CN111756051B - 一种直流输电无功补偿装置、控制方法及系统 - Google Patents

一种直流输电无功补偿装置、控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流输电无功补偿装置、控制方法及系统，本发明为调相机配置额外的电容器和电抗器，暂态时调相机输出无功，稳态时投切电容器和电抗器进行无功补偿，减小了调相机无功输出，增大了其无功调节的裕度，考虑了故障情况下调相机瞬时无功支撑能力和稳态下根据直流输电系统动态无功需求来配置调相机的容量，可以减小换流站内滤波器组不连续无功投入带来的电压冲击和静态误差。

Description

一种直流输电无功补偿装置、控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种直流输电无功补偿装置、控制方法及系统，属于无功补偿领域。
背景技术
高压直流输电在我国大容量远距离电力输送中广泛应用。高压直流输电换流站在运行中需要消耗大量无功功率，且换流站的无功波动将对直流送受端交流系统的电压稳定性带来较大影响。因此，直流换流站需加装无功补偿装置，来实现系统稳态无功平衡和换流站的动态无功支撑。
目前，世界上已有的无功补偿装置主要有三大类：投切式电容器和电抗器、静止无功补偿装置、调相机。目前常规换流站使用电容器和电抗器组成的滤波器组来补偿换流站的稳态无功需求。换流站在故障情况下，无功需求变化较快，仅由站内滤波器组进行无功补偿，无法满足系统的动态无功需求。新一代调相机作为同步旋转设备具有更强的动态无功支撑能力与暂态电压调节能力，更适合于当前高压直流工程输送容量大的电网结构特点。
文献(周挺,黄慧,刘林,李兆伟,吴雪莲,胡阳,吕嘉.基于调相机的直流近区电压无功协调优化方法)中的无功补偿装置，由于换流站内滤波器组单组容量较大，投切过程中会造成电压冲击和静态误差。因此急需一种新的无功补偿装置。
发明内容
本发明提供了一种直流输电无功补偿装置、控制方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种直流输电无功补偿装置，包括与高压侧母线连接的调相机，还包括与高压侧母线连接的若干电容器和若干电抗器；响应于所述无功补偿装置输入电压偏差处于暂态，调相机输出无功，进行无功补偿，电容器和电抗器不发挥作用；响应于所述无功补偿装置输入电压偏差处于稳态，投切电容器和电抗器进行无功补偿，减小了调相机无功输出。
调相机的容量上限和无功输出范围为，
QSCmax＝Qmax-Qds
其中，QSCmax为调相机的容量上限，Qmax为直流输电系统中换流站在大扰动下的动态无功需求峰值，Qds为直流输电系统中逆变器的无功需求稳态值；
响应于直流输电系统大功率运行，
Figure GDA0003300182360000021
响应于直流输电系统小功率运行，
Figure GDA0003300182360000022
其中，QSC为调相机的输出无功，Qfilter为直流输电系统中换流站内单个滤波器组容量，N为调相机台数，QΔ为电容器和电抗器的无功裕度。
所有电容器总容量为，
Figure GDA0003300182360000023
其中，QC为电容器的总容量，Qfilter为直流输电系统中换流站内单个滤波器组容量，QΔ为电容器和电抗器的无功裕度；
所有电抗器总容量为，
Figure GDA0003300182360000031
其中，QR为电抗器的总容量。
一种直流输电无功补偿装置的控制方法，包括电容器和电抗器控制方法、调相机控制方法；
电容器和电抗器控制方法，具体为，
响应于输入电压偏差处于稳态，将输入电压偏差经过比例-积分环节，得到需要电容器和电抗器补偿的无功；
根据需要电容器和电抗器补偿的无功以及投切信号产生逻辑，获得投切信号，控制相应电容器和/或电抗器的断路器投切；
调相机控制方法，具体为，
响应于输入电压偏差处于暂态或稳态，将输入电压偏差经过比例环节输入调相机，控制调相机输出无功。
