的PQ解耦模型，当发电机安装有自动电压调节器(AVR)时，可认为该发电机节点为PV节点；而当发电机装有自动无功功率调节(AQR)或自动功率因数调节(APFR)时，可认为该发电机节点与普通负荷节点相同均为PQ节点。此外，将负荷电压静特性考虑成节点电压的一次或二次曲线。这样所建立的潮流模型就自然地将这些准稳态的物理响应加以考虑，从而基于潮流模型计算出的灵敏度即为准稳态的灵敏度。省调AVC中，Cg和Cvg均采用准稳态的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是是为克服已有技术的不足之处，提出一种特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制方法。本方法实现了特高压和特高压近区电厂的协调控制，避免在换流站直流有功输送容量调整的过程中近区电厂机组无功反复来回调节的现象，及换流站无功设备频繁投切，提高了电网电压稳定性和电压质量。
本发明提出的一种特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)设定自动电压控制周期为Tc；
2)在每个自动电压控制周期Tc到来时，记到来时刻为t0，对特高压直流换流站所在的近区电网，构造考虑换流站的二级电压控制模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：
2-1)设该近区电网区域用集合Zd来表示：
Zd＝{BP,BH,BDC,G}
其中，BP为区域中的中枢母线，BH为区域中的发电厂高压侧母线，BDC为区域中特高压直流换流站中换流站连接的交流母线即换流母线，G为区域中自动电压控制系统AVC控制的发电机；
2-2)确定模型的目标函数，表达式如下：
其中，Vp表示中枢母线当前电压，表示区域中的中枢母线设定电压，Cg为中枢母线无功电压灵敏度矩阵，ΔQg表示发电机无功出力的调节量，Wp和Wq为权重系数，α为增益系数，Θg为无功裕度向量，其第i个分量为:
其中，为发电机i的当前无功出力，为发电机i的无功出力的调节量，为发电机i的无功最大值，为发电机i的无功最小值，i为发电机的序号，||Θg||2为无功裕度向量集；
2-3)确定模型的约束条件，表达式如下：
其中，Cvg为高压侧母线无功电压灵敏度矩阵，VH表示发电机高压侧母线的当前电压，和分别表示中枢母线电压下限和中枢母线电压上限；和分别表示发电机无功下限和无功上限；和分别表示发电机高压侧母线的电压下限、电压上限和允许的单步最大调整量，Vdc为换流母线BDC的母线电压当前值，分别为换流母线BDC安全运行电压的下限值和上限值；Cdg为区域中AVC控制的发电机G的无功对换流母线电压的准稳态灵敏度矩阵；
3)从电网调度监控系统中读取特高压换流站未来时段Tt内的直流输送容量计划值，记为：其中t1～tn为未来n个控制周期的时刻，为每个时刻对应的直流输送容量计划值，n＝Tt/Tc；
4)对未来时段Tt的直流输送容量变化趋势进行判断，具体步骤如下：
4-1)在初始时刻Ti＝t1时，设置直流输送趋势增加计数器直流输送趋势减少计数器
4-2)利用步骤3)得到的结果进行判定：若满足则设置进入步骤4-3)；其中为直流输送趋势判定功率阈值；若满足则设置进入步骤4-3)；若以上两种情况均不满足，则两个计数器的数值均保持不变，进入步骤4-3)；
4-3)设置i＝i+1,并进行判定：若满足i＜n，则重新返回步骤4-2)，否则进入步骤5)；
5)对步骤4)的计数器结果进行判定：若满足或则判定未来时段Tt内的直流输送容量发生变化，进入步骤6)；否则进入步骤7)；其中为直流趋势判定的计数器阈值；
6)进行特高压直流换流站直流输送容量变化过程中的协调控制，具体为：调度中心AVC主站向区域Zd内的电厂AVC子站发送AVC控制闭锁指令，电厂AVC子站收到该指令后，闭锁AVC子站的控制调节功能，进入步骤8)；
7)进行特高压直流换流站直流输送容量平稳运行的协调控制，具体包括以下步骤：
7-1)调度中心AVC主站向区域Zd内的电厂AVC子站发送AVC控制解锁指令，电厂AVC子站收到该指令后，自动解除闭锁，恢复对电厂AVC子站发电机的正常调节；
7-2)从调度中心监控系统中读取特高压直流换流站与外部交流系统交换的无功容量并根据与预先设定的无功交换定值的比较结界，计算换流母线电压的动态上下限约束，具体步骤如下：
7-2-1)设置换流母线电压的动态上限约束下限约束V dc的初始值分别为：
其中：分别为换流母线安全运行的上、下限值；
