CN107863777B - 一种考虑低抗的送端换流站高功率波动时无功控制方法 - Google Patents

一种考虑低抗的送端换流站高功率波动时无功控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑低抗的送端换流站高功率波动时无功控制方法，当交直流系统交换的无功Qexc为负值时，送端换流站向交流系统注入过剩的无功，优先考虑低压电抗器吸收无功的能力，控制判据为：若Qexc在当前已投入低抗无功吸收量与再投入一组低抗后所有已投入低抗无功吸收量的范围内，低抗不动作；若超过该范围投入一组低抗，否则切除一组低抗；若过剩的无功超过了所有可用低抗吸收无功的能力，则直接切除一组交流滤波器；当Qexc为非负值时，换流站需要吸收无功，优先考虑直流配套电源提供无功的能力，同时采用交流电压判据控制交流滤波器的投切；本发明提出的控制方法减少直流系统高功率运行时交流滤波器的投切次数，对直流系统的安全运行具有重要意义。

Description

一种考虑低抗的送端换流站高功率波动时无功控制方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，涉及高压直流换流站无功控制技术领域，具体涉及一种考虑低抗的送端换流站高功率波动时无功控制方法。
背景技术
当高压直流送端换流站稳态运行时，站内消耗的无功主要由包括并联电容器在内的交流滤波器及直流配套电源提供的无功进行补偿。当送端换流站运行在较低功率的范围内时，由于投入交流滤波器的组数受到滤波性能的限制，使得交流滤波器提供的无功大于站内较小的无功消耗，导致换流站有过剩的无功注入交流系统。因此，当换流站产生过剩的无功时，连接在同站联络变低压侧母线上的低压电抗器通过配合交流滤波器的投切控制以吸收过剩的无功。国内现有直流工程采用的无功控制策略主要有无功功率控制与交流电压控制两种控制方法。无功功率控制方法通过控制交流滤波器及低抗的投入数量将交直流系统交换的无功控制在允许范围内；交流电压控制方法通过控制交流滤波器及低抗的投入数量将换流母线的交流电压控制在允许范围内。但是由于交流母线电压控制随系统接线方式和运行方式的变化而变化较大，在不利情况下将造成电压控制精度不够，使得系统内有大量的不平衡无功流动，实际工程中多采用无功功率控制方法。在无功功率控制方法中，低压电抗器投入的数量根据投入交流滤波器的组数变化而变化。当直流输送功率较高时，在现有无功功率控制方法下，优先考虑交流滤波器参与无功平衡的能力，若有过剩的无功注入交流系统，直流站控系统发出切除一组交流滤波器命令，使得站内交流滤波器在换流站高功率波动时频繁投切，低抗只在特定的直流输送功率范围内被投入，导致需要选相合闸的交流滤波器断路器频繁分合闸，无需选相合闸的低压电抗器断路器缺乏充分利用，严重影响交流滤波器的使用寿命。因此，研究在送端换流站高功率运行时，采用直流配套电源、低压电抗器及交流滤波器协调控制的控制方法对于减少交流滤波器频繁投切，保证直流系统安全运行具有重要意义。
发明内容
为解决换流站高功率波动时，站内包括并联电容器在内的交流滤波器频繁投切的问题，本发明提出了一种考虑低抗的送端换流站高功率波动时无功控制方法；本发明发法改善了在现有无功功率控制方法下，低压电抗器只根据投入滤波器的组数进行投切控制，提高了在换流站高功率波动时，投入低压电抗器的灵活性，从而达到减少交流滤波器投切次数的目的。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种考虑低抗的送端换流站高功率波动时无功控制方法，当直流输送功率高功率运行时，低压电抗器配合交流滤波器控制，包括如下步骤：
①设定各判据的门槛值:包括直流送端电源最大的无功支持能力QGmax、换流母线电压参考值Uref、换流母线电压死区值Uband及延时参考值tref；