响应于检测到断路器动作，将积分环节清零。
比例环节的比例常数K范围为30～120；比例-积分环节中，比例环节的比例常数Kp范围为1～4，积分环节的积分常数Kf范围为50～200。
投切信号产生逻辑为，
响应于QRC_ref≥QC/m、且有电抗器已投入，则切除一台电抗器，否则投入一台电容器；其中，QRC_ref为需要电容器和电抗器补偿的无功，QC为电容器的总容量，m为电容器台数；
响应于QRC_ref≤-QR/n、且有电容器投入，则切除一台电容器，否则投入一台电抗器；其中，QR为电抗器的总容量，n为电抗器台数。
一种直流输电无功补偿装置的控制系统，包括电容器和电抗器控制系统、调相机控制系统；
电容器和电抗器控制系统包括，
PI控制模块：响应于输入电压偏差处于稳态，将输入电压偏差经过比例-积分环节，得到需要电容器和电抗器补偿的无功；
投切信号产生模块：根据需要电容器和电抗器补偿的无功以及投切信号产生逻辑，获得投切信号，控制相应电容器和/或电抗器的断路器投切；
调相机控制系统包括，
AVR模块：响应于输入电压偏差处于暂态或稳态，将输入电压偏差经过比例环节输入调相机，控制调相机输出无功。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行直流输电无功补偿装置的控制方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行直流输电无功补偿装置的控制方法的指令。
本发明所达到的有益效果：本发明为调相机配置额外的电容器和电抗器，暂态时调相机输出无功，稳态时投切电容器和电抗器进行无功补偿，减小了调相机无功输出，增大了其无功调节的裕度，考虑了故障情况下调相机瞬时无功支撑能力和稳态下根据直流输电系统动态无功需求来配置调相机的容量，可以减小换流站内滤波器组不连续无功投入带来的电压冲击和静态误差。
附图说明
图1为本发明装置的结构图；
图2为伯德图；
图3为本发明方法的流程框图；
图4为未加调相机、电容器和电抗器情况下，故障期间换流站交流电压波动曲线；
图5为加调相机情况下，故障下换流站交流电压波动曲线；
图6为加调相机情况下，故障下调相机无功出力曲线；
图7为加调相机、电容器和电抗器情况下，加调相机、电容器和电抗器情况下；
图8为加调相机、电容器和电抗器情况下，故障下调相机无功出力曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
以高压直流输电系统为实施例。其中送端交流系统的额定电压为330kV，受端交流系统的额定电压为500kV。换流站均采用12脉波的整流桥，即双桥串联结构，直流双极运行额定容量为4000MW，直流额定电压为660kV。整流侧采用带有最小触发角限值的定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制。整流站内和逆变站内均接有滤波器组提供换流站稳定运行时的无功补偿。
如图1所示，上述系统对应的直流输电无功补偿装置包括调相机、若干电容器和若干电抗器，调相机、所有电容器和所有电抗器均与高压侧母线连接；响应于所述无功补偿装置输入电压偏差处于暂态，调相机输出无功，进行无功补偿，电容器和电抗器不发挥作用；响应于所述无功补偿装置输入电压偏差处于稳态，投切电容器和电抗器进行无功补偿，减小了调相机无功输出，同时此时调相机还是输出无功，进行无功补偿，仅仅是原有的部分无功转移至电容器和电抗器。
上述装置中，调相机的容量上限和无功输出范围、电容器总容量以及电抗器总容量，可根据调相机、电容器、电抗器的性能及直流系统的无功需求特性确定，具体如下：
计算电网故障时调相机的瞬时无功为ΔQ，根据直流动态无功需求峰值的快速近似计算方法可以得到大扰动后逆变器的动态无功需求曲线Qdi，进而求出了换流站在大扰动下的动态无功需求峰值Qmax。假设逆变器动态无功需求被完全补偿，逆变器无功需求稳态值为Qds，则调相机的瞬时无功输出上限为QSCmax＝Qmax-Qds。设调相机需配置的台数为N，根据N≤QSCmax/ΔQ，N取符合上式的最大整数。