7-2-2)分别计算换流母线电压的动态上限约束和下限约束V dc；具体如下：
如果满足：则分别计算换流母线电压的动态上限约束下限约束V dc，表达式如下：
其中，为预先设定的换流站与外部交流系统交换的无功容量上限值，为无功判定死区；为换流母线当前的电压量测值；
如果满足：则分别计算换流母线电压的动态上限束下限约束V dc，表达式如下：
其中，为预先设定的换流站与外部交流系统交换的无功容量下限值；
否则保持初始值
7-2-3)将计算得到的动态上限约束下限约束V dc，代入到步骤2)建立的模型中，将其中的约束条件C4更新为：
并对更新后的模型进行计算，得到发电机无功出力的调节量ΔQg并下发近区发电厂AVC子站；
8)当下一个自动电压控制周期到来时，重新返回步骤2)，开始下一轮计算。
本发明的特点及有益效果在于：
本发明提出的特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制方法，在每个自动电压控制周期到来时，首先构造考虑特高压直流换流站换流母线的区域二级电压控制模型；其次，对未来一段时间特高压直流换流站直流输送无功容量的变化趋势进行判断，如果直流输送容量正在调整变化过程中，则向区域内电厂发送AVC控制闭锁信号，避免近区电厂发电机无功的频繁调节；最后，在直流输送容量平稳运行状态下，根据换流站与外部无功交换的情况实时计算换流母线的动态上下限值，以避免电厂AVC控制触发换流站内的滤波器或电容器投切。采用该方法后，可以实现电网AVC与特高压直流换流站内无功控制系统的协调控制，有效保障特高压直流输电的安全稳定运行。
附图说明
图1是二次规划计算电厂模型示意图。
图2是本发明方法的整体流程框图。
图3是本发明实施例变电站连接关系示意图。
具体实施方式
本发明提出的特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。
本发明提出的特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制方法，整体流程如图2所示，该方法包括以下步骤：
1)设定自动电压控制周期为Tc(Tc通常设为5分钟)；
2)在每个自动电压控制周期Tc到来时，记到来时刻为t0，对特高压直流换流站所在的近区电网，构造考虑换流站的二级电压控制模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：
2-1)设该近区电网区域可以用集合Zd来表示：
Zd＝{BP,BH,BDC,G}
其中，BP为区域中的中枢母线，BH为区域中的发电厂高压侧母线，BDC为区域中特高压直流换流站中换流站连接的交流母线(以下简称换流母线)，G为区域中AVC控制的发电机。
2-2)确定模型的目标函数，表达式如下：
其中，Vp表示中枢母线当前电压，表示区域中的中枢母线设定电压；Cg为中枢母线无功电压灵敏度矩阵，ΔQg为二次规划的优化变量，表示发电机无功出力的调节量；Wp和Wq为权重系数，两者一般取值均为0.1到1之间(一般取值0.5)，α为增益系数，一般取值为0.1到1之间(一般取值0.5)；式中目标函数第一部分体现了调整发电机无功使得中枢母线达到三级控制给出的目标值。同时，为了实现增大发电机无功裕度并使之出力更加均衡的目的，在目标函数的第二部分引入了无功裕度向量Θg，其第i个分量为:
其中，为发电机i的当前无功出力，为发电机i的无功出力的调节量，为发电机i的无功最大值，为发电机i的无功最小值，i为发电机的序号，||Θg||2为无功裕度向量集，||Θg||2在二次规划目标函数中，可以保证一方面增加控制发电机的无功裕度，另一方面促使各台控制发电机向无功出力更加均衡的方向发展。
2-3)确定模型的约束条件，表达式如下：
C0-C3为原CSVC模型的约束条件，其中，Cvg为高压侧母线无功电压灵敏度矩阵，VH表示发电机高压侧母线的当前电压，和分别表示中枢母线电压下限和中枢母线电压上限；和分别表示控制发电机无功下限和无功上限；和分别表示发电机高压侧母线的电压下限、电压上限和允许的单步最大调整量，ΔQg为发电机无功出力的调节量；该模型在传统CSVC模型基础上增加了约束条件C4，其中：Vdc为换流母线BDC的母线电压当前值，分别为换流母线BDC安全运行电压的下限值和上限值；Cdg为区域中AVC控制的发电机G的无功对换流母线电压的准稳态灵敏度矩阵。
3)从电网调度监控系统中读取特高压换流站未来时段Tt(通常取未来1小时)内的直流输送容量计划值，记为：其中t1～tn为未来n个控制周期的时刻，为每个时刻对应的直流输送容量计划值，n＝Tt/Tc；
