CN110970940B - 一种应用于直流输电领域的调相机励磁系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于直流输电领域的调相机励磁系统，包括电压控制环和快速无功环，所述快速无功环叠加于电压控制环输入电压给定值上，同时还公开了其控制方法；能够实现稳态工况下调相机出力越限时，快速调节调相机无功出力跟踪给定目标值，为交流系统提供足够的动态无功储备，当系统出现异常工况时，调相机励磁系统采用电压闭环控制方式进行强增励磁或强减励磁，为暂态工况下的交流系统提供紧急动态无功支撑。

Description

一种应用于直流输电领域的调相机励磁系统及其控制方法
技术领域
本发明属于特高压直流输电技术领域，具体涉及一种应用于直流输电领域的调相机励磁系统及其控制方法。
背景技术
随着大容量和远距离特高压直流输电技术的快速发展，电网呈现“强直弱交”的特点。直流电网输送电能时，不仅无法给系统提供无功功率和电压支撑，还需占用大量无功功率，而大规模的新能源接入直流电网，直接减少了能为系统提供无功功率和电压支撑的传统发电机组容量，导致系统动态无功储备和电压支撑不足问题日益严重。直流输电系统对电网电压要求极高，电网电压的波动可能导致换流站里的换流阀换相失败，引起直流系统的闭锁故障，进而引发有功和无功功率大幅波动，直接威胁电网安全。
针对特高压直流输电系统对无功的要求，主要通过安装无源滤波器组和电力电子无功补偿装置实现。新一代大容量调相机因其在次暂态、暂态优异的动态无功补偿性能，近年来在特高压换流站大规模投入使用。同步调相机是一种具备在次暂态、暂态和稳态范围内均可以向电网提供动态无级无功补偿的装置。同步调相机的无功输出受系统电压影响小，具有短时强励、深度进相、稳定性好、反应迅速和使用寿命长等优点。
同步调相机本质上就是空载运行的同步电动机，能快速的向系统提供或吸收大量的无功功率，根据电机学可知无功的变化主要是改变励磁装置提供的励磁电流大小实现的。励磁装置主要作用为：维持发电机或其他控制点电压在给定水平；控制并联运行机组无功功率的合理分配和提高电力系统的稳定性。尤其电网发生故障导致电压跌落时，励磁装置会进入强励状态，调相机瞬时为电网提供大量无功，支撑系统电压。
同步调相机励磁装置正常运行在电压闭环模式下，即通过电压给定控制机端电压。调相机作为特高压换流站重要的无功补偿设备，其优异性能主要体现在次暂态、暂态工况下对系统电压的快速响应能力，其稳态无功补偿能力退居次位。传统的电压闭环模式，励磁装置虽然具备快速的无功响应速度，但当同步调相机的无功出力达到限制值时，励磁装置会自动增磁或减磁，满足调相机无功出力运行在安全稳定运行范围以内，此时，调相机无功出力处于满发状态，调相机系统没有足够的动态无功储备。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种应用于直流输电领域快速恢复调相机动态无功储备的励磁系统控制方法，能够实现稳态工况下调相机出力越限时，快速调节调相机无功出力跟踪给定目标值，为交流系统提供足够的动态无功储备，当系统出现异常工况时，调相机励磁系统采用电压闭环控制方式进行强增励磁或强减励磁，为暂态工况下的交流系统提供紧急动态无功支撑。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种应用于直流输电领域的调相机励磁系统，包括电压控制环和快速无功环，所述快速无功环叠加于电压控制环输入电压给定值上。
一种应用于直流输电领域的调相机励磁系统的控制方法，具体包括以下步骤：
在调相机控制环上增设快速无功环；
当换流站交流母线电压UH正常时，若调相机稳态无功出力在限定范围内，则不投入快速无功环，若调相机稳态无功出力不在限定范围内，则投入快速无功环；
当换流站交流母线电压UH异常时，不投入快速无功环。
