CN112421668A - 一种基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力系统控制领域，特别涉及一种基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法。本发明方法在换相失败预测控制时考虑各回路的无功补偿能力，将各回路的电压支撑能力体现在换相失败预测控制的参数设定。基于无功补偿来修正换相失败电压降落整定值，可以有效平衡各回路换相失败风险，也能减少增大逆变侧息弧角后直流系统吸收的无功功率，使其更适合线路运行时的状态，当发生故障时，也能更快速、更有效的降低换相失败风险，降低各直流回路无功功率的纹波系数。因此，采用本发明的电力系统控制方法，使线路无功功率变化更加平滑，降低电力系统因换相失败预测控制所带来的无功功率冲击给电压造成的负担，使电力系统的运行更加安全稳定。

Description

一种基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法
技术领域
本发明属于电力系统控制领域，特别涉及一种基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法。
背景技术
我国是一个电力负荷与电能生产严重不匹配的国家，随着我国电力技术不断革新和进步，长距离高压直流输电的优势正逐渐显现出来，电力系统已然由交流互联系统向交直流混联系统转变，我国已建成全球最大的交直流混联系统。但是当交流测发生故障或经历大扰动时，传统高压直流输电逆变侧不可避免会出现换相失败的问题，特别在多回直流工程馈入交流系统时，形成了更加复杂的系统，给电网的安全运行带来了巨大的挑战。
换相失败对电网造成的功率冲击和电压跌落严重威胁电网的安全稳定运行。为降低换相失败风险，目前主要从提升无功补偿能力以提高对电压的支撑能力和优化直流系统控制保护两个方向去研究。但是作为优化直流系统控制保护中的换相预测控制方法在多回直流工程馈入交流电网中存在复杂的耦合关系，若只考虑单回直流线路，将会造成多回直流线路的交互影响，因此亟待展开对多路直流工程馈入交流电网的换相失败预测控制方法的优化。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法，在换相失败预测控制时考虑各回路的无功补偿能力，将各回路的电压支撑能力体现在换相失败预测控制的参数设定。
本发明提出的基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法，包括以下步骤：
(1)根据电力系统中各直流回路无功支撑能力，计算换相电压降落初始整定值ΔULrefi：
Figure BDA0002825029980000021
其中，Qi为电力系统中第i条直流回路无功补偿设备的容量，从电力系统调度中心获取，n为直流回路的总数，i为直流回路的序号，i＝1,2,...,n，ΔULref为换相电压降落整定值的预取值，换相电压降落整定值的预取值为标幺值，标幺值的取值范围为0.05～0.4；
(2)根据各回路的无功负荷，对步骤(1)的换相电压降落初始整定值ΔULrefi，对换相电压降落整定值进行修改如下：
Figure BDA0002825029980000022
其中，ΔULrefir为第i条直流回路换相失败电压降落整定值，
Figure BDA0002825029980000025
为第i条回路实时无功功率的标幺值，
Figure BDA0002825029980000023
qi为第i条直流回路实测的无功功率，Qbasei为第i条回路的无功功率额定值，Qbasei从电力系统调度中心获取；
(3)对电力系统的第i条直流回路逆变交流侧的线电压进行采样，将采集的当前线电压有效值与逆变交流侧线电压额定有效值的差值，与步骤(2)的第i直流回路换相失败电压降落整定值ΔULrefir进行比较，若差值大于整定值，则进行步骤(4)，若差值小于或等于整定值，则返回步骤(2)；
(4)对步骤(3)的当前线电压有效值与逆变交流侧线电压额定有效值的差值进行比例积分调节和限幅处理，限幅处理的上限值为0.1、下限值为0，得到第i条直流回路逆变侧息弧角修正角初始值Δγ’i，对该初始值Δγ’i进行惯性处理和反正弦计算，得到电力系统第i条直流回路逆变侧的息弧角的修正角Δγi：
Figure BDA0002825029980000024
其中Ts为惯性处理环节中的时间常数，t为时间；
(5)将步骤(4)的息弧角修正角Δγi与当前电力系统第i条直流回路逆变侧的息弧角值γi相加，得到实际控制时第i条直流回路逆变侧的息弧角γ’i：γ’i＝Δγi+γi，其中，γi从电力系统第i条直流回路逆变侧获取，实现基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制。
本发明提出的一种基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法，其优点是：