4)对未来时段Tt的直流输送容量变化趋势进行判断，具体步骤如下：
4-1)在初始时刻Ti＝t1时，设置直流输送趋势增加计数器直流输送趋势减少计数器
4-2)利用步骤3)得到的结果进行判定：若满足则设置进入步骤4-3)；其中为预先给定的直流输送趋势判定功率阈值(取值范围为30-200，默认为50)，表示直流输送容量在单位控制周期内的变化量；
若满足则设置进入步骤4-3)；
若以上两种情况均不满足，则两个计数器的数值均保持不变，，进入步骤4-3)；
4-3)设置i＝i+1,并进行判定：若满足i＜n，则重新返回步骤4-2)，否则进入步骤5)；
5)对步骤4)的计数器结果进行判定：若满足或则判定未来时段Tt内的直流输送容量发生变化，进入步骤6)；否则进入步骤7)；其中为预先设定的直流趋势判定的计数器阈值(取值范围为1-12，默认为6)；
6)进行特高压直流换流站直流输送容量变化过程中的协调控制，具体为：调度中心AVC主站向区域Zd内的电厂AVC子站发送AVC控制闭锁指令，电厂AVC子站收到该指令后，闭锁AVC子站的控制调节功能，避免在直流输送容量变化期间电厂发电机无功反复调节，进入步骤8)；
7)进行特高压直流换流站直流输送容量平稳运行的协调控制，具体包括以下步骤：
7-1)调度中心AVC主站向区域Zd内的电厂AVC子站发送AVC控制解锁指令，电厂AVC子站收到该指令后，自动解除闭锁，恢复对电厂AVC子站发电机的正常调节。
7-2)从调度中心监控系统中读取特高压直流换流站与外部交流系统交换的无功容量并根据与预先设定的无功交换定值的比较结界，计算换流母线电压的动态上下限约束，以避免电厂AVC控制触发换流站内的滤波器或电容器投切；具体步骤如下：
7-2-1)设置换流母线电压的动态上限约束下限约束V dc的初始值分别为：
其中：分别为换流母线安全运行的上、下限值。
7-2-2)分别计算换流母线电压的动态上限约束和下限约束V dc；具体如下：
如果满足：则分别计算换流母线电压的动态上限约束下限约束V dc，表达式如下：
其中，为预先设定的换流站与外部交流系统交换的无功容量上限值，为无功判定死区；为换流母线当前的电压量测值。
如果满足：则分别计算换流母线电压的动态上限约束下限约束V dc，表达式如下：
其中，为预先设定的换流站与外部交流系统交换的无功容量下限值。
否则保持初始值
7-2-3)将计算得到的动态上限约束下限约束V dc，代入到步骤2)建立的模型中，将其中的约束条件C4更新为：
并对更新后的模型进行计算，得到发电机无功出力的调节量ΔQg并下发近区发电厂AVC子站。
8)当下一个自动电压控制周期到来时，重新返回步骤2)，开始下一轮计算。
本发明方法的工作原理在于：
在每个自动电压控制周期到来时，首先构造考虑特高压直流换流站换流母线的区域二级电压控制模型；其次，对未来一段时间特高压直流换流站直流输送无功容量的变化趋势进行判断，如果直流输送容量正在调整变化过程中，则向区域内电厂发送AVC控制闭锁信号，避免近区电厂发电机无功的频繁调节；最后，在直流输送容量平稳运行状态下，根据换流站与外部无功交换的情况实时计算换流母线的动态上下限值，以避免电厂AVC控制触发换流站内的滤波器或电容器投切。
实施例
本发明的一个实施例为对一个特高压控制区域进行控制计算，本实施例站站连接关系如图3所示，该分区内包含1座1000kV特高压变电站C，通过特高压整流系统和对端特高压站相连，变电站C包含500kV交流母线C5，1座500kV变电站B包含500kV母线B5、1座电厂A包含500kV母线A5；电厂A和变电站B通过线路连接到变电站C。A、B站等组合成一个控制区域，B5为控制区域的中枢母线。
根据程序流程，分为两种情况：特高压直流换流站直流输送容量变化过程中的协调控制和特高压直流换流站直流输送容量平稳运行的协调控制；具体如下：
情况1：特高压直流换流站直流输送容量变化过程中的协调控制；
特高压换流站未来时段60分钟内的直流输送容量计划值如表1所示：
表1特高压换流站未来时段60分钟内的直流输送容量计划值表
特高压直流换流站与外部交流系统交换的无功容量：43.1。特高压交流母线C5安全运行的上限值为535，下限值为510，当前值为525.13。
执行步骤如下：
1)设定一个自动电压控制周期Tc为5分钟；
2)在每个控制周期Tc来临时，记到来时刻为t0(7:15)，对特高压直流换流站所在的近区电网，构造考虑换流站的二级电压控制模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：
