CN107968410A - 一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，判断直流功率是否为额定值，确定直流系统的控制方式，求解交直流混联电网的降阶雅可比矩阵；如果直流功率小于额定值，对换流站交流母线电压与换流变压器变比之间的关系进行拟合，根据直流系统增量形式的准稳态模型和交直流混联电网的降阶雅可比矩阵，求出使直流功率达到额定值的换流站交流母线电压最小值，如果直流功率为额定值而直流功率提升量没有达到设定值，调整直流线路整流侧和逆变侧的同步调相机的运行点，使其进相运行，吸收无功功率；根据逆变侧同步调相机的励磁电压参考值与直流功率提升量的关系，求取逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量的估计值，通过仿真确定整流侧同步调相机的励磁电压参考值调整量。

Description

一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法
技术领域
本发明属于电力系统运行与控制领域，尤其涉及一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法。
背景技术
直流线路作为交直流混联电网主网架的重要组成部分，其功率调制能力对电网安全稳定运行起到重要作用，通过直流线路送、受端之间的配合，实现交直流系统的协调控制，抵御扰动对系统造成的冲击，例如，当受端大容量机组因故障停运而造成有功功率缺额时，可以通过直流功率提升，将受端的有功功率缺额在送、受端之间进行合理的分配，提高电网承受故障冲击的能力。
随着直流输电工程的相继建设与投运，直流功率提升在交直流混联电网安全稳定控制中的作用日益显著，但是在直流功率提升过程中，换流站从系统吸收大量的无功功率，导致换流站交流母线电压显著降低，使直流功率提升量无法达到设定值。为了提高直流功率提升能力，现有技术通常根据经验对直流线路整流侧和逆变侧的同步发电机励磁电压参考值进行调整，控制换流站交流母线电压，但是这种调整不能保证达到预期的直流功率提升效果，不恰当的调整甚至会降低直流功率提升量。因此，确定换流站交流母线电压值与直流功率提升量之间的关系，利用电压控制设备，提高交直流混联电网直流功率提升能力，是一个亟待解决的问题。同步调相机因其良好的调控性能，在直流输电工程中获得广泛应用。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，本发明以直流线路整流侧和逆变侧的同步调相机作为调控设备，分别考虑直流功率为额定值和小于额定值的情况，确定换流站交流母线电压值与直流功率、同步调相机励磁电压参考值与直流功率提升量之间的关系，对同步调相机进行调控。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，包括以下步骤：
(1)判断直流功率是否为额定值，确定直流系统的控制方式，求解交直流混联电网的降阶雅可比矩阵；
(2)如果直流功率小于额定值，对换流站交流母线电压与换流变压器变比之间的关系进行拟合，根据直流系统增量形式的准稳态模型和交直流混联电网的降阶雅可比矩阵，求出使直流功率达到额定值的换流站交流母线电压最小值；
(3)如果直流功率为额定值而直流功率提升量没有达到设定值，调整直流线路整流侧和逆变侧的同步调相机的运行点，使其进相运行，吸收无功功率；
(4)根据逆变侧同步调相机的励磁电压参考值与直流功率提升量的关系，求取逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量的估计值，通过仿真确定整流侧同步调相机的励磁电压参考值调整量。
其中，交直流混联电网的降阶雅可比矩阵特指由交直流混联电网交流母线注入无功功率不平衡量对母线电压幅值修正量的一阶偏导数构成的矩阵。
进一步的，所述步骤(1)中，当直流功率小于额定值时，直流功率提升作用会被削弱，进行直流功率提升前应保证直流功率为额定值。
进一步的，所述步骤(2)中，换流站交流母线电压与换流变压器变比之间的关系拟合为分段线性函数。