②定时采集数据：包括换流母线实际电压Ubus、交直流系统交换的无功Qexc、投入单台低抗吸收的无功QL及当前投入低压电抗器的组数m；
③直流系统无功过剩判据单元判断，若Qexc小于0，则执行第步骤，否则执行第④步骤；
④若当前投入的低抗组数为1，执行第步骤，否则执行第⑤步骤；
⑤直流配套电源无功支撑能力判据单元判断，若Qexc不超过QGmax，则执行第⑥步骤，否则执行第步骤；
⑥换流母线电压判据单元判断，若Ubus小于Uref与Uband之差，则执行第⑧步骤，否则执行第⑦步骤；
⑦若Ubus大于Uref与Uband之和，则执行第⑨步骤，否则返回第②步骤；
⑧经过延时tref后，执行第⑩步；
⑨经过延时tref后，执行第步；
⑩若第⑤步骤与第⑥步骤仍同时满足，则执行第步骤，否则返回第②步骤；
若第⑤步骤与第⑦步骤仍同时满足，则执行第步骤，否则返回第②步骤；
低压电抗器投切控制单元判断：若Qexc不低于-(m+1)QL且小于-mQL，则执行第步骤，否则执行第步骤；
若Qexc不低于-(m-1)QL且小于-(m-2)QL，则执行第步骤，否则执行第步骤；
若Qexc小于-(m+1)QL，则执行第步骤，否则返回第②步骤；
投入一组交流滤波器；
切除一组交流滤波器；
投入一组低压电抗器；
切除一组低压电抗器。
所述步骤①中，各门槛值的设定原则如下：
(1)直流送端电源最大的无功支持能力QGmax为目标整流站附近可用的发电机组共同向其提供的最大无功，取站内无功消耗与交流滤波器组提供的总无功之差；
(2)换流母线电压参考值Uref取换流站的系统电压；
(3)为保证可靠控制留有一定裕度，换流母线电压死区值Uband取最大无功分组投切引起的电压波动的100％，即按照无功小组投切时换流站交流母线暂态电压波动不超过0.015p.u.计算；
(4)延时参考值tref为电压无功功率自动控制AVC子系统对直流配套电源无功出力的调节时间。
所述步骤②中，交直流系统交换无功Qexc及投入单台低抗吸收无功QL的采集过程如下：
Qexc由当前站内的无功消耗Qdc与当前站内交流滤波器提供的实际无功Qfilt共同决定，计算公式为:
Qexc＝Qdc-Qfilt (1)
其中，
式中，为换流器的功率因数角，单位为：°；α为换流器触发角，单位为：°；μ为换流器换相角，°；f为交流系统实际频率，单位为：Hz；fN为交流系统额定频率，单位为：Hz；c为单台无功补偿设备的有效电容，单位为：μF；Ubus为换流母线实际电压，单位为：kV；UN为换流母线额定电压，单位为：kV；QfiltN为换流母线在额定电压下投入无功补偿设备的总容量，单位为：MW；n为投入交流滤波器的组数；
QL与相对应变压器低压侧母线的电压有关，计算公式为：
式中，Ubus-low为低抗对应的低压母线的实际电压，单位为：kV；UN-low为低抗对应的低压母线的额定电压，单位为：kV；QLN为单台低抗在额定电压下的额定容量，单位为：MW；
上述计算过程由直流站控系统完成，本步骤直接调用计算结果Qexc与QL。
所述步骤③中，直流系统无功过剩判据的意义如下:
在高功率运行时，站内的无功消耗大，需要投入的交流滤波器组数多；在现有无功控制方法中，当交直流系统的无功交换量Qexc为负时，换流站有过剩的无功流向交流系统时，通过切除交流滤波器实现交直流系统的无功平衡；本步骤在交直流系统交换的无功Qexc小于零时，换流站有过剩的无功注入交流系统，优先进入低抗投切控制判据，以便发挥低抗吸收无功的能力，减少交流滤波器的投切次数；当交直流系统交换的无功Qexc不低于零时，换流站从交流系统吸收无功，优先进入交流滤波器投切控制单元，切除仍投入运行的低压电抗器并充分利用直流配套电源提供无功的能力，在保证减少交流滤波器投切次数的同时也使得低抗得到有效利用。
