CN110783931B - 一种调相机初始无功出力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑直流换相失败和过电压影响的调相机初始无功出力计算方法，包括(1)求解调相机无功出力表达式，进而求解调相机进相运行极限Q_{jx_SCmax}和滞相运行极限Q_{cx_SCmax}；(2)建立调相机发出无功值与短路比的关联模型；(3)建立直流甩负荷情况下过电压水平与短路比的关联模型；(4)建立故障瞬间直流闭锁情况下的母线电压变化量与调相机吸收无功极限值的关联模型；(5)建立考虑直流换相失败与过电压抑制效果的短路比与调相机初始无功值的关联模型；(6)求解使得短路比最大的调相机初始无功出力值。本发明改变了当前工程实际中调相机出力缺乏理论依据的问题，可充分发挥新一代调相机抵御直流换相失败以及抑制过电压的能力。

Description

一种调相机初始无功出力计算方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，更具体地，涉及一种考虑直流换相失败和过电压影响的新一代调相机初始无功出力计算方法。

背景技术

由于特高压直流输电工程在技术上、经济上和安全性等方面的突出优势，我国已成为世界范围内远距离直流输电应用前景最为广阔的国家。但随着公司电网“强直弱交”问题的日渐突出，特高压直流输电工程对电网动态无功支撑提出了更高的需求，因此具有大容量双向动态无功支撑优等特点的新一代大型调相机应运而生，并将在特高压电网大规模部署开来。然而，当前新一代调相机在热备用工况下为旋转备用，没有考虑其对交直流电网动态支撑能力的影响。在某些工程实际中，新一代调相机可能将发出或吸收一定初始无功，但其所发出无功出力值大小主要基于工程经验，缺乏相应的理论依据。

针对此，本发明针对特高压直流受端调相机在正常工况下其无功出力缺乏理论依据的情况，提出一种考虑直流换相失败和过电压影响的新一代调相机无功出力计算方法，将对新一代调相机的现场运行控制具有重要指导作用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，针对直流逆变侧调相机，本发明提供了一种考虑直流换相失败和过电压影响的新一代调相机无功出力计算方法，其目的在于提高充分发挥新一代调相机的动态无功支撑能力，寻找减小直流换相失败和抑制直流过电压的平衡点，为工程现场的新一代调相机无功出力提供理论依据。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种考虑直流换相失败和过电压影响的新一代调相机无功出力计算方法，具体包括以下步骤：

(1)根据励磁控制系统结构和电机电磁方程，求解调相机无功出力表达式，进而求解调相机进相运行极限Q_{jx_SCmax}和滞相运行极限Q_{cx_SCmax}；

(2)设定受端调相机初始无功出力值为Q_{Rec_SC0}，建立调相机发出无功值与短路比的关联模型，其中调相机发出无功值为Q_{cx_SCmax}-Q_{Rec_SC0}；

(3)建立直流甩负荷情况下过电压水平与短路比的关联模型；

(4)建立故障瞬间直流闭锁情况下的母线电压变化量与调相机吸收无功极限值的关联模型；其中，调相机吸收无功极限值为Q_{jx_SCmax}-Q_{Rec_SC0}；

(5)根据步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)中各关联模型，建立考虑直流换相失败与过电压抑制效果的短路比与调相机初始无功值的关联模型；

(6)求解使得短路比最大的调相机初始无功出力值。

进一步的，步骤(1)具体包括：

根据调相机机组电磁方程与控制系统，结合调相机机端电压U，得到调相机发出无功功率表达式，进一步得到，调相机进相运行极限Q_{jx_SCmax}和滞相运行极限Q_{cx_SCmax}：

其中，U为直流母线电压，X_d为调相机定子感抗，E_o为正常工况下机端电势，S_N为调相机额定容量，k_fm为调相机强励倍数，K_C为调相机短路比。

进一步的，步骤(2)中建立调相机发出无功值增量与直流电流的关联模型具体为：

式中：Q_c为无功补偿容量；α为触发延迟角；μ为换相角；C和K分别为与整流侧换流变压器参数及与直流系统基准值有关的两个常数；a和b为常数，表示通过换流器转换后的比例；U₁为受端换流母线电压，γ为受端逆变站熄弧角；X_d为直流输电线路阻抗，U为直流母线电压,Q_c为无功补偿容量，Bc为整流侧交流滤波器和无功补偿电容的等值导纳；P_d为直流有功功率、Q_d为直流无功功率；I_d为直流电流；|Z|∠θ为交流系统等值阻抗；E和δ为交流系统等值电势和功角；P_ac为交流系统有功；Q_ac为交流系统无功，U_d为直流电压，调相机发出无功功率增量为：

