CN110649591B - 调相机、statcom与upfc协调控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法，具体地，该方法包括三者在a)在投运、停运和检修时的协调控制；b)在运行模式下的协调控制；c)在控制点下的协调控制；d)对控制参数的协调控制。本发明通过调相机、STATCOM与UPFC的协调控制，能够综合考虑不同类型故障、电网运行方式等多项因素对动态无功补偿设备作用的影响，有助于规划和运行人员在运行动态无功补偿设备时做到安全、经济、高效。

Description

调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法

技术领域

本发明涉及电网调控领域，更具体地涉及一种调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法。

背景技术

现有的应用动态无功补偿装置的具体工程，各个专业仅按照规程规范要求进行设计，各个专业往往仅从各自角度考虑，对规程规范的理解存在局限性，缺乏对动态无功补偿装置全局策略的系统性的认知。目前我国尚没有对调相机、STATCOM和UPFC协调控制方法的系统性研究。目前在500kV变电站及配电网中有UPFC或调相机的应用实例，根据各自工程特点，按照现有规程规范的要求进行设计，所有控制策略均单独设置，尚无三者协调运行的案例。

此外，若受端电网新增调相机、STATCOM和UPFC等装置，由于调相机、STATCOM与UPFC有着不同的作用特点、控制方式及运行特性，如UPFC与调相机需要稳态和暂态控制模式的设置，设备存在检修、闭锁、稳定运行及过载运行等运行方式，如何合理地利用多种设备，形成科学的协调运行策略，对电网的灵活、经济、安全运行是一个有着重要的意义的问题。

因此，本领域尚缺乏一种调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法，以获得一种兼顾电网安全、经济以及设备可靠性的协调运行方法，进而为交直流互联电网中传统无功设备与新型电力电子设备的协调运行提供参考。

发明内容

本发明针对受端电网调相机、STATCOM与UPFC的协调运行进行研究，目的在于提供一种调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法，以兼顾电网安全、经济以及设备可靠性的协调运行，为交直流互联电网中传统无功设备与新型电力电子设备的协调运行提供参考，更加安全、经济、高效。

本发明提供了一种调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法，具体地，所述方法包括：

a)在投运、停运和检修时的协调控制：系统运行稳定时，所述调相机备用或零出力；所述STATCOM和所述调相机在直流小方式时检修；所述UPFC在电网负荷较轻时检修，在汛期或直流小方式时投运；

b)在运行模式下的协调控制：稳态运行时，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC尽可能减少出力；所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC均设置死区，在所述死区中采用零出力或定功率控制，在所述死区外快速响应故障；

c)在控制点下的协调控制：所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC均控制接入站点的电压；所述UPFC串联侧可同时控制线路的有功及无功功率；

d)对控制参数的协调控制：所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC在所述死区内不进行定电压控制；稳态运行时，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC仅对电压偏差最大的站点进行定电压控制；当故障发生后电压跌破所述死区范围，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC迅速发出动态无功响应，进入定电压控制，控制目标分别为控制点的平均电压。

在另一优选例中，在所述UPFC稳态控制线路潮流时，所述UPFC串联侧优先，所述UPFC并联侧备用。

在另一优选例中，在系统母线三相极度不平衡或电压过低故障切除前，所述UPFC模式转换为所述STATCOM模式，所述UPFC并联侧换流器用于提供无功支撑；在所述故障切除后，所述UPFC重新启动为潮流控制模式。

在另一优选例中，在所述死区中，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC均设置最大可用出力，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC可在不超过所述最大可用出力下出力。

在另一优选例中，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC控制的接入站点的电压为主网的母线电压。

在另一优选例中，所述UPFC串联侧对有功功率设置目标，无功功率的目标值有以下三种设置方式：

i)保持目标值与监测值不变，即delta Q＝0；

ii)保持线路功率因数不变，即deltaθ＝0；

iii)保持串联侧换流器使用功率最小，即min S；其中，Q为无功功率目标值；θ为受控线路的功率因数；S为串联侧换流器使用功率。

在另一优选例中，所述调相机、所述STATCOM和所述UPFC在所述死区内保留部分容量用于稳态电压调节，且保证稳态出力不超过额定容量的30％。

在另一优选例中，稳态运行时，所述电压偏差最大的站点为外部指令接口。

在另一优选例中，所述UPFC串联侧控制目标对应于线路正常及检修运行两种目标值，且所述UPFC串联侧控制目标具备手动下达功率值调整的功能。

在另一优选例中，所述调相机不能在一天内进行停运和投运的切换。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实例中的调相机、STATCOM与UPFC的协调控制方法的流程图；