本发明的基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法，基于无功补偿来修正换相失败电压降落整定值，可以有效平衡各回路换相失败风险，也能减少增大逆变侧息弧角后直流系统吸收的无功功率，使其更适合线路运行时的状态，当发生故障时，也能更快速、更有效的降低换相失败风险，降低各直流回路无功功率的纹波系数。因此，采用本发明的电力系统控制方法，对参数优化后，不仅可以更有效的降低换相失败风险，还可以使线路无功功率变化更加平滑，降低电力系统因换相失败预测控制所带来的无功功率冲击给电压造成的负担，使电力系统的运行更加安全稳定。
附图说明
图1是本发明方法的流程框图。
图2是本发明方法的一个实施例中的各直流回路逆变侧息弧角修正角Δγ的值。
图3是本发明方法的一个实施例中的各直流回路逆变侧息弧角γ的值。
图4是本发明方法的一个实施例中的各直流回路逆变交流测的无功功率值。
具体实施方式
本发明提出的一种基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法，其流程框图如图1所示，该方法包括以下步骤：
(1)根据电力系统中各直流回路无功支撑能力，计算换相电压降落初始整定值ΔULrefi：
Figure BDA0002825029980000031
其中，Qi为电力系统中第i条直流回路无功补偿设备的容量，从电力系统调度中心获取，n为直流回路的总数，i为直流回路的序号，i＝1,2,...,n，ΔULref为换相电压降落整定值的预取值，换相电压降落整定值的预取值为标幺值，标幺值的取值范围为0.05～0.4，本发明的一个实施例中标幺值的取值为0.2，其中无功补偿设备包括静止无功补偿器(SVC)和静止同步补偿器(STATCOM)等等；
(2)根据各回路的无功负荷，对步骤(1)的换相电压降落初始整定值ΔULrefi，对换相电压降落整定值进行修改如下：
Figure BDA0002825029980000041
其中，ΔULrefir为第i条直流回路换相失败电压降落整定值，
Figure BDA0002825029980000042
为第i条回路实时无功功率的标幺值，
Figure BDA0002825029980000043
qi为第i条直流回路实测的无功功率，Qbasei为第i条回路的无功功率额定值，Qbasei从电力系统调度中心获取；
(3)对电力系统的第i条直流回路逆变交流侧的线电压进行采样，将采集的当前线电压有效值与逆变交流侧线电压额定有效值的差值，与步骤(2)的第i直流回路换相失败电压降落整定值ΔULrefir进行比较，若差值大于整定值，则进行步骤(4)，若差值小于或等于整定值，则返回步骤(2)；
(4)对步骤(3)的当前线电压有效值与逆变交流侧线电压额定有效值的差值进行比例积分调节和限幅处理，限幅处理的上限值为0.1、下限值为0，得到第i条直流回路逆变侧息弧角修正角初始值Δγ’i，对该初始值Δγ’i进行惯性处理和反正弦计算，得到电力系统第i条直流回路逆变侧的息弧角的修正角Δγi：
Figure BDA0002825029980000044
其中Ts为惯性处理环节中的时间常数，t为仿真时间，本发明的一个实施例中，Ts的取值为0.001；
(5)将步骤(4)的息弧角修正角Δγi与当前电力系统第i条直流回路逆变侧的息弧角值γi相加，得到实际控制时第i条直流回路逆变侧的息弧角γ’i：γ’i＝Δγi+γi，其中，γi从电力系统第i条直流回路逆变侧获取，实现基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制。
以下结合附图，详细介绍本发明方法的工作原理和工作过程：
本发明基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法，其流程框图如图1所示，其中UL0i和ULi分别为第i条直流回路逆变交流测线电压额定值和实时有效值，ΔULi为第i条直流回路电压降落值，ΔULrefir第i条直流回路换相失败电压降落整定值，Ts为惯性环节时间常数。当检测到电压降落值ΔULi超过整定值ΔULrefir时系统会自动输出一个息弧角修正角Δγi以增加第i条直流回路逆变侧息弧角，降低其换相失败风险。
逆变侧稳态运行方程为：
Figure BDA0002825029980000051
其中
Figure BDA0002825029980000052
为换流器的功率因素，Udi和Udio分别为理想空载直流电压和直流电压，Id为直流电流，Pd和Qd分别为有功功率和无功功率，α和β分别为触发延迟角和触发超前角，γ和μ分别为息弧角和换相角。由此可以推导出：
Figure BDA0002825029980000053
令f(γ)＝cos(μ+γ)+cosγ，将μ看成常数，再对γ求导可得：
Figure BDA0002825029980000054
且0＜f(γ)＜2，可知随着γ的增加，f(γ)减少，Qd增加。因此，增加息弧角γ会导致直流系统无功消耗的增加，将对无功补偿能力不足的直流系统的电压造成进一步的下降，以维持无功平衡，严重威胁了电网的安全稳定运行。