2-1)设该近区电网区域可以用集合Zd来表示：
Zd＝{BP,BH,BDC,G}
在本实例中：Zd＝{B5,A5,C5,G1}
其中,B5为区域中的中枢母线，A5为区域中的发电厂高压侧母线，C5为区域中特高压直流换流站中换流站连接的交流母线(以下简称换流母线)，G1为区域中AVC控制的发电机。考虑换流站的二级电压控制模型为：
2-2)确定模型的目标函数，表达式如下：
其中，Vp表示中枢母线当前电压，表示区域中的中枢母线设定电压；Cg为中枢母线无功电压灵敏度矩阵，ΔQg为二次规划的优化变量，表示发电机无功出力的调节量；Wp和Wq为权重系数，两者一般取值均为0.1到1之间(一般取值0.5)，α为增益系数，一般取值为0.1到1之间(一般取值0.5)；式中目标函数第一部分体现了调整发电机无功使得中枢母线达到三级控制给出的目标值。同时，为了实现增大发电机无功裕度并使之出力更加均衡的目的，在目标函数的第二部分引入了无功裕度向量Θg，其第i个分量为:
其中，Qgi为发电机i的当前无功出力，为发电机i的无功出力的调节量，为发电机i的无功最大值，为发电机i的无功最小值，i为发电机的序号，||Θg||2为无功裕度向量集，||Θg||2在二次规划目标函数中，可以保证一方面增加控制发电机的无功裕度，另一方面促使各台控制发电机向无功出力更加均衡的方向发展。
2-3)确定模型的约束条件，表达式如下：
C0-C3为原CSVC模型的约束条件，其中，Cvg为高压侧母线无功电压灵敏度矩阵，VH表示发电机高压侧母线的当前电压，和分别表示中枢母线电压下限和中枢母线电压上限；和分别表示控制发电机无功下限和无功上限；和分别表示发电机高压侧母线的电压下限、电压上限和允许的单步最大调整量，ΔQg为发电机无功调整量；该模型在传统CSVC模型基础上增加了约束条件C4，其中：Vdc为换流母线C5的母线电压当前值，为换流母线C5安全运行电压下限值、上限值；Cdg为区域内发电机G的无功对换流母线电压的准稳态灵敏度矩阵。
3)从电网调度监控系统中读取特高压换流站未来时段Tt(60分钟)内的直流输送容量计划值，记为：其中n＝T/Tc＝60/5＝12，t1～t12为未来12个控制周期的时刻，为每个时刻对应的直流输送容量计划值；如表1所示；
4)对对未来时段Tt的直流输送容量变化趋势进行判断，具体步骤如下：：
4-1)在初始时刻Ti＝t1时，设置直流输送趋势增加计数器直流输送趋势减少计数器
4-2)利用步骤3)得到的结果进行判定：若满足则设置进入步骤4-3)；其中为预先给定的直流输送趋势判定功率阈值，本实施例中设为50，表示直流输送容量在单位控制周期内的变化量；根据表2计算值，可得
若满足则设置进入步骤4-3)；
若以上两种情况均不满足，则两个计数器的数值均保持不变，进入步骤4-3)；
4-3)设置i＝i+1,并进行判定：若满足i＜n，则重新返回步骤4-2)，否则进入步骤5)；
本实施例中，差值列表如表2所示，设置为50；根据表2计算值，可得
表2本发明实施例的差值列表
5)对步骤4)的计数器结果进行判定：若满足或则判定未来时段Tt内的直流输送容量发生变化，进入步骤6)；否则进入步骤7)；其中为预先设定的直流趋势判定的计数器阈值(取值范围为1-12，默认为6)；本实施例中，设置为5；进入步骤6)；
6)进行特高压直流换流站直流输送容量变化过程中的协调控制，具体为：调度中心AVC主站向区域Zd内的电厂AVC子站发送AVC控制闭锁指令，电厂AVC子站收到该指令后，闭锁AVC子站的控制调节功能，避免在直流输送容量变化期间电厂发电机无功反复调节，进入步骤8)；
8)当下一个自动电压控制周期到来时，重新返回步骤2)，开始下一轮计算。
情况2：特高压直流换流站直流输送容量平稳运行的协调控制；
特高压换流站未来时段60分钟内的直流输送容量计划值如表3所示：
表3特高压换流站未来时段60分钟内的直流输送容量计划值表
| 时间 | 计划值 |
| 14:15 | 2997.44 |
| 14:20 | 3000.64 |
| 14:25 | 2999.68 |
| 14:30 | 3002.75 |
| 14:35 | 3001.92 |
| 14:40 | 2998.35 |
| 14:45 | 3000.23 |
| 14:50 | 2998.63 |
| 14:55 | 3001.24 |
| 15:00 | 2998.35 |
| 15:05 | 3001.65 |
| 15:10 | 3000.23 |
