CN111835020B - 一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法，包括步骤：将低容、低抗加入到无功设备投切策略的选项中，得到该方法下的无功功率平衡计算方法；优化换流站与交流系统的无功交换量区间；制定计及低容、低抗的Qcontrol功能自动投切无功补偿设备的策略，并在直流站控系统中修改控制逻辑；实现Qcontrol功能对无功补偿装置自动投切；必要时手动投切低容、低抗进行调压。本发明将低容、低抗等无功补偿装置的无功补偿能力利用到高压直流系统无功调节中，降低了无功调节梯度，同时通过调整换流站与交流系统无功交换量区间，减少交流滤波器的投入组数，优化资源配置，提高电压控制能力。

Description

一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，具体地，涉及一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法。

背景技术

高压直流输电系统是电力系统中非常重要的能源传输系统。高压直流输电是将发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电，通过直流线路输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流电网的一种输电方式。高压直流系统运行时需要消耗大量的无功功率，以晶闸管换流阀为例，在换流时单个换流站的晶闸管消耗的无功功率在数值上约为直流输送有功功率的40％～60％，无功控制是不可忽视的问题。换流站的无功补偿装置主要有交流滤波器(AFC)、主变低压侧并联电容器(Shunt C，简称低容)、主变低压侧并联电抗器(Shunt R，简称低抗)等。现有直流工程的直流站控系统在实现无功控制时，只通过投切交流滤波器实现无功控制功能，而低容、低抗不在自动投切范围，只作为人工投切实现调压的辅助设备。

上述无功控制方式的缺点及需要解决的问题主要有：

1、无功过剩导致交流系统电压升高。在高压直流系统运行的情况下，交流滤波器除了要提供无功功率以外，还要满足滤除谐波与稳态定值要求，投入交流滤波器后一般都会导致无功过剩。不计低容与低抗的无功策略计算方法未能真实反映换流站与交流系统的无功交换情况，控制系统通过多投入交流滤波器来保证无功充足，使交流系统进一步无功过剩与电压升高。

2、导致无功功率远距离传输。单组交流滤波器的无功补偿容量大，电压调节梯度过大，投入交流滤波器过多会导致交流系统无功功率过剩，过剩的无功功率通过输电线路传送至周边的厂站，导致系统元件发热、产生损耗等，同时也会降低电力系统有功功率传输效率。

3、资源使用不合理。在高压直流系统运行时，为了降低交流系统电压，一般需要投入大部分或所有的低抗，达到降低交流系统电压的目的。这就迫使低抗长期投入，加速低抗老化，缩短使用寿命，同时易发生设备发热缺陷，极端情况下还会发生设备击穿。而低容长期未投入使用，资源闲置。

4、换流站内交流母线电压调节裕度不高，电压越上限时已无更多低抗投入调压，严重时可能会导致直流功率受限，影响系统潮流分布。

5、低抗长期投入导致设备发热缺陷频发。与低抗相连的断路器、隔离开关的接头因低抗长期投入，长期通过电流而发热，单组低压母线上的设备平均每年需要停电处理2次。

6、增加了主变压器停电频次。处理低压侧电抗间隔设备发热缺陷时，要将相关的主变压器停电。

7、低容与低抗只能人工投切，操作不智能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法。

本发明公开的一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法，包括以下步骤：

步骤1：将低容、低抗加入到无功设备投切策略的选项中，得到该方法下的无功功率平衡计算方法；

步骤2：优化换流站与交流系统的无功交换量区间；

步骤3：制定计及低容、低抗的Qcontrol功能自动投切无功补偿设备的策略，并在直流站控系统中修改控制逻辑；

步骤4：实现Qcontrol功能对无功补偿装置自动投切。

步骤5：必要时手动投切低容、低抗进行调压。

根据本发明的一实施方式，所述步骤1中，无功功率平衡计算方法为：

单极换流阀无功消耗量Q_conv的计算公式为：

其中，I_d为直流电流，U_di0为换流阀空载电压，α为换流阀触发角，μ为换相叠弧角。

单个小组交流滤波器无功补偿容量Q_{filter_1}的计算公式为：

其中，Q_{filter_norm}为单个小组交流滤波器的额定容量，f为交流系统频率，U_ac为交流系统电压，U_{ac_norm}为交流电压额定值，f_norm为交流系统额定频率；