ΔQ_SC＝Q_{cx_SCmax}-Q_{Rec_SC0} (2)。

进一步的，步骤(3)具体包括：

根据直流双极闭锁跳换流变进线开关时，直流有功和无功均为0，建立工频过电压倍数模型：

其中，E为机组戴维南内电势，U_L为换流母线电压，Z和φ_E为系统阻抗幅值和相角，P和Q为换流站消耗的有功功率和无功功率，

设直流系统损失功率为ΔS＝ΔP+jΔQ，则过电压变化率为

其中，SCR为短路比，

S_ac为系统短路容量，S_dc为直流功率，Z为系统阻抗幅值，P_d为直流有功功率，Q_c为无功补偿容量，ΔP为直流系统损失的有功功率；ΔQ为直流系统损失的无功功率。

进一步的，步骤(4)中故障瞬间直流闭锁情况下的母线电压变化量ΔU表示为：

其中，P_d为直流有功功率，U_L为换流母线电压，Z为系统阻抗幅值，Q_c为无功补偿容量，ΔP为直流系统损失的有功功率；ΔQ为直流系统损失的无功功率。

进一步的，步骤(5)具体包括：

根据式(3)中第7个方程得到Q_c与调相机初始无功值Q_{Rec_SC0}的关系，根据式(3)中第9个方程得到Q_d与Q_c的关系，即得到Q_c与μ及U的关系，由式(3)第2和第3个方程可知，Q_d和I_d也与μ及U有关，于是联合式(3)中的第1,3,7个方程得到P_d、I_d与Q_c的关系，即P_d与I_d及调相机初始无功值Q_{Rec_SC0}之间关系，确定其中一个量，即得到另外两个之间的关系，

P_d＝f(I_d，Q_{Rec_SC0}) (7)

然后，根据式(6)得到母线电压变化量ΔU与P_d和调相机初始无功值Q_{Rec_SC0}值之间的关系：

ΔU＝f₁(P_d，Q_{Rec_SC0}) (8)。

进一步的，步骤(6)具体为：

联立式(7)和式(8)两个方程组，以传输直流功率最大和过电压水平最低为目标，对直流电流和调相机初始无功值进行求导，得到：

即得到考虑直流换相失败和过电压影响的调相机初始无功值。

本发明考虑了直流换相失败情况下需要调相机发出无功功率支撑和直流甩负荷情况下需要调相机吸收无功功率的需求，改变了当前工程实际中调相机出力缺乏理论依据的问题，可充分发挥新一代调相机抵御直流换相失败以及抑制过电压的能力，对工程实际具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的考虑直流换相失败和过电压影响的新一代调相机无功出力计算方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下结合实施例，具体阐述本发明提供的考虑直流换相失败和过电压影响的新一代调相机无功出力计算方法；实施例提供的考虑直流换相失败和过电压影响的新一代调相机无功出力计算方法，其流程如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤S1：根据励磁控制系统结构和电机电磁方程，求解调相机无功出力表达式，进而求解调相机进相运行极限Q_{jx_SCmax}和滞相运行极限Q_{cx_SCmax}；

具体的，根据调相机机组电磁方程与控制系统，结合调相机机端电压U，得到调相机发出无功功率表达式，进一步可以得到，调相机进相运行极限Q_{jx_SCmax}和滞相运行极限Q_{cx_SCmax}：

其中，X_d为调相机定子感抗，S_N为调相机额定容量，K_fm为调相机强励倍数，Kc为调相机短路比。

步骤S2：设定受端调相机初始无功出力值为Q_{Rec_SC0}，建立调相机发出无功值增量与直流电流的关联模型，其中调相机发出无功值ΔQ_SC为：

ΔQ_SC＝Q_{cx_SCmax}-Q_{Rec_SC0} (2)

