CN110707719A - 一种大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法，将母线电压给定值Vhref与测量值Vh的偏差△Vh送入附加高压侧母线电压动态控制环节，进行运算后得到输出值Uc，在电网受到扰动后的暂动态过程中将Uc叠加至调相机励磁调节器AVR的输入端以影响励磁电压和励磁电流，暂动态过程结束后Uc不再叠加至励磁调节器AVR的输入端。此种动态控制方法能够实现在电网系统受到扰动的暂动态过程中加大调相机励磁系统的出力，进一步发挥调相机的无功潜力，对电网系统提供更多无功支撑。

Description

一种大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法
技术领域
本发明属于调相机励磁控制技术领域，特别涉及一种大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法。
背景技术
随着特高压直流输电技术的逐步推广和工程应用，电网呈现“强直弱交”的特点：首先直流输电本身需要电网提供较强的无功和电压支撑；其次，由于直流输送有功功率的馈入，电网中原有部分发电机组停运，降低了电网无功和电压支撑能力；第三，直流输电对电网电压要求极高，电网电压发生小幅波动就可能导致直流输电出现换相失败的故障，进而引发有功和无功功率大幅波动，直接威胁电网安全。因此电网对无功补偿提出了更高要求，需要较强的无功补偿设备提供对系统有力的动态无功支撑，保证“强直弱交”情况下交直流混联电网安全稳定性。
近年陆续投入的大容量快速动态响应同步调相机即是用于在瞬态、暂态和稳态范围内向电网提供无功补偿，其在故障发生瞬间，需要快速发出大量无功功率，平息或减小电网电压波动，减少直流换相失败等故障发生概率；在故障恢复动态过程，亦具有快速的无功响应速度，提供持续快速的无功调节，起到对系统电压支撑作用；在稳态运行时，同样可为系统提供稳态无功补偿。
由于受机组定子电压等级限制，调相机需通过升压变接入电网系统。但由于升压变的存在，系统电压扰动时还是会削弱机端电压的变化幅度，使得励磁闭环控制的输入量变小，励磁控制输出量变化也有限；另外目前调相机励磁控制采用与常规发电机相同的基于机端电压的闭环调节(AVR，Automatic Voltage Regulator)，稳态时附加机组无功和母线电压决定无功变化，大扰动过程中则以机端电压闭环调节实现快速无功输出，母线电压未参与暂动态过程的调节。当机端电压恢复至目标值时励磁输出便不再增加，此时系统电压可能仍处于较低水平。上述因素导致调相机与电网系统的联系紧密度降低。比如2019年2月华东某换流站由于交流系统故障，根据现场录波数据分析母线电压由515.6kV跌落至455.8kV(降幅约11.6％)，四阀组同时发生换相失败；当时2台调相机在网运行，调相机端电压跌落6.6％，励磁触发角未到最小触发角，单台调相机输出无功最大51.6％(越额定容量的一半)；2018年12月华东某换流站也是由于交流系统故障，母线电压由516.6kV跌落至484.0kV(降幅约6.3％)，四阀组发生换相失败预警；2台调相机在网运行，调相机端电压跌落3.57％，励磁最小触发角62.2deg，单台机输出无功最大仅26.5％。以上分析和实例说明在系统扰动过程中调相机动态无功潜力有进一步发挥和提升的空间，以便对电网系统提供更有力的电压和无功支撑。
为了达到在电网系统扰动过程中进一步发挥调相机动态无功潜力，对电网提供更有力的无功支撑作用，有必要在调相机现有励磁系统控制策略上进行改进，提高调相机与系统的联系紧密度。而目前公开技术资料多是关于调相机与其他无功设备的协调(例如CN201710980422、CN201710307415)，或是关于在直流换向失败的特定情况下的辅助控制(例如CN201710643171)，或是关于调相机稳态无功控制(例如CN201711275753)，并且上述资料中提到的调相机暂态过程控制也是以调相机的机端电压为目标进行调节。上述由于采用机端电压闭环调节和通过升压变接入电网系统而导致的与系统联系紧密度降低的问题依然存在。本发明通过在暂动态过程中附加高压侧母线电压动态控制，可以起到对升压变阻抗压降的等效快速补偿作用，从而提高调相机与系统的联系紧密度，在系统扰动时能加大励磁系统出力，进一步发挥调相机的无功潜力，对电网系统提供更多无功支撑。目前还未见有关于在调相机暂动态过程中引入附加高压侧母线电压控制的公开技术资料。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法，实现在电网系统受到扰动的暂动态过程中加大调相机励磁系统的出力，进一步发挥调相机的无功潜力，对电网系统提供更多无功支撑。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法，将母线电压给定值Vhref与测量值Vh的偏差△Vh送入附加高压侧母线电压动态控制环节，进行运算后得到输出值Uc，在电网受到扰动后的暂动态过程中将Uc叠加至调相机励磁调节器AVR的输入端以影响励磁电压和励磁电流，暂动态过程结束后Uc不再叠加至励磁调节器AVR的输入端。
