CN111262255B - 一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法 - Google Patents

一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法。增加调相机AVC子站与直流控保系统信息互联通道，在直流控保系统与调相机AVC子站中设置协调控制参数，随着直流换流站所需无功补偿的变化，调相机AVC子站以交直流系统无功交换量等信息为判据，遵循滤波电容器组优先动作，调相机后续精调，滤波电容欠补偿，调相机迟相补充的原则，下发滤波电容器组投切修正指令与调相机无功调节指令，使交直流系统无功交换量在半组滤波电容容量以内。本发明可有效提升直流受端电网的电压稳定水平，该发明可以基于调相机AVC子站就地控制模式，只需关注直流换流站整体与交直流系统无功交换量，无需全局优化与协调，控制策略简单，计算量小，可实施性强。

Description

一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统无功控制技术领域，具体涉及到一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法。
背景技术
随着特高压直流工程的大量投运，受端交流电网为了满足直流功率消纳与调峰需求，区域内的常规机组开机规模逐渐减少，系统动态无功支撑能力削弱，电压稳定裕度不断降低，尤其对于弱受端电网，交流故障导致系统电压失稳已经成为威胁电网安全稳定运行的主要因素。
为应对严重故障对电网的冲击，可以从紧急控制和预防控制两方面开展相应措施。目前常用的紧急控制方法包括切机切负荷、低压减载、联络线解列、直流功率调制(紧急提升或紧急速降)等措施，可以最大程度降低故障发生后对电网的不利影响，但是会造成发电和负荷损失。常用的预防控制方法主要是配套大容量调相机或者发电机组预留一定的旋转备用，将预想故障防范于未然，这些措施需要巨额的设备投资，且不利于发电厂的经济运行。
相关研究表明，受端交流电网的电压稳定水平与网侧和源侧稳态无功补偿比例直接相关。网侧无功补偿资源主要包括变电站低容低抗、直流换流站滤波电容等，源侧无功补偿资源主要包括常规发电机、同步调相机等。由电容器和发电机组的无功电压动态特性可知，当交流系统故障引起母线电压急剧跌落时，网侧电容器组暂态无功输出下降，源侧发电机或调相机暂态无功输出上升，如果稳态运行时电容器组无功补偿占比大，则故障时系统无功缺额更大，不利于电压恢复；若发电机或调相机无功补偿占比大，则故障时能够提供的无功支撑更多，有利于电压恢复。交流故障引起直流换相失败，后续恢复期间需要从交流系统吸收大量无功，若母线电压不能快速恢复，会使直流系统持续从交流系统吸收无功功率，导致连续换相失败后双极闭锁，甚至系统失稳。目前，对于如何充分协调和优化现有的各种无功电压调节资源，以较小的调度代价来提升特高压直流接入后受端电网的电压稳定水平还有待深入研究。
从已投运的直流换流站运行经验来看，调相机与滤波电容器的功能定位不相同，两者之间缺少协同配合。同步调相机主要用于提供动态无功支撑，虽然接入了AVC(Automatic Voltage Control，自动电压控制)系统进行统一调配，但原则上并不会参与系统的稳态电压调节，稳定运行时无功出力为零。直流换流站根据输送的有功功率大小需要消耗一定比例的无功功率，当前，直流控保系统主要采用电压控制或无功控制模式，投切滤波电容组器进行无功补偿，使直流换流站交流母线电压或交直流系统无功交换量在允许范围之内。
如何对调相机与直流换流站进行稳态无功协调控制，增加调相机的无功补偿比重，减少滤波电容的无功补偿比重，对于提升特高压直流接入后弱受端交流电网的电压稳定水平具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于解决上述如何对调相机与直流换流站进行稳态无功协调控制的技术问题，提供一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法，包括以下步骤：
在直流控保系统与调相机AVC子站中设置协调控制参数；
随着直流换流站所需无功补偿的变化，直流控保系统采用传统控制方式完成滤波电容器组第一轮投切，此时交直流系统无功交换量ΔQ在半组滤波电容容量以内；
直流控保系统向调相机AVC子站反馈滤波电容投入组数N和交直流系统无功交换量ΔQ和单组电容器对直流换流站母线电压的影响值ΔU；
