CN107910877A - 一种送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法，采用双重判据，第一判据为直流配套电源无功支撑能力判据，保证了换流站需要直流送端电源提供的无功Q_ac‑dc不超过直流送端电源最大的无功支持能力Q_Gmax，否则直接投入一组SC型并联电容器(；第二判据为换流母线电压判据，在满足第一判据的基础上，若经过延时t_ref后，换流母线的交流电压U_bus仍小于电压参考值U_ref与电压死区值U_band之差，则投入一组SC；若U_bus大于U_ref与U_band之和，则切除一组SC；否则站内SC组保持当前组数；本发明所提出的控制方法采用双重判据并充分利用直流配套电源的无功支撑能力，在高压直流换流站高功率稳态运行时，减少直流输送功率频繁波动时SC的投切次数，延长SC断路器的使用寿命，对直流系统的安全经济运行具有重要意义。

Description

一种送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法

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，具体涉及一种送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法。

背景技术

在高压直流输电系统运行过程中，主要通过控制换流站内以交流滤波器及并联电容器(SC)为主的无功单元的投入顺序及数量，实现交直流系统的无功平衡。为防止交流滤波器过负荷并满足其滤波性能，投入无功单元的顺序一般为：先依次投入除备用组外的所有交流滤波器，再根据需要依次投入SC。当高压直流高功率运行时，站内的无功消耗较大，需投入的无功单元较多。因此，当高压直流高功率运行时，站内交流滤波器除备用组外已全部投入，则直流控制系统主要通过对SC的投切控制实现无功平衡。对于位于大型的水、火电站附近的送端换流站，直流配套电源也具有提供部分无功功率的能力。若直流配套电源参与换流站无功平衡的能力受到限制，则站内的无功消耗主要由SC提供的无功进行补偿，因而当直流输送功率频繁波动时，会使得SC频繁投切，导致相应的断路器频繁分合闸，严重影响断路器的使用寿命。

国内现有直流工程采用的无功控制方案主要基于ABB公司或SIEMENS公司的控制技术，针对并联电容器投切控制的方案主要有无功功率控制方案与电压控制方案两种典型的控制方案。电压控制方案将换流母线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案。无功功率控制方案将交直流系统的无功交换量控制在允许范围内，确保交直流系统无功平衡的实现，但是该控制方案的缺陷在于由于站内无功消耗随着输送功率的变化而变化，当直流输送功率频繁波动时，会使得SC频繁收到投切指令，继而导致相应断路器频繁投切。

综上所述，上述两种现有控制方案具有采用交直流系统的无功交换量或换流母线电压为单一控制量，并未充分考虑直流送端电源的无功支撑能力的缺点。由于以上缺点的存在，当直流输送功率频繁波动时，会使得SC频繁收到投切指令，导致相应断路器频繁投切，严重影响断路器的使用寿命。因此，在换流站高功率运行时，优化并联电容器的投切控制策略，减少相应断路器的频繁投切，延长断路器的使用期限，对直流系统的安全经济运行具有重要意义。

发明内容

为解决并联电容器频繁投切的问题，本发明提出了一种送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法，采用直流配套电源无功支撑能力判据单元(第一判据单元)与换流母线电压判据单元(第二判据单元)相协调的送端换流站并联电容器投切控制优化方案；本发明针对直流送端电源密集电气距离近的运行场景特点，在充分利用直流配套电源无功补偿能力的基础上，结合现有无功功率控制方案与交流电压控制方案这两种典型的无功控制方案，以直流配套电源对目标整流站的无功支撑能力及换流母线的交流电压为控制量，构建高压直流大负荷运行功率波动时并联电容器的投切控制优化方案；该方案的双重判据单元改善现有并联电容器控制方案中控制量单一的缺陷，延时环节充分考虑直流送端电源的无功支撑能力，目的是减少高压直流大负荷运行功率波动时并联电容器频繁投切的次数,可有效延长并联电容器断路器的使用寿命，对直流系统的安全经济运行具有重要意义。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法，采用无功支撑能力判据与换流母线电压判据这两个双重判据，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Q_Gmax、换流母线电压参考值U_ref、换流母线电压死区值U_band及延时参考值t_ref；