特高压直流换流站与外部交流系统交换的无功容量：-63.9。特高压交流母线C5安全运行的上限值为535，下限值为510，当前值为524.84。
执行步骤如下：
1)设定一个自动电压控制周期Tc为5分钟；
(2)在每个控制周期Tc(14:15)来临时，记到来时刻为t0，对特高压直流换流站所在的近区电网，构造考虑换流站的二级电压控制模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：
2-1)设该近区电网区域可以用集合Zd来表示：
Zd＝{BP,BH,BDC,G}
在本实例中：Zd＝{B5,A5,C5,G1}
其中:B5为区域中的中枢母线，A5为区域中的发电厂高压侧母线，C5为区域中特高压直流换流站中换流站连接的交流母线(以下简称换流母线)，G1为区域中AVC控制的发电机。考虑换流站的二级电压控制模型为：
2-2)确定模型的目标函数，表达式如下：
2-3)确定模型的约束条件，表达式如下：
3)从电网调度监控系统中读取特高压换流站未来时段T(60分钟)内的直流输送容量计划值，记为：其中n＝T/Tc n＝60/5＝12，t1～t12为未来12个控制周期的时刻，为每个时刻对应的直流输送容量计划值；如表3所示；
4)对对未来时段Tt的直流输送容量变化趋势进行判断，具体步骤如下：
4-1)在初始时刻Ti＝t1时，设置直流输送趋势增加计数器直流输送趋势减少计数器
4-2)利用步骤3)得到的结果进行判定：若满足则设置进入步骤4-3)；其中为预先给定的直流输送趋势判定功率阈值，本实施例中设为50，表示直流输送容量在单位控制周期内的变化量；根据表2计算值，可得
若满足则设置进入步骤4-3)；
若以上两种情况均不满足，则两个计数器的数值均保持不变，，进入步骤4-3)；
4-3)设置i＝i+1,并进行判定：若满足i＜n，则重新返回步骤4-2)，否则进入步骤5)；
本实施例中，差值列表如表4所示，设置为50；根据表4计算值，可得
表4特高压换流站未来时段60分钟内的直流输送容量计划值表
5)对步骤4)的计数器结果进行判定：若满足或则判定未来时段Tt内的直流输送容量发生变化，进入步骤6)；否则进入步骤7)；其中为预先设定的直流趋势判定的计数器阈值(取值范围为1-12，默认为6)；本实施例中，设置为5，进入步骤7)；
7)进行特高压直流换流站直流输送容量平稳运行的协调控制，具体包括以下步骤：
7-1)调度中心AVC主站向区域Zd内的电厂AVC子站发送AVC控制解锁指令，电厂AVC子站收到该指令后，自动解除闭锁，恢复对电厂AVC子站发电机的正常调节。
7-2)从调度中心监控系统中读取特高压直流换流站与外部交流系统交换的无功容量并根据其与预先设定的无功交换定值的比较结界，计算换流母线电压的动态上下限约束，具体步骤如下：
7-2-1)设置换流母线电压的动态上限束下限约束V dc的初始值分别为：
其中,为换流母线安全运行的上、下限值。
7-2-2)分别计算换流母线电压的动态上限约束和下限约束V dc；具体如下：
如果满足：则分别计算换流母线电压的动态上限约束下限约束V dc，表达式如下：
其中，为预先设定的换流站与外部交流系统交换的无功容量上限值，为无功判定死区；为换流母线当前的电压量测值。
如果满足：则分别计算换流母线电压的动态上限约束下限约束V dc，表达式如下：
其中，为预先设定的换流站与外部交流系统交换的无功容量下限值。
否则保持初始值
本实施例中，设置为60，为10；
满足：则计算换流母线电压的动态上限约束下限约束V dc分别为：
7-2-4)将计算得到的动态上限约束下限约束V dc＝524.84，代入到步骤2)建立的模型中，将其中的约束条件C4更新为：
并对更新后的模型进行计算，得到发电机无功出力的调节量ΔQg并下发电厂AVC子站。
8)当下一个自动电压控制周期到来时，重新返回步骤2)，开始下一轮计算。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (1)
1.一种特高压直流换流站与近区发电厂的无功电压协调控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)设定自动电压控制周期为Tc；
2)在每个自动电压控制周期Tc到来时，记到来时刻为t0，对特高压直流换流站所在的近区电网，构造考虑换流站的二级电压控制模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：
2-1)设该近区电网区域用集合Zd来表示：
Zd＝{BP,BH,BDC,G}