步骤④的实现意义为：
当交直流系统交换的无功不低于零时，送端换流没从交流系统吸收无功，不再需要低压电抗器吸收换流站产生的过剩无功；本步骤用于切除仍在投入运行的低压电抗器，使得低抗可以得到有效利用。
步骤⑤的实现意义如下:
在执行交流滤波器投切控制单元时，本步骤保证优先通过对直流配套电源无功出力的调节实现无功平衡，以便减少交流滤波器的投切次数
步骤⑥的实现意义如下：
本步骤通过对交流滤波器投入数量的限制保证换流母线电压Ubus不低于允许范围的下限，保证换流母线低电压保护不发生误动。
步骤⑦的实现意义如下：本步骤通过对交流滤波器切除数量的限制保证换流母线电压Ubus不高于允许范围的上限，避免换流母线产生过电压。
步骤⑧的实现意义如下：
在换流站需要无功补偿时，优先发挥电压无功自动控制AVC系统对直流配套电源无功出力的调节作用；经过AVC系统的调节时间后，再进一步调用交流滤波器实现无功平衡，以便减少交流滤波器频繁投切的次数。
步骤的判断依据是：
投入一组低压电抗器需满足的条件是：直流系统有过剩的无功流入交流系统，其值大于当前已投入低抗所能吸收无功的能力但不超过再投入一组低抗后所有已投入低抗所能吸收无功的能力；在本步骤中，换流站产生过剩的无功为交直流系统交换的无功Qexc小于零时的绝对值。
步骤的判断依据是：
切除一组低压电抗器需满足的条件是：当直流系统有过剩的无功流入交流系统时，过剩的无功大于切除一组低抗后所有已投入低抗吸收无功的能力且不超过切除两组低抗后所有已投入低抗吸收无功的能力；在本步骤中，换流站产生过剩的无功为交直流系统交换的无功小于零时的绝对值。。
步骤的判断依据是：
当站内过剩的无功超过了所有可用低抗吸收无功的能力，表示交流滤波器提供的无功超过站内无功消耗的部分已超出了低抗吸收无功的最大能力，则直接切除一组交流滤波器；在本步骤中，换流站产生过剩的无功为交直流系统交换的无功小于零时的绝对值。
本发明方法将根据交直流系统交换的无功为控制量控制低压电抗器的投入数量，即使在换流站高功率运行时，低压电抗器也可以根据相应的无功功率判据配合交流滤波器投入以实现交直流系统的无功平衡；本发明方法主要分为两个控制单元：若换流站有过剩的无功注入交流系统，优先进入低压电抗器投切控制单元，当所有可用低抗无法实现无功平衡时，再转入交流滤波器投切控制单元；若换流站需要吸收交流系统提供的无功，切除已投入的所有低抗，并优先转入采用交流母线电压与交直流系统交换的无功为控制量协调控制的交流滤波器投切控制单元，同时在充分考虑直流配套电源提供无功能力的基础上，加入延时环节。
本发明方法改善了在现有无功功率控制方法下，低压电抗器只根据投入滤波器的组数进行投切控制，提高了在换流站高功率波动时，投入低压电抗器的灵活性，从而达到减少交流滤波器投切次数的目的。
附图说明
图1是实现本发明方法的流程图。
图2是站内交流滤波器按原有方法投切次数的示意图。
图3是站内交流滤波器按本发明方法投切次数的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施列对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明是一种送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法，包括以下步骤：
步骤一：设定各判据的门槛值:包括直流送端电源最大的无功支持能力QGmax、换流母线电压参考值Uref、换流母线电压死区值Uband、及延时参考值tref；
步骤二：定时采集数据:包括换流母线实际电压Ubus、交直流系统交换的无功Qexc、投入单台低抗吸收的无功QL及当前投入低压电抗器的组数m；
步骤三：直流系统无功过剩判据单元判断，若Qexc小于0，则执行步骤十二，否则执行步骤四；