进一步的，所述步骤(2)中，直流系统增量形式的准稳态模型为整流侧直流功率增量等于整流侧或逆变侧空载直流电压增量、整流侧触发角或逆变侧熄弧角的余弦值与直流电流三者乘积；
直流功率提升量为直流功率提升过程达到稳态后整流侧的数值，应保证整流侧触发角在直流功率提升过程中不会始终处于最小值。
进一步的，所述步骤(3)中，调整直流线路整流侧和逆变侧的同步调相机的运行点，以增加同步调相机的控制裕度，从而降低直流功率提升过程中同步调相机无功功率输出量的最大值，减小控制代价。
进一步的，所述步骤(3)中，具体步骤包括：
(3-1)分别设定整流侧和逆变侧同步调相机无功功率吸收量的集合，对其进行组合，通过仿真得到直流功率提升量的变化量；
(3-2)定义同步调相机无功功率吸收量影响因子，以反映进相运行时整流侧和逆变侧同步调相机无功功率吸收量对直流功率提升量的影响程度，选取影响因子最小值所对应的组合作为整流侧和逆变侧同步调相机的无功功率吸收量。
进一步的，所述步骤(4)中，具体步骤包括：
(4-1)通过仿真得到直流功率提升量的实际值与设定值的差值，设定整流侧和逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量，通过仿真得到直流功率提升量的变化量，以实际值与设定值的差值与变化量的比值作为逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量的估计值；
(4-2)根据所得到的逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量的估计值，确定整流侧和逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量的变化范围，设定同步调相机的励磁电压参考值调整量步长，通过仿真得到保证直流功率提升量达到设定值的整流侧同步调相机的励磁电压参考值调整量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明充分利用直流线路整流侧和逆变侧同步调相机的调控能力，使换流站交流母线电压幅值在直流功率提升期间保持较高水平，显著提高交直流混联电网直流功率提升能力。通过合理地设置同步调相机的运行点，增加控制裕度，在提高直流功率提升能力的同时，降低同步调相机无功功率输出量的最大值，减少控制代价。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明确定同步调相机励磁电压参考值调整量的流程图；
图3是本发明实施例一的某省级交直流混联电网结构示意图；
图4是本发明实施例一直流线路直流功率提升效果图；
图5是本发明实施例一同步调相机进相运行效果图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，为了提高直流功率提升能力，现有技术通常根据经验对直流线路整流侧和逆变侧的同步发电机励磁电压参考值进行调整，控制换流站交流母线电压，但是这种调整不能保证达到预期的直流功率提升效果，不恰当的调整甚至会降低直流功率提升量。针对现有技术的不足，本发明以直流线路整流侧和逆变侧的同步调相机作为调控设备，分别考虑直流功率为额定值和小于额定值的情况，确定换流站交流母线电压值与直流功率、同步调相机励磁电压参考值与直流功率提升量之间的关系，通过对同步调相机进行调控，提高直流功率提升能力。
如图1所示，本发明提出了一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：判断直流功率是否为额定值，确定直流系统的控制方式，求解交直流混联电网的降阶雅可比矩阵。
判断直流功率是否为额定值的目的是，当直流功率小于额定值时，直流功率提升作用会被削弱，因此，进行直流功率提升前应保证直流功率为额定值。
直流线路两侧换流站交流母线电压幅值受到直流线路与交流系统之间的有功功率和无功功率交换的影响，可以采用相应的灵敏度方程来表征影响程度。当直流系统采用不同的控制方式时，灵敏度方程的表达形式不同。为便于分析，同时不失一般性，采用常规的整流侧定电流、逆变侧定熄弧角的控制方式。
对于纯交流系统，潮流计算的修正格式为：