调相机AVC子站预估切除一组滤波电容后，剩余滤波电容无功功率补偿减少量Qx，Qx的计算公式为
Figure GDA0002547113010000031
其中，Un为直流换流站母线电压额定值，ΔU为单组电容器对直流换流站母线电压的影响值，Qc为单组滤波电容功率补偿容量，N为投入的滤波电容器组数；
调相机AVC子站预估调相机无功出力增加至最大值后，剩余滤波电容无功补偿增加量Qy，Qy的计算公式为
Figure GDA0002547113010000032
其中，k为调相机台数，Q0为单台调相机当前无功出力值，Qmax为调相机控制系统中的最大无功出力值，Qc为单组滤波电容功率补偿容量；
调相机AVC子站计算总无功功率补偿减少量Qt，Qt的计算公式为Qt＝Qx-Qy；
调相机AVC子站以交直流系统无功交换量ΔQ、总无功功率补偿减少量Qt和调相机剩余可调容量为判据，向直流控保系统下发“维持现有投切方式”指令或“切除一组滤波电容”的修正投切指令；
直流控保系统以调相机AVC子站下发的指令类型和滤波电容现有投入组数为判据，决定是否执行“切除一组滤波电容”的修正投切指令，并向调相机AVC子站反馈动作报告信息；
调相机AVC子站依据交直流系统无功交换量ΔQ、调相机剩余可调容量和直流控保系统反馈动作报告信息类型，计算单台调相机无功出力值并生成控制指令，以下发给调相机控制系统以控制调相机执行。
进一步的，所述调相机AVC子站向直流控保系统下发不同的投切指令，其方法和判据如下：
所述调相机AVC子站以交直流系统无功交换量ΔQ、总无功功率补偿减少量Qt和调相机剩余可调容量为判据，向直流控保系统下发不同的投切指令；
根据交直流系统无功交换量ΔQ、总无功功率补偿减少量Qt和调相机剩余可调容量判定，设调相机投运台数为k，单台调相机当前无功出力值为Q0，若k(Qmax-Q0)≥Qt+1/2Qc-ΔQ，调相机AVC子站向直流控保系统下发“切除一组滤波电容”的修正投切指令；否则下发“维持现有投切方式”指令，其中，Qmax为调相机控制系统中的最大无功出力值，Qc为单组滤波电容功率补偿容量。
进一步的，所述直流控保系统判断是否执行修正投切指令，并向调相机AVC子站反馈动作报告信息，其方法和判据如下：
直流控保系统接收到“切除一组滤波电容”指令后，进行第二轮投切,若N≥Nmin+1，则执行“切除一组滤波电容”动作，稳定后重新监测统计直流换流站出线与交直流系统无功交换量ΔQ并反馈至调相机AVC子站，同时报告“修正投切动作完毕”；若N＝Nmin，则向调相机AVC子站报告“滤波电容投入组数已达最小值”，不执行“切除一组滤波电容”动作，其中，N为投入的滤波电容器组数，Nmin为直流控保系统中的滤波电容最少投入组数。
进一步的，当直流控保系统接收到“维持现有投切方式”指令后，向调相机AVC子站反馈“确定维持”信息。
进一步的，所述调相机AVC子站计算单台调相机无功出力值并生成控制指令，其判据为：调相机AVC子站根据交直流系统无功交换量ΔQ、调相机剩余可调容量和直流控保系统反馈的动作报告信息类型下发控制指令，当调相机AVC子站收到“确定维持”和“滤波电容投入组数已达最小值”信息后，若ΔQ＜0，继续判定，若k(Qmax-Q0)≥|ΔQ|，则Qref＝Q0+|ΔQ|/k其中，Qref为单台调相机无功出力值；否则Qref＝Qmax；若ΔQ≥0，继续判定，若Q0-|ΔQ|/k＞0，则单台调相机无功出力值为Qref＝Q0-|ΔQ|/k，否则Qref＝0；当调相机AVC子站收到“修正投切动作完毕”信息后，若k(Qmax-Q0)≥|ΔQ|，则单台调相机无功出力值为Qref＝Q0+|ΔQ|/k；否则Qref＝Qmax。
本发明的有益效果：由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明的同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法通过同步调相机和直流换流站的稳态无功协调控制，可以减少滤波器组无功补偿量，增加同步调相机的无功补偿量，一方面从源头减少了交流系统故障下电压跌落导致的直流无功补偿功率缺额，另一方面增加了故障发生后调相机的无功维持和暂态提升能力，可有效提升直流受端电网的电压稳定水平，该发明可以基于调相机AVC子站就地控制模式，只需关注直流换流站整体与交直流系统无功交换量，无需全局优化与协调，控制策略简单，计算量小，可实施性强。
附图说明
图1为同步调相机与直流换流站稳态无功协调控制示意图；