②定时读取数据：包括换流母线电压U_bus及当前直流配套电源向换流站提供的无功Q_ac-dc；

③交流系统无功支撑能力判据单元判断，若Q_ac-dc小于Q_Gmax，则执行第④步骤，否则执行第⑨步骤；

④换流母线电压判据单元判断，若U_bus小于U_ref与U_band之差，则执行第⑥步骤，否则进入第⑤步骤；

⑤若U_bus大于U_ref与U_band之和，则执行第⑦步骤，否则返回第②步骤；

⑥经过延时t_ref后，执行第⑧步；

⑦经过延时t_ref后，执行第⑨步；

⑧若第③步骤与第④步骤仍同时满足，则执行第⑩步骤，否则返回第②步骤；

⑨若第③步骤与第⑤步骤仍同时满足，则执行第步骤，否则返回第②步骤；

⑩由直流站控系统发出投入一组SC指令后，返回第②步骤；

由直流站控系统发出切除一组SC指令，返回第②步骤。

所述步骤①中，各门槛值的整定原则如下：

(1)直流送端电源最大的无功支持能力Q_Gmax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功率，取站内无功消耗与当前站内无功单元提供的总无功之差并留有一定欲度后的值；该值受直流工程的运行工况，交流系统的运行方式及接线方式的影响较大；因此应根据实际情况，对系统稳态运行时典型工况下的交直流系统利用电力系统分析综合程序(PSASP)等软件搭建潮流模型，进行潮流计算，得出各典型工况下换流站的无功消耗及当前投入站内无功单元的总无功；然后选取各结果的最小值以适应各种典型工况；最后留有合理的欲度后，可确定Q_Gmax；

系统稳态运行时的典型工况主要如交流系统的典型工况与直流系统的典型工况组合而成；交流系统的典型运行方式主要有夏大、夏小、冬大、冬小四种运行方式；对于确定为整流站的换流站(对于双向运行的换流站，可根据需求在整流站与逆变站间转换)而言，直流系统稳态运行时的典型工况为正向双极运行；

(2)换流母线电压参考值U_ref通常取换流站的系统电压；

(3)换流母线电压死区值U_band通常应大于最大无功分组投切所引起电压变化量的50％。一般情况下，为保证可靠控制留有一定裕度，电压死区值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t_ref为电压无功功率自动控制(AVC)子系统对换流母线电压的调节时间并考虑一定欲度，

设置t_ref的目的是优先调用直流配套电源的无功补偿能力，减少SC的投切次数；

在交流系统中，当换流母线等关键母线电压波动时，AVC子系统根据相应母线的电压变化值为依据通过调节各可调发电机的无功出力将目标母线电压维持在合理范围内，即直流配套电源是通过AVC子系统的控制作用向目标整流站提供无功功率或调解换流母线电压；因此根据目标整流站的实际情况，收集AVC系统通过各直流配套电源对由于站内无功变化导致换流母线电压波动的调节时间，选取最长的调节时间并留有合理的欲度作为t_ref。

所述步骤②中，当前直流配套电源向换流站提供的无功Q_ac-dc的采集过程如下：

Q_ac-dc由当前站内的无功消耗Q_dc与当前投入的SC提供的实际无功功率Q_filt共同决定，计算公式为:

Q_ac-dc＝Q_dc-Q_filt (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(对于逆变器，α应换为γ)，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；f_N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；U_bus为换流母线实际电压，单位为：kV；U_N为换流母线额定电压，；Q_filtN为换流母线在额定电压下投入无功补偿设备的总容量；投入SC的组数n；

上述计算过程由直流站控系统完成，本发明直接调用计算结果Q_ac-dc。

所述步骤③中，交流系统无功支撑能力判据的意义如下:

直流配套电源无功支撑能力判据为第一判据，优先级最高，该判据不受换流母线电压波动的影响，且门槛值Q_Gmax较大，能使得优先利用直流配套电源的无功支撑能力对换流站的无功消耗进行补偿，且能够随着站内无功消耗的大范围变化而变化；若某一时段第一判据不满足，说明该时段只依赖直流配套电源的无功支撑能力无法实现交直流系统的无功平衡，则需要投入一组SC。

4、所述步骤④中，换流母线电压判据的设定原则如下：

换流母线电压判据为第二判据，需在满足第一判据的基础上实施，该判据不受直流输送功率的影响；同时由于换流母线的电压的允许范围大致为系统电压的0.3倍，使得该范围较大，可保证在换流母线电压受到系统其他扰动的影响而产生微小的波动时，SC不会由于电压的频繁波动而频繁投切；本发明通过对SC的投切控制将换流母线电压控制在允许范围内，是防止换流母线过电压或低电压，进一步导致过电压或低电压保护误动，影响直流系统安全运行。

本发明所述的送端换流站并联电容器投切控制的优化方案采用双重判据：直流配套电源无功支撑能力判据与换流母线电压判据对SC的投切进行协调控制，其中换流母线电压判据(第二判据)需在满足直流配套电源无功支撑能力判据(第一判据)的基础上进行。在实际工程中，输送功率由于负荷的随机性而随机的频繁波动，则站内无功消耗会随机的发生变化，导致SC的投切时刻具有随机性。本发明所提出的优化方案优点是针对送端换流站直流配套电源密集的特点，充分利用直流配套电源的无功支撑能力，在高压直流送端换流站高功率运行时，解决由于输送功率频繁波动导致SC频繁投切的问题，延长相应断路器的使用寿命，对直流系统的安全运行具有重要意义。

附图说明

图1是实现本发明方法的流程图

图2是某送端换流站采取本发明方法的逻辑框图

图3是站内无功单元按原有方法的投切次数示意图

图4是站内无功单元按本发明方法的投切次数示意图

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Q_Gmax、换流母线电压参考值U_ref、换流母线电压死区值U_band及延时参考值t_ref；

步骤二：定时读取数据：包括换流母线电压U_bus及当前直流配套电源向换流站提供的无功Q_ac-dc；

步骤三：交流系统无功支撑能力判据单元判断，若Q_ac-dc小于Q_Gmax，则执行步骤四，否则执行步骤九；

步骤四：换流母线电压判据单元判断，若U_bus小于U_ref与U_band之差，则执行步骤六，否则进入步骤五；

步骤五：若U_bus大于U_ref与U_band之和，则执行步骤七，否则返回步骤二；

步骤六：经过延时t_ref后，执行步骤八；

步骤七：经过延时t_ref后，执行步骤九；

步骤八：若步骤三与步骤四仍同时满足，则执行步骤十，否则返回步骤二；

步骤九：若步骤三与步骤五仍同时满足，则执行步骤十一，否则返回步骤二；

步骤十：由直流站控系统发出投入一组SC指令后，返回步骤二；

步骤十一：由直流站控系统发出切除一组SC指令，返回步骤二。

实施例

某330kV送端换流站的站内无功单元共有14组交流滤波器，其中SC型并联电容器有7组，正向双极运行时额定输送功率为4000MW。该换流站通常在2800MW～4000MW较高的输送功率范围内稳态运行,站内无功单元的投切情况为7组其他类型交流滤波器全部投入，主要通过对并联电容器(SC)的投切控制实现交直流系统的无功平衡。该换流站的并联电容器投切控制策略为现有的无功功率控制方案，在该方案下13组直流配套电源共提供180MW的恒定无功。按照本发明的流程图，针对该送端换流站，本发明方案具体的实施步骤如下所示：