式中，ΔPac、ΔQac分别为交流母线注入有功功率和无功功率不平衡量向量；JPδ、JPV、JQδ、JQV分别为雅可比矩阵的相应分块矩阵；Δδ、ΔV分别为交流母线电压相角和电压幅值修正量向量。
假设直流线路通过换流站交流母线i馈入，对雅可比矩阵进行修正。因为直流系统与交流系统之间的有功功率和无功功率交换只受到换流站交流母线电压幅值的影响，因此，对雅可比矩阵的修正只体现在JPV和JQV上，即
其中
式中，(JPV)i,i和(JQV)i,i分别为雅克比子矩阵JPV和JQV第i行、第i列元素；和分别为直流线路馈入交流系统的有功功率和无功功率对换流站交流母线i电压幅值的一阶偏导数。
因为输电网母线电压幅值主要受到无功功率的影响，令ΔP＝0，从而
ΔQ＝JRΔV
式中，JR为降阶雅可比矩阵，
由降阶雅可比矩阵，建立灵敏度方程
通过灵敏度方程，可以获得换流站交流母线电压变化量与注入无功功率变化量之间的关系。
步骤2：如果直流功率小于额定值，对换流站交流母线电压与换流变压器变比之间的关系进行拟合，根据直流系统增量形式的准稳态模型和交直流混联电网的降阶雅可比矩阵，求出使直流功率达到额定值的换流站交流母线电压最小值。
其中，换流站交流母线电压与换流变压器变比之间的关系可以拟合为分段线性函数：
nr＝Kr1×Vr+br1,ni＝Ki1×Vi+bi1，当Pdr＝PdN
nr＝Kr2×Vr+br2,ni＝Ki2×Vi+bi2，当Pdr＜PdN
式中，nr、ni分别为整流侧和逆变侧换流变压器变比，Vr、Vi分别为整流侧和逆变侧换流站交流母线电压，Kr1、Ki1、Kr2、Ki2与br1、bi1、br2、bi2分别为整流侧和逆变侧在直流功率为额定值和小于额定值时分段线性函数的斜率与常数项，Pdr、PdN分别为整流侧直流功率实际值和额定值。
直流系统的准稳态模型为
Pdr＝Vdr×Id
Vdr＝Vdi+Id×Rdc
Vdor＝Vr/nr,Vdoi＝Vi/ni
式中，Vdr、Vdi分别为直流线路整流侧和逆变侧的直流电压，Id为直流电流，Rdc为直流线路电阻，α为整流侧触发角，γ为逆变侧熄弧角，Vdor、Vdoi分别为整流侧和逆变侧的空载直流电压，Xcr、Xci分别为整流侧和逆变侧换流站换相电抗。
由于稳态条件下整流侧触发角、逆变侧熄弧角以及直流电流均保持不变，因此可以得到直流系统准稳态模型的增量形式为：
ΔPdr＝ΔVdor×cosα×Id
ΔPdr＝ΔVdoi×cosγ×Id
ΔVdor＝Vr/nr-Vr0/nr0
ΔVdoi＝Vi/ni-Vi0/ni0
设ΔPdr为直流功率实际值与额定值之间的差值，根据直流系统增量形式的准稳态模型，可以得到直流功率达到额定值时整流侧和逆变侧交流母线电压的最小值，进而根据交直流混联电网的降阶雅可比矩阵，求出整流侧和逆变侧换流站交流母线的无功功率补偿量。
步骤3：如果直流功率为额定值而直流功率提升量没有达到设定值，调整直流线路整流侧和逆变侧的同步调相机的运行点，使其进相运行，吸收一定的无功功率。
其中，直流功率提升量为直流功率提升过程达到稳态后整流侧的数值，应保证整流侧触发角在直流功率提升过程中不会始终处于最小值。
调整直流线路整流侧和逆变侧的同步调相机的运行点，使其进相运行的目的是，增加同步调相机的控制裕度，从而降低直流功率提升过程中同步调相机无功功率输出量的最大值，减小控制代价。确定进相运行时整流侧和逆变侧同步调相机无功功率吸收量的具体步骤为：
步骤3.1：设定整流侧同步调相机无功功率吸收量的集合Qscr为{Qr1,Qr2,Qr3,…QrNr}，逆变侧同步调相机无功功率吸收量的集合Qsci为{Qi1,Qi2,Qi3,…QiNi}，对其进行组合，通过仿真得到直流功率提升量的变化量ΔPdr1；
表1整流侧和逆变侧同步调相机无功功率吸收量及直流功率提升量的变化量
步骤3.2：定义同步调相机无功功率吸收量影响因子：
该影响因子反映了进相运行时整流侧和逆变侧同步调相机无功功率吸收量对直流功率提升量的影响程度，数值越小，影响程度越小，在上述表1中，选取qsc最小值所对应的Qr和Qi分别作为整流侧和逆变侧同步调相机的无功功率吸收量。
步骤4：根据逆变侧同步调相机的励磁电压参考值(Vref)与直流功率提升量的关系，求取逆变侧同步调相机的Vref调整量的估计值，通过仿真确定整流侧同步调相机的Vref调整量。如图2所示，确定同步调相机励磁电压参考值调整量的具体步骤为：