其中，Q_{cx_SCmax}为调相机滞相运行极限无功。Q_{Rec_SC0}为直流逆变侧调相机初始运行无功值。

式中：Q_c为无功补偿容量；α为触发延迟角；μ为换相角；C和K分别为与整流侧换流变压器参数及与直流系统基准值有关的两个常数；a和b为常数，表示通过换流器转换后的比例；U₁为受端换流母线电压，γ为受端逆变站熄弧角；X_d为直流输电线路阻抗。U为直流母线电压(即调相机机端电压),Q_c为无功补偿容量，Bc为整流侧交流滤波器和无功补偿电容的等值导纳；P_d为直流有功功率、Q_d为直流无功功率；I_d为直流电流；|Z|∠θ为交流系统等值阻抗；E和δ为交流系统等值电势和功角；P_ac为交流系统有功；Q_ac为交流系统无功，U_d为直流电压。

步骤S3：建立直流甩负荷情况下过电压水平与短路比的关联模型；其中，调相机吸收无功极限值为Q_{jx_SCmax}-Q_{Rec_SC0}；

具体的，根据直流双极闭锁跳换流变进线开关时，直流有功和无功均为0，建立工频过电压倍数模型。

其中，E为机组戴维南内电势，U_L为换流母线电压，Z和φ_E为系统阻抗幅值和相角，P和Q为换流站消耗的有功功率和无功功率。

设直流系统损失功率为ΔS＝ΔP+jΔQ，则过电压变化率为

其中，SCR为短路比，

S_ac为系统短路容量，S_dc为直流功率，Z为系统阻抗幅值，P_d为直流有功功率，Q_c为无功补偿容量，ΔP为直流系统损失的有功功率；ΔQ为直流系统损失的无功功率。

步骤S4：建立故障瞬间直流闭锁情况下的母线电压变化量与调相机吸收无功极限值的关联模型；其中，调相机吸收无功极限值为Q_{jx_SCmax}-Q_{Rec_SC0}。

故障瞬间直流闭锁情况下的母线电压变化量可表示为：

其中，P_d为直流有功功率，U_L为换流母线电压，Z为系统阻抗幅值，Q_c为无功补偿容量，

步骤S5：根据步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)中各关联模型，建立考虑直流换相失败与过电压抑制效果的短路比与调相机初始无功值的关联模型；具体计算过程如下：

首先，根据式(3)中第7个方程可以得到Q_c与调相机初始无功值Q_{Rec_SC0}，根据式(3)中第9个方程可以得到Q_d与Q_c的关系，即可以得到Q_c与μ及U的关系。由式(3)第2和第3个方程可知，Q_d和I_d也与μ及U有关，于是联合式(3)中的第1,3,7个方程可以得到P_d、I_d与Q_c的关系，即P_d与I_d及调相机初始无功值Q_{rec_SC0}之间关系，确定其中一个量，即可得到另外两个之间的关系。

P_d＝f(I_d，Q_{Rec_SC0}) (7)

然后，根据式(6)可以得到母线电压变化量ΔU与P_d和调相机初始无功值Q_{rec_SC0}值之间的关系。

ΔU＝f₁(P_d，Q_{Rec_SC0}) (8)

步骤S6：求解使得短路比最大的调相机初始无功出力值。

联立式(7)和式(8)两个方程组，以传输直流功率最大和过电压水平最低为目标，对直流电流和调相机初始无功值进行求导，可以得到：

于是，可以得到考虑直流换相失败和过电压影响的调相机初始无功值。

本发明的实施例提出的考虑直流换相失败和过电压影响的新一代调相机无功出力计算方法，考虑了直流换相失败情况下需要调相机发出无功功率支撑和直流甩负荷情况下需要调相机吸收无功功率的需求，改变了当前工程实际中调相机出力缺乏理论依据的问题，可充分发挥新一代调相机抵御直流换相失败以及抑制过电压的能力，对工程实际具有重要意义。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种考虑直流换相失败和过电压影响的调相机初始无功出力计算方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据励磁控制系统结构和电机电磁方程，求解调相机无功出力表达式，进而求解调相机进相运行极限Q_{jx_SCmax}和滞相运行极限Q_{cx_SCmax}；

(2)设定受端调相机初始无功出力值为Q_{Rec_SC0}，建立调相机发出无功值与短路比的关联模型，其中调相机发出无功值为Q_{cx_SCmax}-Q_{Rec_SC0}；