上述附加高压侧母线电压动态控制环节包含PID控制模块、限幅环节和叠加控制环节，其中，限幅环节对PID控制模块输出值进行最大值和最小值限幅，叠加控制环节则用于决定限幅环节输出值Uc是否叠加进入励磁调节器AVR的输入端。
上述PID控制模块采用由比例、积分和微分构成的并联PID，或采用由比例增益、超前环节和滞后环节构成的串联PID。
上述限幅环节采用正负值对称限幅或非对称限幅。
上述叠加控制环节根据母线电压值Vh决定是否将限幅环节输出值Uc叠加进入励磁调节器AVR的输入端，具体为：当Vh低于正常运行区间下限UnL或高于正常运行区间上限UnH时，将Uc叠加进入励磁调节器AVR的输入端；当Vh重新返回正常运行区间，Uc不再作用进入励磁调节器AVR输入端。
上述Vh重新返回正常运行区间，是指UnL+Udead＜Vh＜UnH+Udead时，其中，UnL为电网系统正常时所有运行方式下母线电压的下限值，UnH为电网系统正常时所有运行方式下母线电压的上限值；Udead为认为母线电压重新返回正常运行区间的死区值。
上述母线电压给定值Vhref由调相机监控系统设置，在稳态过程中根据母线电压实际测量值定时刷新，跟踪实际测量值。
采用上述方案后，本发明起到对升压变阻抗压降的等效快速补偿作用，从而提高调相机与电网系统的联系紧密度，在系统扰动时能加大励磁系统出力，进一步发挥调相机的无功潜力，对电网系统提供更多无功支撑。
附图说明
图1是附加高压侧母线电压动态控制的调相机励磁控制框图；
图2是由并联PID控制模块构成的附加高压侧母线电压动态控制结构图；
图3是由串联PID控制模块构成的附加高压侧母线电压动态控制结构图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
图1中虚框之外是典型的调相机励磁控制AVR框图，其输入为机端电压给定值与测量值的偏差，输出为至转子的励磁电压。它是以调相机机端电压为控制目标，维持机端电压恒定。虚框之内是附加高压侧母线电压动态控制环节，其输入为母线电压给定值Vhref与测量值Vh的偏差△Vh，输出为运算结果Uc，在电网受到扰动后的暂动态过程中将Uc叠加至调相机励磁调节器AVR的输入端以影响励磁电压和励磁电流，暂动态过程结束后Uc不再叠加至励磁调节器AVR的输入端。
附加高压侧母线电压动态控制环节由PID控制模块、限幅环节和叠加控制环节组成。PID控制模块可以是由比例、积分和微分构成的并联PID，如图2所示，其中Kp、Ki和Kd分别为并联PID模块的控制参数，可以整定；1/s表示积分环节，s表示微分环节。另外PID控制模块也可以是由比例增益、超前环节和滞后环节构成的串联PID，如图3所示，其中Kp为比例增益，T1、T2为超前环节时间常数(T1>T2)，T3、T4为滞后环节时间常数(T3<T4)，各参数均可以整定。
限幅环节是对PID控制模块的输出值进行最大值和最小值限幅，限幅环节可以是以0值为中心的正负值对称限幅，即上限幅和下限幅值的绝对值相等(|Vmax|＝|Vmin|)，比如上限值设为+0.1pu下限值设为-0.1pu；也可以是非对称限幅，即上限幅和下限幅值的绝对值不相等(|Vmax|≠|Vmin|)，比如上限值设为+0.1pu下限值设为0，或者上限值设为0下限值设为-0.1pu。总之限幅环节的上限幅和下限幅值可以分别整定，这主要取决于调相机的应用场合和应用需求。比如在直流输电系统的受端换流站，受端交流系统主要存在无功功率储备不足和电压支撑能力不足的问题，调相机主要用作在系统出现故障时为系统提供大量的无功支撑，稳定交流系统电压，降低直流系统换向失败的概率，在直流系统功率重启过程中促进直流功率恢复以防止连续换向失败，此时可以将上限值设为正值而下限值设为0，母线电压动态附加控制便主要用于加大励磁系统输出电压和电流，使调相机向系统提供更多无功支持。反之若在直流输电系统的送端换流站，送端交流系统主要存在大规模风光等新能源集中开发和短路容量不足的问题，一旦直流闭锁导致送端交流系统暂态电压升高，进而导致风光新能源发电设备大面积脱网，造成系统稳定性大幅下降，调相机主要用作在直流闭锁时从系统吸收大量的无功功率，进入深度进相运行，稳定交流系统电压，此时可以上限值设为0值而下限值设为负值，母线电压动态附加控制便主要用于快速减小励磁系统输出，使调相机快速进入进相运行，从系统吸收更多无功功率，抑制交流电压过高。