步骤四：若当前投入的低抗组数为1，执行步骤十八，否则执行步骤五；
步骤五：直流配套电源无功支撑能力判据单元判断，若Qexc不超过QGmax，则执行步骤六，否则执行步骤十五；
步骤六：换流母线电压判据单元判断，若Ubus小于Uref与Uband之差，则执行步骤八，否则执行步骤七；
步骤七：若Ubus大于Uref与Uband之和，则执行步骤九，否则返回步骤二
步骤八：经过延时tref后，执行步骤十；
步骤九：经过延时tref后，执行步骤十一；
步骤十：若步骤五与步骤六仍同时满足，则执行步骤十五，否则返回步骤二；
步骤十一：若步骤五与步骤七仍同时满足，则执行步骤十六，否则返回步骤二；
步骤十二：低压电抗器投切控制单元判断：若Qexc不低于-(m+1)QL且小于-mQL，则执行步骤十七，否则执行步骤十三；
步骤十三：若Qexc不低于-(m-1)QL且小于-(m-2)QL，则执行步骤十八，否则执行步骤十四；
步骤十四：若Qexc小于-(m+1)QL，则执行步骤十六，否则返回步骤二；
步骤十五：投入一组交流滤波器；
步骤十六：切除一组交流滤波器；
步骤十七：投入一组低压电抗器；
步骤十八：切除一组低压电抗器。
实施例
某330kV送端换流站的站内无功单元包括：14组额定容量为150MW包括并联电容器在内的交流滤波器与2组额定容量为90MW连接在同站联络变66kV低压侧的低压电抗器，正向双极运行时额定输送功率为4000MW。低压电抗器在换流站内解锁后投入2台低抗，当投入4组交流滤波器时切除1组低抗；当投入5组滤波器时切除剩下的1组低抗。按照本发明图1的流程图，具体的实施步骤如下所示：
步骤一：运用PSASP软件分别搭建交流系统在夏大、夏小、冬大，冬小运行时，直流系统在双极正向运行时的潮流模型，通过潮流计算得出直流送端电源最大的无功支持能力QGmax为950MW，换流母线电压参考值Uref为系统电压345kV，换流母线电压死区值Uband取系统电压的0,015倍即5kV，延时参考值tref取15min。
步骤二：定时读取数据：包括换流母线实际电压Ubus、交直流系统交换的无功Qexc、投入单台低抗吸收的无功QL及当前投入低压电抗器的组数m；
步骤三：若Qexc小于0，则执行步骤十二，否则执行步骤四；
步骤四：若当前投入的低抗组数为1，执行步骤十八，否则执行步骤五；
步骤五：直流配套电源无功支撑能力判据单元判断，若Qexc不超过950MW，则执行步骤六，否则执行步骤十五；
步骤六：换流母线电压判据单元判断，若Ubus小于340kV，则执行步骤八，否则执行步骤七；
步骤七：若Ubus大于350kV，则执行步骤九，否则返回步骤二；
步骤八：经过延时15min后，执行步骤十；
步骤九：经过延时15min后，执行步骤十一；
步骤十：若步骤五与步骤六仍同时满足，则执行步骤十五，否则返回步骤二；
步骤十一：若步骤五与步骤七仍同时满足，则执行步骤十六，否则返回步骤二；
步骤十二：低压电抗器投切控制单元判断：若Qexc不低于且小于则执行步骤十七，否则执行步骤十三；
步骤十三：若Qexc不低于且小于则执行步骤十八，否则执行步骤十四；
步骤十四：若Qexc小于则执行步骤十六，否则返回步骤二；
步骤十五：投入一组交流滤波器；
步骤十六：切除一组交流滤波器；
步骤十七：投入一组低压电抗器；
步骤十八：切除一组低压电抗器。
在目标整流站的站控系统中对无功控制模块做出相应的修改，站内包括并联电容器在内的交流滤波器在直流输送功率为2800MW～4000MW的范围内的投入次数如表1所示，低压电抗器的投切控制策略如表2所示：
表1
表2
根据表1的统计结果，结合图2与图3可知，在早上七点到晚上九点间，直流输送功率在2800MW～4000MW的范围内波动86次。原有方案下SC投切12次；本发明方案下SC投切0次，比原有方案少12次。由表2的统计结果可知，本发明发法使低压电抗器不再根据特定的交流滤波器投入数量投切，而是随着直流输送功率的变化而变化；在直流输送功率较高时，低压电抗器仍能参与实现交直流系统的无功平衡。