图2为同步调相机与直流换流站稳态无功协调控制流程图；
图3为直流换流站站内一次接线图；
图4为直流换流站500kV交流母线电压波形对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-4所示，本发明的优选实施例，一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法，包括以下步骤：
在直流控保系统与调相机AVC子站中设置协调控制参数；
随着直流换流站所需无功补偿的变化，直流控保系统采用传统控制方式完成滤波电容器组第一轮投切，此时交直流系统无功交换量ΔQ在半组滤波电容容量以内；
直流控保系统向调相机AVC子站反馈滤波电容投入组数N和交直流系统无功交换量ΔQ和单组电容器对直流换流站母线电压的影响值ΔU；
调相机AVC子站预估切除一组滤波电容后，剩余滤波电容无功功率补偿减少量Qx，Qx的计算公式为
Figure GDA0002547113010000061
其中，Un为直流换流站母线电压额定值，ΔU为单组电容器对直流换流站母线电压的影响值，Qc为单组滤波电容功率补偿容量，N为投入的滤波电容器组数；
调相机AVC子站预估调相机无功出力增加至最大值后，剩余滤波电容无功补偿增加量Qy，Qy的计算公式为
Figure GDA0002547113010000062
其中，k为调相机台数，Q0为单台调相机当前无功出力值，Qmax为调相机控制系统中的最大无功出力值，Qc为单组滤波电容功率补偿容量；
调相机AVC子站计算总无功功率补偿减少量Qt，Qt的计算公式为Qt＝Qx-Qy；
调相机AVC子站以交直流系统无功交换量ΔQ、总无功功率补偿减少量Qt和调相机剩余可调容量为判据，向直流控保系统下发“维持现有投切方式”指令或“切除一组滤波电容”的修正投切指令；
直流控保系统以调相机AVC子站下发的指令类型和滤波电容现有投入组数为判据，决定是否执行“切除一组滤波电容”的修正投切指令，并向调相机AVC子站反馈动作报告信息；
调相机AVC子站依据交直流系统无功交换量ΔQ、调相机剩余可调容量和直流控保系统反馈动作报告信息类型，计算单台调相机无功出力值并生成控制指令，以下发给调相机控制系统以控制调相机执行。
本发明的同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法通过同步调相机和直流换流站的稳态无功协调控制，可以减少滤波器组无功补偿量，增加同步调相机的无功补偿量，一方面从源头减少了交流系统故障下电压跌落导致的直流无功补偿功率缺额，另一方面增加了故障发生后调相机的无功维持和暂态提升能力，可有效提升直流受端电网的电压稳定水平。该发明可以基于调相机AVC子站就地控制模式，只需关注直流换流站整体与交直流系统无功交换量，无需全局优化与协调，控制策略简单，计算量小，可实施性强。
在本实施例中，所述调相机AVC子站向直流控保系统下发不同的投切指令，其方法和判据如下：
所述调相机AVC子站以交直流系统无功交换量ΔQ、总无功功率补偿减少量Qt和调相机剩余可调容量为判据，向直流控保系统下发不同的投切指令；
根据交直流系统无功交换量ΔQ、总无功功率补偿减少量Qt和调相机剩余可调容量判定，设调相机投运台数为k，单台调相机当前无功出力值为Q0，若k(Qmax-Q0)≥Qt+1/2Qc-ΔQ，调相机AVC子站向直流控保系统下发“切除一组滤波电容”的修正投切指令；否则下发“维持现有投切方式”指令，其中，Qmax为调相机控制系统中的最大无功出力值，Qc为单组滤波电容功率补偿容量。
在本实施例中，所述直流控保系统判断是否执行修正投切指令，并向调相机AVC子站反馈动作报告信息，其方法和判据如下：
直流控保系统接收到“切除一组滤波电容”指令后，进行第二轮投切,若N≥Nmin+1，则执行“切除一组滤波电容”动作，稳定后重新监测统计直流换流站出线与交直流系统无功交换量ΔQ并反馈至调相机AVC子站，同时报告“修正投切动作完毕”；若N＝Nmin，则向调相机AVC子站报告“滤波电容投入组数已达最小值”，不执行“切除一组滤波电容”动作，其中，N为投入的滤波电容器组数，Nmin为直流控保系统中的滤波电容最少投入组数。
在本实施例中，当直流控保系统接收到“维持现有投切方式”指令后，向调相机AVC子站反馈“确定维持”信息。