步骤4.1：通过仿真得到直流功率提升量的实际值Pdr0与设定值PS的差值，令整流侧和逆变侧同步调相机的Vref调整量为1％，通过仿真得到直流功率提升量的变化量ΔPdr1＝(Pdr1-Pdr0)，以(PS-Pdr0)/ΔPdr1作为逆变侧同步调相机的Vref调整量的估计值Vei_es；
步骤4.2：根据上述求得的逆变侧同步调相机的Vref调整量的估计值Vei_es，确定整流侧同步调相机的Vref调整量Ver的调整范围是[0.5×Vei_es,1.5×Vei_es]，逆变侧同步调相机的Vref调整量Vei的调整范围是[0.7×Vei_es,1.3×Vei_es]，设定同步调相机的Vref的调整量步长为0.1×Vei_es，通过仿真得到保证直流功率提升量达到设定值的整流侧同步调相机的Vref调整量。
实施例一
本实施例以某一省级交直流混联电网为例，对本发明的具体实现过程进行进一步说明。该交直流混联电网通过4条双回超高压和特高压交流线路从相邻外部电网受电，同时通过3条双极运行的超高压和特高压直流输电线路从送端系统受电，该电网的视在功率基准值为100MVA，图3为该电网的结构示意图。
对图3所示的换流站1所连接的直流线路1进行直流功率提升，直流功率提升量的设定值为直流功率额定值的30％，具体实现过程为：
(1)直流线路1的直流功率为4000MW，达到额定值，直流系统的控制方式为整流侧定电流(3.03kA)、逆变侧定熄弧角(17°)，求解交直流混联电网的降阶雅可比矩阵。
(2)调整直流线路整流侧和逆变侧的同步调相机的运行点，使其进相运行，设定整流侧同步调相机无功功率吸收量的集合Qscr为{1.5,1.8,2.1,2.4,2.7,3}(标幺值)，逆变侧同步调相机无功功率吸收量的集合Qsci为{1.5,1.8,2.1,2.4,2.7,3}(标幺值)，其中，对其进行组合，通过仿真得到直流功率提升量的变化量ΔPdr1(标幺值)。
表2直流线路1整流侧和逆变侧同步调相机无功功率吸收量及直流功率提升量的变化量
对表2列出的组合，分别求取同步调相机无功功率吸收量影响因子qsc，选取qsc最小值所对应的Qr和Qi分别作为整流侧和逆变侧同步调相机的无功功率吸收量，即表中用粗体标记的[3.0,1.5]组合，将其转换为有名值，则整流侧和逆变侧同步调相机无功功率吸收量分别为300Mvar和150Mvar。
(3)通过仿真得到直流功率提升量的实际值Pdr0与设定值PS的差值为193.55MW，令整流侧和逆变侧同步调相机的Vref调整量为1％，通过仿真得到直流功率提升量的变化量ΔPdr1＝(Pdr1-Pdr0)＝15.68MW，以(PS-Pdr0)/ΔPdr1＝12％作为逆变侧同步调相机的Vref调整量的估计值。令Vei的调整范围是8.4％到15.6％，Ver的调整范围是6％到18％，调整量步长都为1.2％，通过离线仿真确定直流功率达到设定值时直流两侧同步调相机的Vref的调整量分别为9.6％和13.2％。
如图4所示，通过实施本发明的方法，直流线路1的直流功率提升量达到设定值1200MW(4000MW×30％)，即直流功率从4000MW提升至5200MW；如果不施加调控，直流线路1的直流功率提升量只达到1000MW，即直流功率从4000MW提升至5000MW，未达到设定值。如图4所示，如果在直流功率提升前同步调相机不进相运行，通过施加本发明的步骤4，即调整同步调相机励磁电压参考值，直流线路1的直流功率提升量能够达到设定值1200MW，直流功率从4000MW提升至5200MW；但是，与直流功率提升前同步调相机进相运行相比，直流功率提升过程中同步调相机无功功率输出量较大，增加了控制代价，如图5所示。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)判断直流功率是否为额定值，确定直流系统的控制方式，求解交直流混联电网的降阶雅可比矩阵；
(2)如果直流功率小于额定值，对换流站交流母线电压与换流变压器变比之间的关系进行拟合，根据直流系统增量形式的准稳态模型和交直流混联电网的降阶雅可比矩阵，求出使直流功率达到额定值的换流站交流母线电压最小值；