其中，BP为区域中的中枢母线，BH为区域中的发电厂高压侧母线，BDC为区域中特高压直流换流站中换流站连接的交流母线即换流母线，G为区域中自动电压控制系统AVC控制的发电机；
2-2)确定模型的目标函数，表达式如下：
<mrow>
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<mi>g</mi>
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<mo>|</mo>
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<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>}</mo>
</mrow>
其中，Vp表示中枢母线当前电压，表示区域中的中枢母线设定电压，Cg为中枢母线无功电压灵敏度矩阵，ΔQg表示发电机无功出力的调节量，Wp和Wq为权重系数，α为增益系数，Θg为无功裕度向量，其第i个分量为:
<mrow>
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<mi>min</mi>
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</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，为发电机i的当前无功出力，为发电机i的无功出力的调节量，为发电机i的无功最大值，为发电机i的无功最小值，i为发电机的序号，||Θg||2为无功裕度向量集；
2-3)确定模型的约束条件，表达式如下：
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
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<mi>C</mi>
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</mrow>
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</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中，Cvg为高压侧母线无功电压灵敏度矩阵，VH表示发电机高压侧母线的当前电压，和分别表示中枢母线电压下限和中枢母线电压上限；和分别表示发电机无功下限和无功上限；和分别表示发电机高压侧母线的电压下限、电压上限和允许的单步最大调整量，Vdc为换流母线BDC的母线电压当前值，分别为换流母线BDC安全运行电压的下限值和上限值；Cdg为区域中AVC控制的发电机G的无功对换流母线电压的准稳态灵敏度矩阵；
3)从电网调度监控系统中读取特高压换流站未来时段Tt内的直流输送容量计划值，记为：其中t1～tn为未来n个控制周期的时刻，为每个时刻对应的直流输送容量计划值，n＝Tt/Tc；
4)对未来时段Tt的直流输送容量变化趋势进行判断，具体步骤如下：
4-1)在初始时刻Ti＝t1时，设置直流输送趋势增加计数器直流输送趋势减少计数器
4-2)利用步骤3)得到的结果进行判定：若满足则设置进入步骤4-3)；其中为直流输送趋势判定功率阈值；若满足则设置进入步骤4-3)；若以上两种情况均不满足，则两个计数器的数值均保持不变，进入步骤4-3)；
4-3)设置i＝i+1,并进行判定：若满足i＜n，则重新返回步骤4-2)，否则进入步骤5)；
5)对步骤4)的计数器结果进行判定：若满足或则判定未来时段Tt内的直流输送容量发生变化，进入步骤6)；否则进入步骤7)；其中为直流趋势判定的计数器阈值；
6)进行特高压直流换流站直流输送容量变化过程中的协调控制，具体为：调度中心AVC主站向区域Zd内的电厂AVC子站发送AVC控制闭锁指令，电厂AVC子站收到该指令后，闭锁AVC子站的控制调节功能，进入步骤8)；
7)进行特高压直流换流站直流输送容量平稳运行的协调控制，具体包括以下步骤：
7-1)调度中心AVC主站向区域Zd内的电厂AVC子站发送AVC控制解锁指令，电厂AVC子站收到该指令后，自动解除闭锁，恢复对电厂AVC子站发电机的正常调节；
7-2)从调度中心监控系统中读取特高压直流换流站与外部交流系统交换的无功容量并根据与预先设定的无功交换定值的比较结界，计算换流母线电压的动态上下限约束，具体步骤如下：