投入的交流滤波器提供的无功补偿总容量Q_filter为：

Q_filter＝k*Q_{filter_1} (3)

其中，k为投入的小组交流滤波器组数量；

换流站与交流系统的无功交换量Q_exp为：

Q_exp＝Q_conv1+Q_conv2-Q_filter-k₁*Q_cap+k₂*Q_rea (4)

其中，Q_conv1为极1换流阀无功消耗量，Q_conv2为极2换流阀无功消耗量，Q_cap为单组低容容性无功功率补偿容量，Q_rea为单组低抗感性无功功率补偿容量，k₁为自动投入的低容数量，k₂为自动投入的低抗数量。

根据本发明的一实施方式，步骤2中，换流站与交流系统的无功交换量区间设定为：

Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max}) (5)

其中，Q_{exp_min}为换流站与交流系统的无功交换量下限值，Q_{exp_max}为换流站与交流系统的无功交换量上限值。

根据本发明的一实施方式，步骤3中，增加低容、低抗后的Qcontrol功能自动投切无功补偿设备的策略为：当Q_exp<Q_{exp_min}或Q_exp>Q_{exp_max}时，均按控制策略的优先级从高至低进行控制操作，高优先级策略的无法执行或已执行到最大限度，则进入下一优先级策略进行动作，直至满足Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max})时停止。

根据本发明的一实施方式，当Q_exp<Q_{exp_min}时，控制策略的优先级为：逐一切除低容>逐一切除交流滤波器，最多切除至Min Filter>逐一投入低抗；当Q_exp>Q_{exp_max}时，控制策略的优先级为：逐一切除低抗>逐一投入交流滤波器，最多投入Min Filter+1交流滤波器>逐一投入低容。

根据本发明的一实施方式，步骤3中低抗与低容不能同时投入。

根据本发明的一实施方式，步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1：根据换流站直流系统运行功率与交流滤波器投切策略表，投入相应的交流滤波器，根据公式(2)与公式(3)计算出交流滤波器提供的无功功率；

步骤4.2：将换流站设备参数与运行参数代入公式(1)，实时计算出双极换流阀消耗的无功功率数值；

步骤4.3：Qcontrol功能根据公式(4)计算换流站与交流系统交换的无功功率Q_exp，若

按步骤3中控制策略进行控制操作，直至满足Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max})。

根据本发明的一实施方式，步骤4.1、4.2、4.3均由直流站控系统自动执行。

根据本发明的一实施方式，步骤5中的低容与低抗的控制方式有“自动”、“手动”两种模式，正常运行时均设置为“自动”状态；当Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max})但交流母线电压不满足电压曲线要求、且仍有调压手段时，可将需投切的低容或低抗设置为“手动”状态并进行人工投切，直至满足电压曲线要求；“手动”状态下的低容或低抗容量不纳入公式(4)进行计算。

本发明的有益效果有：

1、本发明将低容、低抗等无功补偿装置的无功补偿能力充分利用到高压直流系统无功调节中，降低了无功调节梯度，同时通过调整换流站与交流系统无功交换量区间，减少了交流滤波器的投入组数，优化了资源配置，提高了电压控制能力及交流系统的稳定性。

2、在Qcontrol功能中，将低容与低抗纳入无功补偿装置投切策略，优化了资源配置，使得无功补偿装置的投切更合理；增大无功补偿设备的容量，提高了无功补偿的冗余度。