作为进一步改进的技术方案，当换流站交流母线电压UH正常，即UHmin＜UH＜UHmax，且调相机稳态无功出力在限定范围内，即QGmin＜QG＜QGmax时，快速无功环处于运算状态且输出闭锁。
作为进一步改进的技术方案，所述投入快速无功环，具体为：
当换流站交流母线电压UH正常，即UHmin＜UH＜UHmax时，且调相机稳态无功出力不在限定范围内，即QG＜QGmin或QGmax＜QG时，将快速无功环的控制目标值Qref与调相机实际无功出力QG的差进行PID运算；
将快速无功环的输出ukq叠加在电压给定Uref上，直至快速无功环调节调相机无功出力QG满足QGmin＜QG＜QGmax时，退出快速无功环，同时，锁定快速无功环的退出点PID输出值ukq叠加于电压给定Uref上，ukq按设定时间常数T线性衰减至0。
作为进一步改进的技术方案，快速无功环一直处于运算状态，在不投入时，闭锁快速无功环输出ukq。
作为进一步改进的技术方案，在所述调相机稳态无功出力的限定范围内，直流系统正常运行时，由调相机提供的无功出力接近于零。
作为进一步改进的技术方案，在换流站交流母线电压UH异常，即UH＜UHmin或UHmax＜UH时，所述系统采用电压闭环PID运算，所述PID运算的输入为目标值Uref与调相机机端电压实际值U的差值，输出为励磁控制电压Ef。
作为进一步改进的技术方案，所述PID运算采用电压闭环PID运算，输入为电压给定Uref与调相机机端电压实际值U的差值，输出为励磁控制电压Ef。
作为进一步改进的技术方案，当UHmin＜UH＜UHmax且QG＜QGmin或QGmax＜QG时，电压给定Uref取调相机机端电压实际值U。
与现有技术相比，本发明有益技术效果如下：
本发明提供的一种应用于直流输电领域快速恢复调相机动态无功储备的励磁系统，当UHmin＜UH＜UHmax且QGmin＜QG＜QGmax，调相机稳态无功出力在限定范围内，系统具备突发故障工况下的母线无功支撑能力，不投入快速无功环；当UHmin＜UH＜UHmax且QG＜QGmin或QGmax＜QG，调相机稳态无功出力越限，系统动态无功储备不足，需投入快速无功环调节调相机无功出力，满足系统动态无功储备要求；当UH＜UHmin或UHmax＜UH时，判定母线电压异常，调相机励磁系统采用电压闭环控制方式进行强增励磁或强减励磁，为暂态工况下的交流系统提供紧急动态无功支撑。
本发明以固定无功补偿设备置换动态无功补偿设备，优化了直流换流站的固定无功和动态无功分布比例。满足于系统故障运行方式下更优异的动态特性。
附图说明
图1是本实施例中调相机主励磁系统电压主环叠加快速无功环控制示意图；
图2是本实施例中调相机不投入快速无功环控制示意图；
图3是本实施例中调相机投入快速无功环控制示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例
一种应用于直流输电领域的调相机励磁系统，包括电压控制环和快速无功环，所述快速无功环叠加于电压控制环输入电压给定值上。
一种应用于直流输电领域的调相机励磁系统的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、在调相机控制环上增设快速无功环；
步骤S2、当换流站交流母线电压UH正常时(UHmin＜UH＜UHmax)，①且调相机稳态无功出力在限定范围内，即QGmin＜QG＜QGmax时，如图2所示，快速无功环处于运算状态且输出闭锁，系统具备突发故障工况下的母线无功支撑能力，励磁装置判定EnQ为0，不投入快速无功环(需要说明的是，QGmin和QGmax的设定，保证了直流系统在正常运行工况下，调相机无功出力受限，如：对于300Mvar的调相机，直流系统正常运行时，假定调相机出力在0～50Mvar(受限区间)，在直流系统发生故障时，保证了调相机有足够的吸发无功的能力)，②且调相机稳态无功出力不在限定范围内，即QG＜QGmin或QGmax＜QG时，调相机稳态无功出力越限，系统动态无功储备不足，励磁装置判定EnQ为1，需投入快速