Claims (3)

1.一种考虑低抗的送端换流站高功率波动时无功控制方法，其特征在于，当直流输送功率高功率运行时，低压电抗器配合交流滤波器控制，包括如下步骤：
①设定各判据的门槛值:包括直流送端电源最大的无功支持能力QGmax、换流母线电压参考值Uref、换流母线电压死区值Uband及延时参考值tref；
②定时采集数据：包括换流母线实际电压Ubus、交直流系统交换的无功Qexc、投入单台低抗吸收的无功QL及当前投入低压电抗器的组数m；
③直流系统无功过剩判据单元判断，若Qexc小于0，则执行第步骤，否则执行第④步骤；
④若当前投入的低抗组数为1，执行第步骤，否则执行第⑤步骤；
⑤直流配套电源无功支撑能力判据单元判断，若Qexc不超过QGmax，则执行第⑥步骤，否则执行第步骤；
⑥换流母线电压判据单元判断，若Ubus小于Uref与Uband之差，则执行第⑧步骤，否则执行第⑦步骤；
⑦若Ubus大于Uref与Uband之和，则执行第⑨步骤，否则返回第②步骤；
⑧经过延时tref后，执行第⑩步；
⑨经过延时tref后，执行第步；
⑩若第⑤步骤与第⑥步骤仍同时满足，则执行第步骤，否则返回第②步骤；
若第⑤步骤与第⑦步骤仍同时满足，则执行第步骤，否则返回第②步骤；
低压电抗器投切控制单元判断：若Qexc不低于-(m+1)QL且小于-mQL，则执行第步骤，否则执行第步骤；
若Qexc不低于-(m-1)QL且小于-(m-2)QL，则执行第步骤，否则执行第步骤；
若Qexc小于-(m+1)QL，则执行第步骤，否则返回第②步骤；
投入一组交流滤波器；
切除一组交流滤波器；
投入一组低压电抗器；
切除一组低压电抗器。
2.如权利要求1所述考虑低抗的送端换流站高功率波动时无功控制方法，其特征在于，所述步骤①中，各门槛值的设定原则如下：
(1)直流送端电源最大的无功支持能力QGmax为送端换流站直流配套电源参与交直流系统无功平衡的最大能力，取站内无功消耗与交流滤波器组提供的总无功之差；
(2)换流母线电压参考值Uref取换流站的系统电压；
(3)为保证可靠控制并留有一定裕度，换流母线电压死区值Uband取不超过系统电压的0.015倍计算；
(4)延时参考值tref为电压无功功率自动控制AVC子系统对直流配套电源无功出力的调节时间。
3.如权利要求1所述考虑低抗的送端换流站高功率波动时无功控制方法，其特征在于，所述步骤②中，交直流系统交换的无功Qexc及投入单台低抗吸收的无功QL的采集过程如下：
Qexc由当前站内的无功消耗Qdc与当前站内交流滤波器提供的实际无功Qfilt共同决定，计算公式为:
Qexc＝Qdc-Qfilt (1)
其中
式中，为换流器的功率因数角，单位为：°；a为换流器触发角，单位为：°；μ为换流器换相角，单位为：°；f为交流系统实际频率，单位为：Hz；fN为交流系统额定频率，单位为：Hz；c为单台无功补偿设备的有效电容，单位为：μF；Ubus为换流母线实际电压，单位为：kV；UN为换流母线额定电压，单位为：kV；QfiltN为换流母线在额定电压下投入无功补偿设备的总容量，单位为：MW；n为投入交流滤波器的组数；
QL与相对应变压器低压侧母线的电压有关，计算公式为：
式中，Ubus-low为低抗对应的低压母线的实际电压，单位为：kV；UN-low为低抗对应的低压母线的额定电压，单位为：kV；QLN为单台低抗在额定电压下的额定容量，单位为：MW；
上述计算过程由直流站控系统完成，本步骤直接调用计算结果Qexc与QL。
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