2、通过优化换流站与交流系统的无功交换量区间，降低了换流站无功功率过剩量，减少了交流系统无功流动，提高了有功功率传输效率。

3、换流站直流站控系统对低容与低抗进行自动/手动结合的控制模式，保证了无功交换量合理的前提下兼顾了系统调压功能，改善了交流系统电压调节效果。

4、通过优化无功补偿装置组合，提高了换流站内交流母线电压调节裕度，增加了系统运行安全裕度，改变了低抗长期投入的现状，降低了设备发热缺陷处理与主变压器停电的频次，减少了换流站无功功率远距离传输量，降低了交流系统有功传输损耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的流程图；

图2为实施例中的高压直流输电系统及换流站设备结构简图；

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明公开的一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法，包括以下步骤：

步骤1：将低容、低抗加入到无功设备投切策略的选项中，得到该方法下的无功功率平衡计算方法，无功功率平衡计算方法为：

单极换流阀无功消耗量Q_conv的计算公式为：

其中，I_d为直流电流，U_di0为换流阀空载电压，α为换流阀触发角，μ为换相叠弧角。

单个小组交流滤波器无功补偿容量Q_{filter_1}的计算公式为：

其中，Q_{filter_norm}为单个小组交流滤波器的额定容量，f为交流系统频率，U_ac为交流系统电压，U_{ac_norm}为交流电压额定值，f_norm为交流系统额定频率；

投入的交流滤波器提供的无功补偿总容量Q_filter为：

Q_filter＝k*Q_{filter_1} (3)

其中，k为投入的小组交流滤波器组数量；

换流站与交流系统的无功交换量Q_exp为：

Q_exp＝Q_conv1+Q_conv2-Q_filter-k₁*Q_cap+k₂*Q_rea (4)

其中，Q_conv1为极1换流阀无功消耗量，Q_conv2为极2换流阀无功消耗量，Q_cap为单组低容容性无功功率补偿容量，Q_rea为单组低抗感性无功功率补偿容量，k₁为自动投入的低容数量，k₂为自动投入的低抗数量。

步骤2：优化换流站与交流系统的无功交换量区间，换流站与交流系统的无功交换量区间设定为：

Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max})(5)

其中，Q_{exp_min}为换流站与交流系统的无功交换量下限值，Q_{exp_max}为换流站与交流系统的无功交换量上限值；

步骤3：制定计及低容、低抗的Qcontrol功能自动投切无功补偿设备的策略，并在直流站控系统中修改控制逻辑。增加低容、低抗后的Qcontrol功能自动投切无功补偿设备的策略为：当Q_exp<Q_{exp_min}或Q_exp>Q_{exp_max}时，均按控制策略的优先级从高至低进行控制操作，高优先级策略的无法执行或已执行到最大限度，则进入下一优先级策略进行动作，直至满足Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max})时停止，当Q_exp<Q_{exp_min}时，控制策略的优先级为：逐一切除低容>逐一切除交流滤波器，最多切除至Min Filter>逐一投入低抗；当Q_exp>Q_{exp_max}时，控制策略的优先级为：逐一切除低抗>逐一投入交流滤波器，最多投入Min Filter+1交流滤波器>逐一投入低容；

低抗与低容不能同时投入；

步骤4：实现Qcontrol功能对无功补偿装置自动投切，具体包括以下步骤：

步骤4.1：根据换流站直流系统运行功率与交流滤波器投切策略表，投入相应的交流滤波器，根据公式(2)与公式(3)计算出交流滤波器提供的无功功率；

步骤4.2：将换流站设备参数与运行参数代入公式(1)，实时计算出双极换流阀消耗的无功功率数值；

步骤4.3：Qcontrol功能根据公式(4)计算换流站与交流系统交换的无功功率Q_exp，若

按步骤3中控制策略进行控制操作，直至满足Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max})。

步骤4.1、4.2、4.3均由直流站控系统自动执行。

步骤5：必要时手动投切低容、低抗进行调压。低容与低抗的控制方式有“自动”、“手动”两种模式，正常运行时均设置为“自动”状态；当Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max})但交流母线电压不满足电压曲线要求、且仍有调压手段时，可将需投切的低容或低抗设置为“手动”状态并进行人工投切，直至满足电压曲线要求；“手动”状态下的低容或低抗容量不纳入公式(4)进行计算。