电容器总容量和电抗器总容量均为略大于换流站内单个滤波器组容量的一半，即：
Figure GDA0003300182360000061
Figure GDA0003300182360000062
其中，QC为电容器的总容量，QR为电抗器的总容量，Qfilter为直流输电系统中换流站内单个滤波器组容量，QΔ为电容器和电抗器的无功裕度。
该容量选取使得调相机平滑滤波器组不连续无功后的稳态输出能够转移到电容器或电抗器上，同时留有适当裕度，避免换流站内滤波器组的频繁投切。
响应于直流输电系统大功率运行，由于电容器和电抗器将补偿换流站滤波器不连续无功补偿的偏差，N台调相机允许输出的最大稳态无功功率仅需为电容器容量的一半，允许吸收的最大稳态无功功率仅需为电抗器容量的一半，单台调相机允许输出无功功率的范围为：
Figure GDA0003300182360000071
响应于直流输电系统小功率运行，需要考虑直流输电系统最小直流功率方式运行时最小滤波器组提供的过剩的无功。最小滤波器组是为满足滤波性能要求最少需要投入的滤波器数量，其容量约占换流容量的30％。由于小功率运行时，直流换相失败不会造成系统大的有功缺额，这也降低了换流站动态无功需求，因此充分发挥调相机稳态无功吸收能力。设定单台调相机允许吸收的最大稳态无功功率为100Mvar(单台调相机额定进相能力为150Mvar)，允许输出的最大稳态无功功率仍然为
Figure GDA0003300182360000072
单台调相机允许输出无功功率的范围为：
Figure GDA0003300182360000073
其中，QSC为调相机的输出无功，Qfilter为直流输电系统中换流站内单个滤波器组容量。
如果调相机进相运行吸收的无功功率能够消除最小直流功率方式运行时的过剩无功，则不再调整电抗器组的容量，否则适当增大电抗器组的容量。
本实施例中，单台调相机瞬时无功出力为780.72Mvar。直流逆变站动态无功需求峰值为4091.7Mvar，逆变站稳态无功需求为1866Mvar，则无功被完全补偿时动态无功需求量为2225.7Mvar。综合考虑调相机的造价和无功补偿效果，直流输电系统受端配置两台300Mvar新型调相机。逆变站内滤波器组单组容量为150Mvar，配置电容器组(两台)总容量为80Mvar，电抗器组(两台)总容量为80Mvar，经计算可以满足直流大功率和小功率运行要求。
上述装置为调相机配置额外的电容器和电抗器，暂态时调相机输出无功，稳态时投切电容器和电抗器进行无功补偿，减小了调相机无功输出，增大了其无功调节的裕度，考虑了故障情况下调相机瞬时无功支撑能力和稳态下根据直流输电系统动态无功需求来配置调相机的容量，可以减小换流站内滤波器组不连续无功投入带来的电压冲击和静态误差。
如图2所示，当输入电压偏差处于稳态或暂态时，电容器、电抗器、调相机控制特性有明显差异，利用该差异实现稳态和暂态的协调控制。
如图3所示，上述装置的控制方法，包括电容器和电抗器控制方法、调相机控制方法。
电容器和电抗器控制方法，具体为：
1)响应于输入电压偏差处于稳态，将输入电压偏差经过比例-积分环节，得到需要电容器和电抗器补偿的无功；其中，若输入电压偏差小于一定范围，比例-积分环节的输入为0，避免比例-积分环节输出逐渐增大使电容器、电抗器频繁投切。
2)根据需要电容器和电抗器补偿的无功以及投切信号产生逻辑，获得投切信号，控制相应电容器和/或电抗器的断路器投切；其中，投切信号产生后，经过一定时长的延时后，断路器投切才开始动作。
投切信号产生逻辑为：响应于QRC_ref≥QC/m、且有电抗器已投入，则切除一台电抗器，否则投入一台电容器；其中，QRC_ref为需要电容器和电抗器补偿的无功，QC为电容器的总容量，m为电容器台数；响应于QRC_ref≤-QR/n、且有电容器投入，则切除一台电容器，否则投入一台电抗器；其中，QR为电抗器的总容量，n为电抗器台数。