图2是本发明一个实例中的调相机、STATCOM与UPFC协调控制的装置分布图；

图3是本发明一个实例中的调相机单独控制以及调相机、STATCOM与UPFC协调控制的无功出力对比图；

图4是本发明一个实例中的STATCOM单独控制以及调相机、STATCOM与UPFC协调控制的无功出力对比图；

图5是本发明一个实例中的UPFC单独控制以及调相机、STATCOM与UPFC协调控制的无功出力对比图。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，通过大量筛选，首次开发了一种调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法，该方法包括对运行模式、投运(停运)安排、控制点、控制参数等方面的协调。本发明提出的调相机、STATCOM与UPFC的协调控制方法给出了两种设备协调协调控制的方法，能够综合考虑不同类型故障、电网运行方式等多项因素对动态无功补偿设备作用的影响，有助于规划和运行人员在运行动态无功补偿设备时做到安全、经济、高效，在此基础上完成了本发明。

术语

如本文所用，术语“调相机”是指通过改变励磁电流的大小，实现从电网中吸收无功功率或者是输出无功功率的电机。

如本文所用，术语“STATCOM”即静止同步补偿器，主要由大功率电力电子器件和并联直流电容器构成，可以使该电路吸收或者发出满足系统所要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

如本文所用，术语“UPFC”即统一潮流控制器，由两个背靠背的电压源换流器构成，两个背靠背的换流器共用直流母线，三者都通过换流变压器接入系统。装置可发挥强大的交流输电线路潮流控制能力、提高电力系统暂态稳定性及抑制系统振荡的能力。

本发明提供了一种调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法。

典型地，本发明将分别独立应用于现有技术中的调相机、STATCOM与UPFC结合起来实现三者的协调控制，具体地在运行模式、投运(停运)安排、控制点、控制参数等状态下进行协调控制：

(1)停运、检修、备用与投运

调相机、STATCOM和UPFC设备均具备动态无功调节功能，UPFC还具有潮流控制功能，应根据系统运行情况考虑停运及投运，可尝试的原则为：

1)由于调相机为旋转电机，若投入系统运行即产生一定的损耗，并需要厂用系统支持，而STATCOM、UPFC在投入运行后可根据控制策略处于备用状态，稳态可近似零损耗。因此在系统稳定性较好的运行方式可考虑调相机停运，在一日内调相机不宜出现停运及投运的切换。

2)由于UPFC并联侧需为串联侧提供能量，因此在UPFC稳态控制线路潮流时(线路潮流较重时)，应考虑串联侧优先，并联侧原则上可设为备用状态不做稳态电压调整。

3)动态无功设备均涉及检修停运，由于直流小方式时受端电网电压稳定性较好，STATCOM及调相机应尽量选取直流小方式时检修。UPFC的检修时间应该选取电网负荷较轻的季节，这样才可以潮流较重时UPFC无法投入运行。汛期时直流闭锁会导致交流线路潮流较重，而直流小方式时交流线路本身潮流较重，这两个时段UPFC应保证投入运行。

(2)运行模式

调相机、STATCOM和UPFC设备均具备动态无功调节功能，UPFC还具有潮流控制功能，应根据系统运行情况考虑控制模式，可尝试的原则为：

1)为保证系统故障时动态无功设备能迅速提供无功支撑，稳态运行时各设备应尽可能减少出力，以保证故障时最大无功调节量。

2)UPFC串联侧会在母线三相极度不平衡或电压过低时触发闭锁信号，以保证故障期间设备不发生损坏。因此，UPFC在此类故障切除前应转换为STATCOM模式，并联侧换流器可全部用于提供无功支撑。而在故障切除后重新启动为潮流控制模式。