实施例：

以某±500kV直流输电工程逆变站为例，该换流站额定输送功率3200MW，交流500kV侧配置了12小组交流滤波器，单个小组滤波器额定无功补偿容量为168Mvar；配置有2台主变压器，主变压器35kV侧共配置有(4×60Mvar)低容、(6×60Mvar)低抗，Qcontrol功能设定Q_exp∈(-230,0)。双极全压运行方式下推荐的交流滤波器投切策略如表1所示。

表1换流站双极全压运行方式下推荐的交流滤波器投切策略表

表中，A代表A型交流滤波器，A型：DT 11/24 168MVar，即调谐次数11、24，单组无功补偿容量168MVar；B代表B型交流滤波器，B型：TT 3/13/36 168MVar，即调谐次数3、13、36，单组无功补偿容量168MVar；C代表C型交流滤波器，C型：SC 168MVar，只提供无功补偿功能，单组无功补偿容量168MVar。

在不计低容与低抗的Qcontrol功能无功控制策略下，选取部分典型直流运行功率的实际无功补偿设备投切、换流站与交流系统无功交换量、500kV交流母线电压情况，得到换流站运行案例数据如表2所示：

表2换流站运行案例数据

从表2数据可知，当直流系统停运时，换流站长期平均投入3组低抗才能维持500kV交流母线电压在调度下发的电压曲线范围内(536±3kV)，说明该换流站在交流电网中无功过剩且呈容性。由于在直流输电系统低负荷时无功过剩导致电压过高，人工投入了所有的低抗，直流升功率后500kV交流母线电压仍高于电压曲线，保持所有的低抗在投入状态，消耗了系统的无功，此时Q_exp经常接近下限，同时500kV交流母线电压高于曲线值，导致无法手动退出低抗，直流站控系统通过投入更多的交流滤波器以满足Q_exp∈(-230,0)，造成了多种功率下，交流滤波器多投入而低抗全部投入的无功相互消耗的不理想运行情况。

使用计及低容与低抗的Qcontrol功能无功控制策略，并充分利用该换流站长期过剩的约180Mvar无功功率到换流器无功补偿中，即把Q_exp的上下限均上移180，允许换流站从交流系统中吸收无功功率，将Q_exp∈(-230,0)修正为Q_exp∈(-50,180)，将低容与低抗的补偿容量加入到Q_exp的计算公式中，即使用公式(4)，选取与表2数据对应的系统运行方式，部分典型功率下的运行数据如表3所示：

表3实施例某换流站运行案例数据

分析对比表2、表3数据可知，通过上调Q_exp上、下限与调整Qcontrol策略，将换流站过剩的无功功率补偿给换流器，解决了交流滤波器过多投入导致交流母线电压过高的问题，交流母线电压基本控制在了电压曲线范围内；解决了交流滤波器过多投入而与投入的低抗相互消耗无功的问题；低抗真正起到了电压调节的作用，降低了交流系统电压，基本满足功率曲线要求，减少了交流系统有功传输损耗；在直流输电系统高负荷时，换流器无功消耗较大，无需投入所有的低抗即可满足电压曲线要求，解决了部分低抗长期投入而降低设备寿命的问题；在高负荷时，低抗有2～6组未投入，为低抗轮换运行创造了条件。

在本实施例中，低压电容器未投入是因为交流系统无功过剩、且投入的交流滤波器完全满足无功需求。根据本提案方法，在交流系统无功不足的换流站是会投入低容的。

上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将低容、低抗加入到无功设备投切策略的选项中，得到该方法下的无功功率平衡计算方法；