因此，基于无功补偿能力的换相失败预测控制优化方法根据无功补偿能力的强弱来修正换相失败电压降落整定值，使换相失败电压降落整定值与无功补偿能力进行匹配，让系统能够充分利用每个回路能力来应对换相失败风险，降低因换相失败预测控制使直流系统增加吸收的无功功率。
每个回路的换相失败电压降落初始整定值为
Figure BDA0002825029980000055
其中，Qi为电力系统中第i条直流回路无功补偿设备的容量，从电力系统调度中心获取，n直流回路的总数，i直流回路的序号，i＝1,2,...,n，ΔULref为换相电压降落整定值预取值，换相电压降落整定值预取值为标幺值，标幺值的取值范围为0.05～0.4，ΔULrefi为第i条直流回路换相失败预测控制初始整定值，本发明的一个实施例中标幺值的取值为0.2，其中无功补偿设备包括静止无功补偿器(SVC)和静止同步补偿器(STATCOM)等等；由此可知，无功补偿能力弱的直流回路电压整定值更大，对换相失败更不敏感，无功补偿能力强的直流回路电压整定值更小，有更大的能力去应对换相失败风险。
本发明的一个实施例中，共三个直流回路，其中1号回路无功支撑能力最强，其逆变侧换相电压降落初始整定值ΔULref1为0.15；2号回路无功支撑能力弱于一号回路，其逆变侧换相电压降落初始整定值ΔULref2为0.2；3号回路无功支撑能力最弱，其逆变侧换相电压降落初始整定值ΔULref3为0.3。故障发生在1号回路逆变交流测，故障类型为三相接地短路，接地电阻为20Ω，故障发生时刻为0.4s，持续时间为0.3s，0.7s时故障清除。
图2是上述实施例中的各直流回路逆变侧息弧角修正角Δγ的值。
图3是上述实施例中的各直流回路逆变侧息弧角γ的值，其中(a)是1号回路逆变侧γ值，(b)是2号回路逆变侧γ值，(c)是3号回路逆变侧γ值。
图4是上述实施例中的各直流回路逆变交流测的无功功率值，其中QacI1、QacI2、QacI3分别为第1、2、3号回路逆变交流测实时的无功功率值。
由图2、图3、图4可知，经过该优化控制方法后，在发生三相短路接地故障时，不但对换相失败风险的抑制效果比优化之前好，而且无功功率只在发生故障时出现抖动，之后便很快根据各回路的无功功率来实时调整换相电压降落整定值，使各回路的无功更平滑，有利于电网系统的安全稳定运行。
由仿真结果显示，参数优化后的不仅可以更有效的降低换相失败风险，还可以使线路无功功率变化更加平滑，为电网降低因换相失败预测控制所带来的无功功率冲击给电压造成的负担，使电网系统能够更加安全稳定运行。

Claims (1)

1.一种基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)根据电力系统中各直流回路无功支撑能力，计算换相电压降落初始整定值ΔULrefi：
Figure FDA0002825029970000011
其中，Qi为电力系统中第i条直流回路无功补偿设备的容量，从电力系统调度中心获取，n为直流回路的总数，i为直流回路的序号，i＝1,2,...,n，ΔULref为换相电压降落整定值的预取值，换相电压降落整定值的预取值为标幺值，标幺值的取值范围为0.05～0.4；
(2)根据各回路的无功负荷，对步骤(1)的换相电压降落初始整定值ΔULrefi，对换相电压降落整定值进行修改如下：
Figure FDA0002825029970000012
其中，ΔULrefir为第i条直流回路换相失败电压降落整定值，q i为第i条回路实时无功功率的标幺值，
Figure FDA0002825029970000013
qi为第i条直流回路实测的无功功率，Qbasei为第i条回路的无功功率额定值，Qbasei从电力系统调度中心获取；
(3)对电力系统的第i条直流回路逆变交流侧的线电压进行采样，将采集的当前线电压有效值与逆变交流侧线电压额定有效值的差值，与步骤(2)的第i直流回路换相失败电压降落整定值ΔULrefir进行比较，若差值大于整定值，则进行步骤(4)，若差值小于或等于整定值，则返回步骤(2)；
(4)对步骤(3)的当前线电压有效值与逆变交流侧线电压额定有效值的差值进行比例积分调节和限幅处理，限幅处理的上限值为0.1、下限值为0，得到第i条直流回路逆变侧息弧角修正角初始值Δγ′i，对该初始值Δγ′i进行惯性处理和反正弦计算，得到电力系统第i条直流回路逆变侧的息弧角的修正角Δγi：
Figure FDA0002825029970000021
其中Ts为惯性处理环节中的时间常数，t为时间；
(5)将步骤(4)的息弧角修正角Δγi与当前电力系统第i条直流回路逆变侧的息弧角值γi相加，得到实际控制时第i条直流回路逆变侧的息弧角γ′i：γ′i＝Δγi+γi，γi从电力系统第i条直流回路逆变侧获取，实现基于无功支撑能力换相失败预测的电力系统控制。
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