无功环调节调相机无功出力，如图3所示，将快速无功环的控制目标值Qref与调相机实际无功出力QG的差进行PID运算，此时PID运算采用电压闭环PID运算，输入为电压给定Uref与调相机机端电压实际值U的差值，输出为励磁控制电压Ef，再将快速无功环的输出ukq叠加在电压给定Uref上，如图1所示，直至快速无功环调节调相机无功出力QG满足QGmin＜QG＜QGmax时，退出快速无功环，同时，锁定快速无功环的退出点PID输出值ukq叠加于电压给定Uref上，ukq按设定时间常数T线性衰减至0；③若调相机稳态无功出力不在限定范围内，则投入快速无功环，如图3所示；
当换流站交流母线电压UH异常时，即UH＜UHmin或UHmax＜UH时，不投入快速无功环，如图2所示，调相机励磁系统采用电压闭环PID控制方式进行强增励磁或强减励磁，为暂态工况下的交流系统提供紧急动态无功支撑，此时系统采用电压闭环PID运算，PID运算的输入为目标值Uref与调相机机端电压实际值U的差值，输出为励磁控制电压Ef。即励磁装置判定EnQ为0，无功环节叠加到Uref上的Ukq为0，EnQ为0则电压给定Uref为Uref'，调相机机端电压实际值U和Uref差值送入电压环节PID，生成励磁控制电压Ef。
本实施例中，快速无功环一直处于运算状态，在不投入时，闭锁快速无功环输出ukq。
本实施例中，调相机稳态无功出力的限定范围为人为限定，目的是保障直流系统正常运行时，由调相机提供的无功出力接近于零，以应对突发故障工况下调相机能够快速响应，对应故障形态，工作于强增励磁或强减励磁工况。
本实施例中，当UHmin＜UH＜UHmax且QG＜QGmin或QGmax＜QG时，电压给定Uref取调相机机端电压实际值U。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种应用于直流输电领域的调相机励磁系统的控制方法，其特征在于，所述调相机励磁系统包括电压控制环和快速无功环，所述快速无功环叠加于电压控制环输入电压给定值上；
所述方法具体包括以下步骤：
在调相机控制环上增设快速无功环；
当换流站交流母线电压UH正常时，若调相机稳态无功出力在限定范围内，则不投入快速无功环，若调相机稳态无功出力不在限定范围内，则投入快速无功环；
当换流站交流母线电压UH异常时，不投入快速无功环；
当换流站交流母线电压UH正常，即UHmin＜UH＜UHmax，且调相机稳态无功出力在限定范围内，即QGmin＜QG＜QGmax时，快速无功环处于运算状态且输出闭锁；
所述投入快速无功环，具体为：
当换流站交流母线电压UH正常，即UHmin＜UH＜UHmax时，且调相机稳态无功出力不在限定范围内，即QG＜QGmin或QGmax＜QG时，将快速无功环的控制目标值Qref与调相机实际无功出力QG的差进行PID运算；
将快速无功环的输出ukq叠加在电压给定Uref上，直至快速无功环调节调相机无功出力QG满足QGmin＜QG＜QGmax时，退出快速无功环，同时，锁定快速无功环的退出点PID输出值ukq叠加于电压给定Uref上，ukq按设定时间常数T线性衰减至0；
快速无功环一直处于运算状态，在不投入时，闭锁快速无功环输出ukq；
在所述调相机稳态无功出力的限定范围内，直流系统正常运行时，由调相机提供的无功出力接近于零；
在换流站交流母线电压UH异常，即UH＜UHmin或UHmax＜UH时，所述调相机励磁系统采用电压闭环PID运算，所述PID运算的输入为目标值Uref与调相机机端电压实际值U的差值，输出为励磁控制电压Ef；
所述PID运算采用电压闭环PID运算，输入为电压给定Uref与调相机机端电压实际值U的差值，输出为励磁控制电压Ef；
当UHmin＜UH＜UHmax且QG＜QGmin或QGmax＜QG时，电压给定Uref取调相机机端电压实际值U。
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