步骤2：优化换流站与交流系统的无功交换量区间；

步骤3：制定计及低容、低抗的Qcontrol功能自动投切无功补偿设备的策略，并在直流站控系统中修改控制逻辑，增加低容、低抗后的Qcontrol功能自动投切无功补偿设备的策略为：

当Q_exp<Q_{exp_min}或Q_exp>Q_{exp_max}时，均按控制策略的优先级从高至低进行控制操作，高优先级策略的无法执行或已执行到最大限度，则进入下一优先级策略进行动作，直至满足Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max})时停止；

当Q_exp<Q_{exp_min}时，控制策略的优先级为：逐一切除低容>逐一切除交流滤波器，最多切除至Min Filter>逐一投入低抗；当Q_exp>Q_{exp_max}时，控制策略的优先级为：逐一切除低抗>逐一投入交流滤波器，最多投入Min Filter+1交流滤波器>逐一投入低容；

其中，Q_{exp_min}为换流站与交流系统的无功交换量下限值，Q_{exp_max}为换流站与交流系统的无功交换量上限值；

步骤4：实现Qcontrol功能对无功补偿装置自动投切；

步骤5：必要时手动投切低容、低抗进行调压。

2.据权利要求1所述的一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法，其特征在于，所述步骤1中，无功功率平衡计算方法为：

单极换流阀无功消耗量Q_conv的计算公式为：

其中，I_d为直流电流，U_di0为换流阀空载电压，α为换流阀触发角，μ为换相叠弧角；

单个小组交流滤波器无功补偿容量Q_{filter_1}的计算公式为：

其中，Q_{filter_norm}为单个小组交流滤波器的额定容量，f为交流系统频率，U_ac为交流系统电压，U_{ac_norm}为交流电压额定值，f_norm为交流系统额定频率；

投入的交流滤波器提供的无功补偿总容量Q_filter为：

Q_filter＝k*Q_{filter_1} (3)

其中，k为投入的小组交流滤波器组数量；

换流站与交流系统的无功交换量Q_exp为：

Q_exp＝Q_conv1+Q_conv2-Q_filter-k₁*Q_cap+k₂*Q_rea (4)

其中，Q_conv1为极1换流阀无功消耗量，Q_conv2为极2换流阀无功消耗量，Q_cap为单组低容容性无功功率补偿容量，Q_rea为单组低抗感性无功功率补偿容量，k₁为自动投入的低容数量，k₂为自动投入的低抗数量。

3.据权利要求1所述的一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法，其特征在于，所述步骤2中，换流站与交流系统的无功交换量区间设定为：

Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max}) (5)

其中，Q_{exp_min}为换流站与交流系统的无功交换量下限值，Q_{exp_max}为换流站与交流系统的无功交换量上限值。

4.据权利要求1所述的一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法，其特征在于，所述步骤3中低抗与低容不能同时投入。

5.据权利要求2所述的一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1：根据换流站直流系统运行功率与交流滤波器投切策略表，投入相应的交流滤波器，根据公式(2)与公式(3)计算出交流滤波器提供的无功功率；

步骤4.2：将换流站设备参数与运行参数代入公式(1)，实时计算出双极换流阀消耗的无功功率数值；

步骤4.3：Qcontrol功能根据公式(4)计算换流站与交流系统交换的无功功率Q_exp，若

按步骤3中控制策略进行控制操作，直至满足Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max})。

6.据权利要求5所述的一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法，其特征在于，所述步骤4.1、4.2、4.3均由直流站控系统自动执行。

7.据权利要求2所述的一种计及主变低压侧无功补偿装置的换流站无功优化方法，其特征在于，所述步骤5中的低容与低抗的控制方式有“自动”、“手动”两种模式，正常运行时均设置为“自动”状态；当Q_exp∈(Q_{exp_min},Q_{exp_max})但交流母线电压不满足电压曲线要求、且仍有调压手段时，可将需投切的低容或低抗设置为“手动”状态并进行人工投切，直至满足电压曲线要求；“手动”状态下的低容或低抗容量不纳入公式(4)进行计算。

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