在本实施例中，所述调相机AVC子站计算单台调相机无功出力值并生成控制指令，其判据为：调相机AVC子站根据交直流系统无功交换量ΔQ、调相机剩余可调容量和直流控保系统反馈的动作报告信息类型下发控制指令，当调相机AVC子站收到“确定维持”和“滤波电容投入组数已达最小值”信息后，若ΔQ＜0，继续判定，若k(Qmax-Q0)≥|ΔQ|，则Qref＝Q0+|ΔQ|/k其中，Qref为单台调相机无功出力值；否则Qref＝Qmax；若ΔQ≥0，继续判定，若Q0-|ΔQ|/k＞0，则单台调相机无功出力值为Qref＝Q0-|ΔQ|/k，否则Qref＝0；当调相机AVC子站收到“修正投切动作完毕”信息后，若k(Qmax-Q0)≥|ΔQ|，则单台调相机无功出力值为Qref＝Q0+|ΔQ|/k；否则Qref＝Qmax。
本发明的一个具体实施方式包括以下步骤：
本实施例中直流换流站内一次系统接线方式如图3所示。站内配置滤波电容器3大组，共12小组；投运调相机1台，额定无功容量300Mvar；直流换流站通过四回出线接入交流电网，其中四回出线包括直流出线1、直流出线2、直流出线3和直流出线4，直流换流站母线电压额定值为525kV，其中，图3中的换流变即换流变压器，是直流输电系统的主要设备之一，此为现有技术，在此不做详述。
1)设置协调控制参数。滤波电容器组在提供无功补偿的同时需要满足最小滤波要求，一般取最小投入组数Nmin＝2；实施例中的单组滤波电容功率补偿容量Qc＝242Mvar，调相机最大无功出力取其额定容量一半，调相机额定无功容量为300Mvar，即Qmax＝150Mvar。
2)滤波电容器组第一轮投切。直流稳态运行工况从输电300万千瓦降低至200万千瓦。300万千瓦工况时调相机稳态无功出力为0，滤波电容投入6组，直流出线1、直流出线2、直流出线3和直流出线4直流换流站侧无功功率之和为92Mvar，即ΔQ＝92Mvar。直流输电功率降至200万千瓦工况时，直流消耗的无功功率减少，滤波电容第一轮切除后，最终剩余4组，此时四回直流出线直流换流站侧无功功率之和为118Mvar，即ΔQ＝118Mvar。
3)直流控保系统向调相机AVC子站反馈滤波电容投入组数N＝4和交直流系统无功交换量ΔQ＝118Mvar和单组滤波电容器对直流换流站母线电压影响值ΔU＝4.8kV。
4)调相机AVC子站预估切除一组滤波电容后，剩余滤波电容无功功率补偿减少量Qx。单组滤波电容器对直流换流站母线电压影响约为ΔU＝4.8kV，因此
Figure GDA0002547113010000091
5)调相机AVC子站预估调相机出力增加至最大值后，剩余滤波电容无功补偿增加量Qy。因为调相机台数为1，当前调相机无功出力为0，因此，
Figure GDA0002547113010000092
6)计算总的无功功率补偿减少量Qt＝Qx-Qy＝5.02Mvar。
7)调相机AVC子站向直流控保系统下发投切指令。根据交直流系统无功交换量ΔQ、总无功功率补偿减少量Qt和调相机剩余可调容量判定。因为调相机当前无功出力Q0＝0，最大无功出力Qmax＝150Mvar，故其可调容量为150Mvar，且调相机投运台数k＝1，所以k(Qmax-Q0)＞Qx+1/2Qc-|ΔQ|，调相机AVC子站向直流控保系统下发“切除一组滤波电容”的修正投切指令。
6)滤波电容器组第二轮投切。直流控保系统接收到“切除一组滤波电容”指令后进行判定。因为N＝4满足N≥Nmin+1，执行“切除一组滤波电容”动作，稳定后重新监测统计直流换流站四回出线与交直流系统无功交换量ΔQ＝-132Mvar，并反馈至调相机AVC子站，同时报告“修正投切动作完毕”。
7)计算单台调相机无功出力值。调相机AVC子站收到“修正投切动作完毕”信息后，因为k(Qmax-Q0)>|ΔQ|，故计算单台调相机无功出力值为Qref＝132Mvar。
当直流稳态运行工况从输电300万千瓦降低至200万千瓦，同步调相机与直流换流站稳态无功协调控制前，直流换流站滤波电容器需要投入4组；稳态无功协调控制后，滤波电容器只需投入3组，同步调相机无功出力132Mvar补充。当其中一回直流出线发生三相短路故障时，不采用协调控制电网会电压失稳，采用协调控制电网在故障冲击下仍然保持稳定。两种情况下直流换流站500kV交流母线电压波形对比如图4所示。
在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在直流控保系统与调相机AVC子站中设置协调控制参数；
随着直流换流站所需无功补偿的变化，直流控保系统采用传统控制方式完成滤波电容器组第一轮投切，此时交直流系统无功交换量ΔQ在半组滤波电容容量以内；