步骤一：运用PSASP软件分别搭建该换流站对应的交流系统在夏大、夏小、冬大，冬小运行时，该换流站对应的直流系统在双极正向运行时的潮流模型，通过潮流计算得出交流系统在夏大运行方式下，直流系统在双极正向额定功率运行时，直流配套电源的最大支撑能力最小，为950MW；U_ref取换流站系统电压值，345kV；U_band＝345×0.015≈5kV；t_ref取该换流站13组直流配套电源对应的AVC子系统的调节时间的最大值并留有一定欲度，取值为15min；

步骤二：定时读取数据:换流母线当前电压U_bus及当前直流配套电源向换流站提供的无功Q_ac-dc；

步骤三：交流系统无功支撑能力判据单元判断，若Q_ac-dc小于950MW，则执行步骤四，否则执行步骤九；

步骤四：换流母线电压判据单元判断，若U_bus小于345kV-5kV＝340kV，则执行步骤六，否则进入步骤五；

步骤五：若U_bus大于345kV+5kV＝350kV，则执行步骤七，否则返回步骤二；

步骤六：经过延时15min后，执行步骤八；

步骤七：经过延时15min后，执行步骤九；

步骤八：若步骤三与步骤四仍同时满足，则执行步骤十，否则返回步骤二；

步骤九：若步骤三与步骤五仍同时满足，则执行步骤十一，否则返回步骤二；

步骤十：由直流站控系统发出投入一组SC指令后，返回步骤二；

步骤十一：由直流站控系统发出切除一组SC指令，返回步骤二。

根据以上步骤，可得如图2所示的针对目标整流站采用本发明所述的并联电容器投切控制方案的逻辑原理图，当站内一组SC收到投入指令时，应满足式(2)或(3)：

Q_ac-dc>950MW (2)

Q_ac-dc<950MW，U_bus<345kV-5kV，t>15min (3)

当站内一组SC收到投入指令时，应满足式(4)：

Q_ac-dc<950MW，U_bus>345Kv+5kV，t>15min (4)

根据以上逻辑原理，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，站内并联电容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，此时站内的7组交流滤波器已全投入：

表1

根据表1的统计结果，可以结合日直流输送功率调整曲线得到目标换流站某日站内无功单元在原有方法和本发明发法下的投切次数，如图3与图4所示。其中，图3与图4中的直流输送功率调整曲线为同一条，其特点是直流输送功率在2750MW～4000MW的范围内波动86次。原有方案下站内交流滤波器共投切12次，其中SC型并联电容器投切12次，7组其他类型的交流滤波器始终保持投入运行状态；本发明方案下站内交流滤波器共投切4次，其中SC型并联电容器投切4次，7组其他类型的交流滤波器始终保持投入运行状态；本发明方案下SC型并联电容器的投切次数比原有方案少8次。

Claims (5)

1.一种送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法，其特征在于，采用无功支撑能力判据与换流母线电压判据这两个双重判据，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Q_Gmax、换流母线电压参考值U_ref、换流母线电压死区值U_band及延时参考值t_ref；

②定时读取数据：包括换流母线电压U_bus及当前直流配套电源向换流站提供的无功Q_ac-dc；

③交流系统无功支撑能力判据单元判断，若Q_ac-dc小于Q_Gmax，则执行第④步骤，否则执行第⑨步骤；

④换流母线电压判据单元判断，若U_bus小于U_ref与U_band之差，则执行第⑥步骤，否则进入第⑤步骤；

⑤若U_bus大于U_ref与U_band之和，则执行第⑦步骤，否则返回第②步骤；

⑥经过延时t_ref后，执行第⑧步；

⑦经过延时t_ref后，执行第⑨步；

⑧若第③步骤与第④步骤仍同时满足，则执行第⑩步骤，否则返回第②步骤；

⑨若第③步骤与第⑤步骤仍同时满足，则执行第步骤，否则返回第②步骤；

⑩由直流站控系统发出投入一组SC指令后，返回第②步骤；

由直流站控系统发出切除一组SC指令，返回第②步骤。

2.如权利要求1所述送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法，其特征在于，所述步骤①中，各门槛值的整定原则如下：