叠加控制环节根据母线电压值Vh决定是否将限幅环节输出Uc叠加进入励磁调节器AVR的输入端：当母线电压低于正常运行区间下限UnL或高于正常运行区间上限UnH时，叠加控制环节投入，将Uc叠加进入励磁调节器AVR的输入端以影响励磁输出电压和电流；当母线电压重新返回正常运行区间，即UnL+Udead＜Vh＜UnH+Udead时，叠加控制环节退出，Uc不再作用进入励磁调节器AVR输入端。其中，UnL为电网系统正常时所有运行方式下母线电压的下限值，UnH为电网系统正常时所有运行方式下母线电压的上限值；Udead为认为母线电压重新返回正常运行区间的死区值，可以整定。在暂态过程中当Uc叠加进入励磁调节器AVR的输入端后，高压侧母线电压便参与励磁AVR控制，实现对主变阻抗压降的等效补偿，提升了调相机与系统的联系紧密度，加大调相机励磁系统的出力，进一步发挥调相机的无功潜力。
母线电压给定值Vhref由调相机励磁控制之外的系统(如上级监控系统)设置，在稳态过程中根据母线电压实际测量值定时刷新，跟踪实际测量值。
进一步，附加高压侧母线电压动态控制运算环节是在调相机并网后的运行阶段才起作用，在调相机停止运行、启动拖动阶段、惰转并网阶段以及解列后的惰转阶段均不起作用。励磁控制器AVR通过并网开关位置、机端电流等条件判断调相机在并网运行状态才会使能附加母线电压动态控制环节，否则附加控制环节处于闭锁状态，输出值Uc强制为0。如果调相机并网运行、电网系统没有扰动、母线电压处于正常运行区间，则上级监控系统根据母线电压实际测量值定时刷新母线电压给定值，实现给定值跟踪实际测量值，限幅环节输出值Uc接近0值。一旦电网系统受到扰动、母线电压超出正常运行区间后附加动态控制环节才会影响励磁调节器AVR的输出。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法，其特征在于：将母线电压给定值Vhref与测量值Vh的偏差△Vh送入附加高压侧母线电压动态控制环节，进行运算后得到输出值Uc，在电网受到扰动后的暂动态过程中将Uc叠加至调相机励磁调节器AVR的输入端以影响励磁电压和励磁电流，暂动态过程结束后Uc不再叠加至励磁调节器AVR的输入端。
2.如权利要求1所述的大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法，其特征在于：所述附加高压侧母线电压动态控制环节包含PID控制模块、限幅环节和叠加控制环节，其中，限幅环节对PID控制模块输出值进行最大值和最小值限幅，叠加控制环节则用于决定限幅环节输出值Uc是否叠加进入励磁调节器AVR的输入端。
3.如权利要求2所述的大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法，其特征在于：所述PID控制模块采用由比例、积分和微分构成的并联PID，或采用由比例增益、超前环节和滞后环节构成的串联PID。
4.如权利要求2所述的大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法，其特征在于：所述限幅环节采用正负值对称限幅或非对称限幅。
5.如权利要求2所述的大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法，其特征在于：所述叠加控制环节根据母线电压值Vh决定是否将限幅环节输出值Uc叠加进入励磁调节器AVR的输入端，具体为：当Vh低于正常运行区间下限UnL或高于正常运行区间上限UnH时，将Uc叠加进入励磁调节器AVR的输入端；当Vh重新返回正常运行区间，Uc不再作用进入励磁调节器AVR输入端。
6.如权利要求5所述的大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法，其特征在于：所述Vh重新返回正常运行区间，是指UnL+Udead＜Vh＜UnH+Udead时，其中，UnL为电网系统正常时所有运行方式下母线电压的下限值，UnH为电网系统正常时所有运行方式下母线电压的上限值；Udead为认为母线电压重新返回正常运行区间的死区值。
7.如权利要求1所述的大容量调相机附加高压侧母线电压动态控制方法，其特征在于：母线电压给定值Vhref由调相机监控系统设置，在稳态过程中根据母线电压实际测量值定时刷新，跟踪实际测量值。
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