3)三种动态无功设备均应设置一定死区，在死区之中采用零出力或定功率控制，在死区之外快速响应故障。

4)死区中动态无功设备允许根据指令发出一定的出力，但设置最大可用出力。

(3)控制点

调相机、STATCOM一般为电压反馈控制，UPFC设备可同时控制线路潮流及站点电压，应根据系统运行情况考虑控制点，可尝试的原则为：

1)调相机、STATCOM以及UPFC并联侧根据设备监测控制回路均控制接入站点的电压。根据需要，为控制500kV主网的安全稳定，动态无功设备的控制量一般都为接入点500kV母线电压。

2)UPFC串联侧可同时控制线路的有功及无功功率，一般线路功率因素均大于0.9，因此控制有功功率基本可满足线路视在功率不越限。因此，串联侧仅对有功功率设置目标，无功功率的目标值有以下三种设置方式，具体策略可由运行单位决策。

i)保持目标值与监测值不变，即delta Q＝0；

ii)保持线路功率因数不变，即deltaθ＝0；

iii)保持串联侧换流器使用功率最小，即min S。

(4)控制参数

由于调相机、STATCOM和UPFC均可控制不同点的电压值，而电压值在各种运行方式并没有统一的分布规律，如分别指定控制目标可能出现参数不协调导致设备互相干扰。可尝试的原则为：

1)设置一定死区，死区内不进行定电压控制，但保留一定容量可作为稳态电压调节并保证稳态出力小于一定限额，可设置限额为30％。

2)如调度运行有需要稳态运行时控制区域的电压水平，则可以仅对电压偏差最大的站点进行定电压控制，即外部指令接口。但为保证动态无功设备的协调运行，不宜对多个站点输入外部电压控制指令。

3)对于故障发生后电压跌破死区范围的情况，各动态无功设备应迅速发出动态无功响应，进入定电圧控制，控制目标可分别为控制点的平均电压。

4)UPFC串联侧控制目标应对应于线路正常及检修运行两种目标值，可根据调度限额考虑。同时，串联侧目标也应具备手动下达功率值调整功能。

本发明的主要优点包括：

(a)提供了调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法，能够综合考虑不同类型故障、电网运行方式等多项因素对动态无功补偿设备作用的影响；

(b)有助于规划和运行人员在运行动态无功补偿设备时做到安全、经济、高效；

(c)为交直流互联电网中传统无功设备与新型电力电子设备的协调运行提供参考。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例

本实施例是将本发明的调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法应用于我国南部某区域的电网，该区域的电网负荷较大，需要外部电网的潮流输送电网提供大量电力支援以满足供用电平衡。导致该地区电网对外的交流通道潮流较重，一旦发生故障易引起潮流大规模、大范围转移以及直流连续换相失败问题。提高该区域电网的电压稳定水平，减少直流换相失败，该区域电网规划了如图2所示的新增调相机、STATCOM和UPFC等装置。

调相机、STATCOM和UPFC协调控制的流程图如图1所示，主要体现为：

a)停运、检修、备用、投运的状态配合；

b)运行模式的选择；

c)控制点及控制量的选择；

d)控制参数设置值的协调。

a)停运、检修、备用与投运

表1不同运行方式动态无功设备的使用选择

运行方式	夏高	夏低	冬高	冬低
					UPFC	投运	停运	投运	停运
STATCOM	停运/投运	停运	投运	停运
					调相机	投运	投运	停运	停运

表2各设备检修时间建议

设备	检修时间
		UPFC	直流枯期,轻负荷
STATCOM	直流枯期
		调相机	直流枯期

b)运行模式

表3无功设备的运行模式

设备	稳态方式	故障方式
			UPFC并联侧	定无功或零出力	死区外定电压
UPFC串联侧	定线路功率、越限控制或零出力	退出
			STATCOM	定无功或零出力	死区外定电压
调相机	旋转备用	死区外定电压

c)控制点

表4动态无功设备的控制点控制电气量

设备	稳态	故障
			UPFC并联侧	A地500kV电压	A地500kV电压
UPFC串联侧	线路潮流，定有功，定功率因数	退出
			STATCOM	D地500kV电压	D地500kV电压
调相机	C地500kV电压	C地500kV电压

d)控制参数

死区设置原则及死区判断原则：

1)死区区间

死区一般根据调度经验设置，可推荐的选择方法是根据一年最高、最低运行电压并考虑一定的事故后正常波动(±5kV)，或根据额定电压的95％-105％区间设置。例如，如A地2016年的最低运行电压为503kV，最高为521kV；D地2016年的最低运行电压为501kV，最高为522kV，可根据该范围内响应动态无功设备不进行定电压控制。