3)响应于检测到断路器动作，将积分环节清零。
电容器和电抗器输出的无功、调相机输出的无功共同作用于电力系统，从而调节系统高压侧母线电压。
调相机控制方法，具体为：响应于输入电压偏差处于暂态或稳态，将输入电压偏差经过比例环节输入调相机，控制调相机输出无功。
设置合理的调相机励磁控制比例环节参数，以及电容器和电抗器比例-积分环节参数，使得调相机在暂态电压控制中起主要作用，电容器、电抗器在稳态电压控制中起主要作用。其中，调相机励磁控制比例环节的比例常数K范围为30～120；比例-积分环节中，比例环节的比例常数Kp范围为1～4，积分环节的积分常数Kf范围为50～200。
受端交流系统短路故障导致逆变侧换流母线电压降低进而导致直流换相失败是直流系统最常见的故障之一。设置直流系统逆变侧5s时发生短路故障，持续时间100ms。仿真运行期间，换流变压器分接头不参与调节。故障前后换流站逆变侧交流母线电压波动曲线如图4所示。稳态时，逆变侧交流母线电压较额定电压偏低，额定电压为1.000pu，稳态运行电压为0.980pu；故障期间，电压大幅度跌落，最低跌落至0.650pu，7s时电压恢复至稳态电压。
在短路故障工况下，在逆变侧换流站应用两台新型调相机，由调相机进行稳态和动态无功补偿，仿真结果如图5和6所示。仿真结果表明，在故障前稳态时两台调相机输出无功功率47.483Mvar，逆变侧交流母线稳态电压由0.980pu提升至0.984pu；在故障期间，调相机提供瞬时无功电压支撑，无功出力是稳态无功出力的数倍，两台调相机无功出力最大为753.414Mvar，使得电压跌落最低值由0.650pu增大至0.715pu，跌落程度减小了0.065pu；故障恢复后，调相机的稳态无功输出为51.907Mvar，和故障前调相机的稳态无功出力基本相同。6.6s时电压恢复稳定，相较于安装调相机前电压恢复时间更短。
由调相机、电容器和电抗器提供无功补偿，设置Kp＝2、Kf＝100、K＝60，经过验证，调相机、电容器和电抗器的频域特性在稳态和暂态上相互错开。仿真结果如图7和8所示，故障期间，调相机提供瞬时无功支撑，输出大量无功功率，减小电压跌落程度；故障消除后，系统逐渐稳定，通过控制方法，稳态时电容器和电抗器参与无功平衡，14.98s和34.13s时系统各投入一台40Mvar的电容器，此时调相机的部分稳态无功出力转移到由电容器承担，电容器组输出无功功率80Mvar，调相机稳态无功输出相应减小。同时，电容器的投入使得逆变侧交流母线稳态电压由0.984pu提高至0.995pu，与额定电压的偏差减小了0.011pu。
仿真中协调控制实现了以下目标：调相机提供瞬时无功支撑，减小了故障期间电压跌落程度；减小了调相机稳态无功出力，为调相机下一次暂态无功输出留有较大裕度；减小了母线电压稳态偏差。通过时域仿真，验证了上述方法能够实现稳态和暂态的无功控制目标，相对于传统无功补偿策略具有优势。
上述方法对应的软件系统包括电容器和电抗器控制系统、调相机控制系统；
电容器和电抗器控制系统包括，
PI控制模块：响应于输入电压偏差处于稳态，将输入电压偏差经过比例-积分环节，得到需要电容器和电抗器补偿的无功；
投切信号产生模块：根据需要电容器和电抗器补偿的无功以及投切信号产生逻辑，获得投切信号，控制相应电容器和/或电抗器的断路器投切；
调相机控制系统包括，
AVR模块：响应于输入电压偏差处于暂态或稳态，将输入电压偏差经过比例环节输入调相机，控制调相机输出无功。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行直流输电无功补偿装置的控制方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行直流输电无功补偿装置的控制方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种直流输电无功补偿装置，包括与高压侧母线连接的调相机，其特征在于：还包括与高压侧母线连接的若干电容器和若干电抗器；响应于所述无功补偿装置输入电压偏差处于暂态，调相机输出无功，进行无功补偿，电容器和电抗器不发挥作用；响应于所述无功补偿装置输入电压偏差处于稳态，投切电容器和电抗器进行无功补偿，减小了调相机无功输出；