(3)建立直流甩负荷情况下过电压水平与短路比的关联模型；

(4)建立故障瞬间直流闭锁情况下的母线电压变化量与调相机吸收无功极限值的关联模型；其中，调相机吸收无功极限值为Q_{jx_SCmax}-Q_{Rec_SC0}；

(5)根据步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)中各关联模型，建立考虑直流换相失败与过电压抑制效果的短路比与调相机初始无功值的关联模型；

(6)求解使得短路比最大的调相机初始无功出力值；

步骤(1)具体包括：

根据调相机机组电磁方程与控制系统，结合调相机机端电压U，得到调相机发出无功功率表达式，进一步得到，调相机进相运行极限Q_{jx_SCmax}和滞相运行极限Q_{cx_SCmax}：

其中，U为直流母线电压，X_d为调相机定子感抗，E_o为正常工况下机端电势，S_N为调相机额定容量，k_fm为调相机强励倍数，K_C为调相机短路比；

步骤(2)中建立调相机发出无功值增量与直流电流的关联模型具体为：

式中：Q_c为无功补偿容量；α为触发延迟角；μ为换相角；C和K分别为与整流侧换流变压器参数及与直流系统基准值有关的两个常数；a和b为常数，表示通过换流器转换后的比例；U₁为受端换流母线电压，γ为受端逆变站熄弧角；X_d为直流输电线路阻抗，U为直流母线电压,Q_c为无功补偿容量，Bc为整流侧交流滤波器和无功补偿电容的等值导纳；P_d为直流有功功率、Q_d为直流无功功率；I_d为直流电流；|Z|∠θ为交流系统等值阻抗；E和δ为交流系统等值电势和功角；P_ac为交流系统有功；Q_ac为交流系统无功，U_d为直流电压，调相机发出无功功率增量为：

ΔQ_SC＝Q_{cx_SCmax}-Q_{Rec_SC0} (2)；

步骤(3)具体包括：

根据直流双极闭锁跳换流变进线开关时，直流有功和无功均为0，建立工频过电压倍数模型：

其中，E为机组戴维南内电势，U_L为换流母线电压，Z和φ_E为系统阻抗幅值和相角，P和Q为换流站消耗的有功功率和无功功率，

设直流系统损失功率为ΔS＝ΔP+jΔQ，则过电压变化率为：

其中，SCR为短路比，

S_ac为系统短路容量，S_dc为直流功率，Z为系统阻抗幅值，P_d为直流有功功率，Q_c为无功补偿容量，ΔP为直流系统损失的有功功率；ΔQ为直流系统损失的无功功率；

步骤(4)中故障瞬间直流闭锁情况下的母线电压变化量ΔU表示为：

其中，P_d为直流有功功率，U_L为换流母线电压，Z为系统阻抗幅值，Q_c为无功补偿容量，ΔP为直流系统损失的有功功率；ΔQ为直流系统损失的无功功率。

2.如权利要求1所述的考虑直流换相失败和过电压影响的调相机初始无功出力计算方法，其特征在于：步骤(5)具体包括：

根据式(3)中第7个方程得到Q_c与调相机初始无功值Q_{Rec_SC0}的关系，根据式(3)中第9个方程得到Q_d与Q_c的关系，即得到Q_c与μ及U的关系，由式(3)第2和第3个方程可知，Q_d和I_d也与μ及U有关，于是联合式(3)中的第1,3,7个方程得到P_d、I_d与Q_c的关系，即P_d与I_d及调相机初始无功值Q_{Rec_SC0}之间关系，确定其中一个量，即得到另外两个之间的关系，

P_d＝f(I_d，Q_{Rec_SC0}) (7)

然后，根据式(6)得到母线电压变化量ΔU与P_d和调相机初始无功值Q_{Rec_SC0}值之间的关系：

ΔU＝f₁(P_d，Q_{Rec_SC0}) (8)。

3.如权利要求2所述的考虑直流换相失败和过电压影响的调相机初始无功出力计算方法，其特征在于：步骤(6)具体为：

联立式(7)和式(8)两个方程组，以传输直流功率最大和过电压水平最低为目标，对直流电流和调相机初始无功值进行求导，得到：

即得到考虑直流换相失败和过电压影响的调相机初始无功值。

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