2)优化死区判断

由于故障后可能出现电压暂时回到稳态死区的范围内，但数个周波后又掉出死区，例如短路故障后系统在第二摆后电压才趋于稳定。因此，有必要对于逃出死区进行判断，判断可以采用电压变化率(dU/dt)或采用延迟判断(电压在一定时间内未跌出死区电压范围)。

3)死区外设备的出力协调

根据核实，只要死区设置合理，即使设备跌出死区，定电圧模式既可协调设备出力，两种设备会在不同时间先后进入死区。

4)死区可用出力

根据N×60Mvar的容量控制稳态最大出力，以应对稳态时电容器、电抗器检修等问题。根据计算2×60Mvar无功设备的电压调节量在1.4kV左右。

表5该区域500kV站点的电压运行实绩

站点	最低电压(kV)	最高电压(kV)	平均电压(kV)	电容器情况(Mvar)
					A地	503	521	510	60×4/60×6
D地	501	522	509	60×5/60×15
					C地			515	滤波器组17×207

表6各控制参数的协调配合

设备	死区(延迟0.2秒进入死区)	死区内可用出力
			UPFC并联侧	498-530(0.95-1.01pu.)	24％，60Mvar
STATCOM	498-530(0.95-1.01pu.)	40％，120Mvar
			调相机	498-530(0.95-1.01pu.)	20％，120Mvar

该区域电网发生故障后动态无功设备的运行情况如图3-5所示。可以看出，优化协调控制对于系统的效果优于单独控制，并且有助于动态无功设备发挥最大能力。动态无功设备在稳态运行时设置一定的死区有助于避免出现电压动态调整过程中产生的大量感性、容性交换。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种调相机、STATCOM与UPFC协调控制的方法，其特征在于，所述方法包括：

a)在投运、停运和检修时的协调控制：系统运行稳定时，所述调相机备用或零出力；所述STATCOM和所述调相机在直流小方式时检修；所述UPFC在电网负荷较轻时检修，在汛期或直流小方式时投运；

b)在运行模式下的协调控制：稳态运行时，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC尽可能减少出力；所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC均设置死区，在所述死区中采用零出力或定功率控制，在所述死区外快速响应故障；

c)在控制点下的协调控制：所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC均控制接入站点的电压；所述UPFC串联侧可同时控制线路的有功及无功功率；

d)对控制参数的协调控制：所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC在所述死区内不进行定电压控制；稳态运行时，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC仅对电压偏差最大的站点进行定电压控制；当故障发生后电压跌破所述死区范围，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC迅速发出动态无功响应，进入定电压控制，控制目标分别为控制点的平均电压。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述UPFC稳态控制线路潮流时，所述UPFC串联侧优先，所述UPFC并联侧备用。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在系统母线三相极度不平衡或电压过低故障切除前，所述UPFC模式转换为所述STATCOM模式，所述UPFC并联侧换流器用于提供无功支撑；在所述故障切除后，所述UPFC重新启动为潮流控制模式。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述死区中，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC均设置最大可用出力，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC可在不超过所述最大可用出力下出力。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调相机、所述STATCOM与所述UPFC控制的接入站点的电压为主网的母线电压。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述UPFC串联侧对有功功率设置目标，无功功率的目标值有以下三种设置方式：

i)保持目标值与监测值不变，即delta Q＝0；

ii)保持线路功率因数不变，即deltaθ＝0；

iii)保持串联侧换流器使用功率最小，即min S；其中，Q为无功功率目标值；θ为受控线路的功率因数；S为串联侧换流器使用功率。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调相机、所述STATCOM和所述UPFC在所述死区内保留部分容量用于稳态电压调节，且保证稳态出力不超过额定容量的30％。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，稳态运行时，所述电压偏差最大的站点为外部指令接口。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述UPFC串联侧控制目标对应于线路正常及检修运行两种目标值，且所述UPFC串联侧控制目标具备手动下达功率值调整的功能。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调相机不能在一天内进行停运和投运的切换。

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