调相机的容量上限和无功输出范围为，
QSCmax＝Qmax-Qds
其中，QSCmax为调相机的容量上限，Qmax为直流输电系统中换流站在大扰动下的动态无功需求峰值，Qds为直流输电系统中逆变器的无功需求稳态值；
响应于直流输电系统大功率运行，
Figure FDA0003300182350000011
响应于直流输电系统小功率运行，
Figure FDA0003300182350000012
其中，QSC为调相机的输出无功，Qfilter为直流输电系统中换流站内单个滤波器组容量，N为调相机台数，QΔ为电容器和电抗器的无功裕度。
2.根据权利要求1所述的一种直流输电无功补偿装置，其特征在于：所有电容器总容量为，
Figure FDA0003300182350000013
其中，QC为电容器的总容量，Qfilter为直流输电系统中换流站内单个滤波器组容量，QΔ为电容器和电抗器的无功裕度；
所有电抗器总容量为，
Figure FDA0003300182350000021
其中，QR为电抗器的总容量。
3.基于权利要求1所述的一种直流输电无功补偿装置的控制方法，其特征在于：包括电容器和电抗器控制方法、调相机控制方法；
电容器和电抗器控制方法，具体为，
响应于输入电压偏差处于稳态，将输入电压偏差经过比例-积分环节，得到需要电容器和电抗器补偿的无功；
根据需要电容器和电抗器补偿的无功以及投切信号产生逻辑，获得投切信号，控制相应电容器和/或电抗器的断路器投切；
调相机控制方法，具体为，
响应于输入电压偏差处于暂态或稳态，将输入电压偏差经过比例环节输入调相机，控制调相机输出无功。
4.根据权利要求3所述的一种直流输电无功补偿装置的控制方法，其特征在于：响应于检测到断路器动作，将积分环节清零。
5.根据权利要求3所述的一种直流输电无功补偿装置的控制方法，其特征在于：比例环节的比例常数K范围为30～120；比例-积分环节中，比例环节的比例常数Kp范围为1～4，积分环节的积分常数Kf范围为50～200。
6.根据权利要求3所述的一种直流输电无功补偿装置的控制方法，其特征在于：投切信号产生逻辑为，
响应于QRC_ref≥QC/m、且有电抗器已投入，则切除一台电抗器，否则投入一台电容器；其中，QRC_ref为需要电容器和电抗器补偿的无功，QC为电容器的总容量，m为电容器台数；
响应于QRC_ref≤-QR/n、且有电容器投入，则切除一台电容器，否则投入一台电抗器；其中，QR为电抗器的总容量，n为电抗器台数。
7.基于权利要求1所述的一种直流输电无功补偿装置的控制系统，其特征在于：包括电容器和电抗器控制系统、调相机控制系统；
电容器和电抗器控制系统包括，
PI控制模块：响应于输入电压偏差处于稳态，将输入电压偏差经过比例-积分环节，得到需要电容器和电抗器补偿的无功；
投切信号产生模块：根据需要电容器和电抗器补偿的无功以及投切信号产生逻辑，获得投切信号，控制相应电容器和/或电抗器的断路器投切；
调相机控制系统包括，
AVR模块：响应于输入电压偏差处于暂态或稳态，将输入电压偏差经过比例环节输入调相机，控制调相机输出无功。
8.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求3至6所述的方法中的任一方法。
9.一种计算设备，其特征在于：包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求3至6所述的方法中的任一方法的指令。
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