直流控保系统向调相机AVC子站反馈滤波电容投入组数N和交直流系统无功交换量ΔQ和单组电容器对直流换流站母线电压的影响值ΔU；
调相机AVC子站预估切除一组滤波电容后，剩余滤波电容无功功率补偿减少量Qx，Qx的计算公式为
Figure FDA0002547109000000011
其中，Un为直流换流站母线电压额定值，ΔU为单组电容器对直流换流站母线电压的影响值，Qc为单组滤波电容功率补偿容量，N为投入的滤波电容器组数；
调相机AVC子站预估调相机无功出力增加至最大值后，剩余滤波电容无功补偿增加量Qy，Qy的计算公式为
Figure FDA0002547109000000012
其中，k为调相机台数，Q0为单台调相机当前无功出力值，Qmax为调相机控制系统中的最大无功出力值，Qc为单组滤波电容功率补偿容量；
调相机AVC子站计算总无功功率补偿减少量Qt，Qt的计算公式为Qt＝Qx-Qy；
调相机AVC子站以交直流系统无功交换量ΔQ、总无功功率补偿减少量Qt和调相机剩余可调容量为判据，向直流控保系统下发“维持现有投切方式”指令或“切除一组滤波电容”的修正投切指令；
直流控保系统以调相机AVC子站下发的指令类型和滤波电容现有投入组数为判据，决定是否执行“切除一组滤波电容”的修正投切指令，并向调相机AVC子站反馈动作报告信息；
调相机AVC子站依据交直流系统无功交换量ΔQ、调相机剩余可调容量和直流控保系统反馈动作报告信息类型，计算单台调相机无功出力值并生成控制指令，以下发给调相机控制系统以控制调相机执行。
2.根据权利要求1所述的一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法，其特征在于，所述调相机AVC子站向直流控保系统下发不同的投切指令，其方法和判据如下：
所述调相机AVC子站以交直流系统无功交换量ΔQ、总无功功率补偿减少量Qt和调相机剩余可调容量为判据，向直流控保系统下发不同的投切指令；
根据交直流系统无功交换量ΔQ、总无功功率补偿减少量Qt和调相机剩余可调容量判定，设调相机投运台数为k，单台调相机当前无功出力值为Q0，若k(Qmax-Q0)≥Qt+1/2Qc-ΔQ，调相机AVC子站向直流控保系统下发“切除一组滤波电容”的修正投切指令；否则下发“维持现有投切方式”指令，其中，Qmax为调相机控制系统中的最大无功出力值，Qc为单组滤波电容功率补偿容量。
3.根据权利要求1所述的一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法，其特征在于：所述直流控保系统判断是否执行修正投切指令，并向调相机AVC子站反馈动作报告信息，其方法和判据如下：
当直流控保系统接收到“切除一组滤波电容”指令后，进行第二轮投切,若N≥Nmin+1，则执行“切除一组滤波电容”动作，稳定后重新监测统计直流换流站出线与交直流系统无功交换量ΔQ并反馈至调相机AVC子站，同时报告“修正投切动作完毕”；若N＝Nmin，则向调相机AVC子站报告“滤波电容投入组数已达最小值”，不执行“切除一组滤波电容”动作，其中，N为投入的滤波电容器组数，Nmin为直流控保系统中的滤波电容最少投入组数。
4.根据权利要求3所述的一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法，其特征在于：当直流控保系统接收到“维持现有投切方式”指令后，向调相机AVC子站反馈“确定维持”信息。
5.根据权利要求4所述的一种同步调相机与直流换流站的稳态无功协调控制方法，其特征在于，所述调相机AVC子站计算单台调相机无功出力值并生成控制指令，其判据为：调相机AVC子站根据交直流系统无功交换量ΔQ、调相机剩余可调容量和直流控保系统反馈的动作报告信息类型下发控制指令，当调相机AVC子站收到“确定维持”和“滤波电容投入组数已达最小值”信息后，若ΔQ＜0，继续判定，若k(Qmax-Q0)≥|ΔQ|，则Qref＝Q0+|ΔQ|/k，其中，Qref为单台调相机无功出力值；否则Qref＝Qmax；若ΔQ≥0，继续判定，若Q0-|ΔQ|/k＞0，则单台调相机无功出力值为Qref＝Q0-|ΔQ|/k，否则Qref＝0；当调相机AVC子站收到“修正投切动作完毕”信息后，若k(Qmax-Q0)≥|ΔQ|，则单台调相机无功出力值为Qref＝Q0+|ΔQ|/k；否则Qref＝Qmax。
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