7-2-1)设置换流母线电压的动态上限约束下限约束V dc的初始值分别为：
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>V</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
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</mrow>
<mi>min</mi>
</msubsup>
</mrow>
其中：分别为换流母线安全运行的上、下限值；
7-2-2)分别计算换流母线电压的动态上限约束和下限约束V dc；具体如下：
如果满足：则分别计算换流母线电压的动态上限约束下限约束V dc，表达式如下：
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>V</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mrow>
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</mrow>
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</mrow>
其中，为预先设定的换流站与外部交流系统交换的无功容量上限值，为无功判定死区；为换流母线当前的电压量测值；
如果满足：则分别计算换流母线电压的动态上限束下限约束V dc，表达式如下：
<mrow>
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<mover>
<mi>V</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
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<mo>&OverBar;</mo>
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<mfenced open = "{" close = "">
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<mi>V</mi>
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<mi>d</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
<mi>min</mi>
</msubsup>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中，为预先设定的换流站与外部交流系统交换的无功容量下限值；
否则保持初始值
7-2-3)将计算得到的动态上限约束下限约束V dc，代入到步骤2)建立的模型中，将其中的约束条件C4更新为：
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
<mo>:</mo>
<msub>
<munder>
<mi>V</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</munder>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>&le;</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>C</mi>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>g</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>&Delta;Q</mi>
<mi>g</mi>
</msub>
<mo>&le;</mo>
<msub>
<mover>
<mi>V</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
并对更新后的模型进行计算，得到发电机无功出力的调节量ΔQg并下发近区发电厂AVC子站；
8)当下一个自动电压控制周期到来时，重新返回步骤2)，开始下一轮计算。
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