(1)直流送端电源最大的无功支持能力Q_Gmax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功率，取站内无功消耗与当前站内无功单元提供的总无功之差并留有一定欲度后的值；该值受直流工程的运行工况，交流系统的运行方式及接线方式的影响较大；因此应根据实际情况，对系统稳态运行时典型工况下的交直流系统搭建潮流模型，进行潮流计算，得出各典型工况下换流站的无功消耗及当前投入站内无功单元的总无功；然后选取各结果的最小值以适应各种典型工况；最后留有合理的欲度后，确定Q_Gmax；

系统稳态运行时的典型工况主要由交流系统的典型工况与直流系统的典型工况组合而成；交流系统的典型运行方式主要有夏大、夏小、冬大、冬小四种运行方式；对于确定为整流站的换流站而言，直流系统稳态运行时的典型工况为正向双极运行，对于双向运行的换流站，根据需求在整流站与逆变站间转换；

(2)换流母线电压参考值U_ref取换流站的系统电压；

(3)换流母线电压死区值U_band应大于最大无功分组投切所引起电压变化量的50％；为保证可靠控制留有一定裕度，电压死区值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t_ref为电压无功功率自动控制AVC子系统对换流母线电压的调节时间并考虑一定欲度，

设置t_ref的目的是优先调用直流配套电源的无功补偿能力，减少SC的投切次数；

在交流系统中，当换流母线类关键母线电压波动时，AVC子系统根据相应母线的电压变化值为依据通过调节各可调发电机的无功出力将目标母线电压维持在合理范围内，即直流配套电源是通过AVC子系统的控制作用向目标整流站提供无功功率或调解换流母线电压；因此根据目标整流站的实际情况，收集AVC系统通过各直流配套电源对由于站内无功变化导致换流母线电压波动的调节时间，选取最长的调节时间并留有合理的欲度作为t_ref。

3.如权利要求1所述送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法，其特征在于，所述步骤②中，当前直流配套电源向换流站提供的无功Q_ac-dc的采集过程如下：

Q_ac-dc由当前站内的无功消耗Q_dc与当前投入的SC提供的实际无功功率Q_filt共同决定，计算公式为:

Q_ac-dc＝Q_dc-Q_filt (1)

其中，

<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <msup> <msub> <mi>&amp;pi;fcU</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>u</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>f</mi> <msub> <mi>f</mi> <mi>N</mi> </msub> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>u</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>N</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi> <mi>t</mi> <mi>N</mi> </mrow> </msub> </mrow>

式中，为换流器的功率因数角，单位为：°；α为换流器触发角，对于逆变器，α应换为γ，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；f_N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；U_bus为换流母线实际电压，单位为：kV；U_N为换流母线额定电压，；Q_filtN为换流母线在额定电压下投入无功补偿设备的总容量；投入SC的组数n；

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Q_ac-dc。

4.如权利要求1所述送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法，其特征在于，所述步骤③中，交流系统无功支撑能力判据的意义如下:

直流配套电源无功支撑能力判据为第一判据，优先级最高，该判据不受换流母线电压波动的影响，且门槛值Q_Gmax大，能使得优先利用直流配套电源的无功支撑能力对换流站的无功消耗进行补偿，且能够随着站内无功消耗的大范围变化而变化；若某一时段第一判据不满足，说明该时段只依赖直流配套电源的无功支撑能力无法实现交直流系统的无功平衡，则需要投入一组SC。

5.如权利要求1所述送端换流站高功率波动时并联电容器投切控制方法，其特征在于，所述步骤④中，换流母线电压判据的设定原则如下：

换流母线电压判据为第二判据，需在满足第一判据的基础上实施，该判据不受直流输送功率的影响；同时由于换流母线的电压的允许范围大致为系统电压的0.3倍，使得该范围较大，保证在换流母线电压受到系统其他扰动的影响而产生微小的波动时，SC不会由于电压的频繁波动而频繁投切；通过对SC的投切控制将换流母线电压控制在允许范围内，是防止换流母线过电压或低电压，进一步导致过电压或低电压保护误动，影响直流系统安全运行。