(3)如果直流功率为额定值而直流功率提升量没有达到设定值，调整直流线路整流侧和逆变侧的同步调相机的运行点，使其进相运行，吸收无功功率；
(4)根据逆变侧同步调相机的励磁电压参考值与直流功率提升量的关系，求取逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量的估计值，通过仿真确定整流侧同步调相机的励磁电压参考值调整量。
2.如权利要求1所述的一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，其特征是：所述步骤(1)中，交直流混联电网的降阶雅可比矩阵特指由交直流混联电网交流母线注入无功功率不平衡量对母线电压幅值修正量的一阶偏导数构成的矩阵。
3.如权利要求1所述的一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，其特征是：所述步骤(1)中，当直流功率小于额定值时，直流功率提升作用会被削弱，进行直流功率提升前应保证直流功率为额定值。
4.如权利要求1所述的一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，其特征是：所述步骤(2)中，换流站交流母线电压与换流变压器变比之间的关系拟合为分段线性函数。
5.如权利要求1所述的一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，其特征是：所述步骤(2)中，直流系统增量形式的准稳态模型为整流侧直流功率增量等于整流侧或逆变侧空载直流电压增量、整流侧触发角或逆变侧熄弧角的余弦值与直流电流三者乘积。
6.如权利要求1所述的一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，其特征是：直流功率提升量为直流功率提升过程达到稳态后整流侧的数值，应保证整流侧触发角在直流功率提升过程中不会始终处于最小值。
7.如权利要求1所述的一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，其特征是：所述步骤(3)中，调整直流线路整流侧和逆变侧的同步调相机的运行点，以增加同步调相机的控制裕度，从而降低直流功率提升过程中同步调相机无功功率输出量的最大值，减小控制代价。
8.如权利要求1所述的一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，其特征是：所述步骤(3)中，具体步骤包括：
(3-1)分别设定整流侧和逆变侧同步调相机无功功率吸收量的集合，对其进行组合，通过仿真得到直流功率提升量的变化量；
(3-2)定义同步调相机无功功率吸收量影响因子，以反映进相运行时整流侧和逆变侧同步调相机无功功率吸收量对直流功率提升量的影响程度，选取影响因子最小值所对应的组合作为整流侧和逆变侧同步调相机的无功功率吸收量。
9.如权利要求1所述的一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，其特征是：所述步骤(4)中，通过仿真得到直流功率提升量的实际值与设定值的差值，设定整流侧和逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量，通过仿真得到直流功率提升量的变化量，以实际值与设定值的差值与变化量的比值作为逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量的估计值。
10.如权利要求1所述的一种提高交直流混联电网直流功率提升能力的方法，其特征是：所述步骤(4)中，根据所得到的逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量的估计值，确定整流侧和逆变侧同步调相机的励磁电压参考值调整量的变化范围，设定同步调相机的励磁电压参考值调整量步长，通过仿真得到保证直流功率提升量达到设定值的整流侧同步调相机的励磁电压参考值调整量。
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