CN113541153B - 抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法及系统，本发明通过实时的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压，对调相机无功功率进行提前控制，避免了直流换相失败期间调相机响应不及时，励磁控制延时加剧暂态过电压，对实际工程具有重要指导作用。

Description

抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法及系统，属于电力系统稳定分析与控制领域。
背景技术
随着超/特高压直流输电工程不断投运，电网“强直弱交”的特点不断凸显，直流输电在体现大容量长距离输电优势的同时也会引起一系列的安全稳定问题。高压直流输电系统在传输有功功率的同时也需要消耗大量的无功功率。由于系统中包含大量的电力电子元件，当直流输电系统接于弱送/受端系统时，如果直流控制方式不当或控制参数不合理，大扰动后的直流系统将会从交流系统中吸收大量的无功，最终导致暂态电压失稳。受端交流故障引起的直流换相失败是直流系统面临的重大挑战之一，故障造成的功率冲击和电压波动将会严重影响电网的安全稳定运行。
研究表明，可以在交流电网中接入动态无功补偿设备，故障期间提供一定的无功功率以减小直流换相失败下的电压变化程度，提高电网的稳定性水平。目前，电网中主要的动态无功补偿装置有SVC、SVG和调相机。SVC和SVG的无功输出能力受到系统故障电压制约和过流能力的限制，在严重故障期间难以提供足够的动态无功支撑，且SVG在严重不平衡故障下甚至无法正常工作。调相机作为旋转设备，与SVC、SVG等基于电力电子技术的无功补偿装置相比，既为系统提供短路容量，又具有更好的无功出力特性，在降低直流送端暂态过电压、抑制直流受端换相失败、利用强励提高电压稳定性等方面具有独特的优势，但是目前在直流换相失败期间，调相机响应往往不及时，从而导致励磁控制延时加剧暂态过电压。
发明内容
本发明提供了一种抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法及系统，解决了直流换相失败期间调相机响应不及时的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法，包括，
根据直流换相失败期间风电场并网点的暂态电压变化，获取直流换相失败期间影响暂态电压的关键因素；
根据实时采集的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压；
根据下一个时刻的过压值，向调相机励磁系统发送提前控制调相机无功处理的指令。
关键因素包括直流换相失败期间整流侧换流站消耗的无功功率、直流换相失败期间风电场提供的无功功率、直流换相失败期间调相机提供的无功功率、直流换相失败期间整流侧的交流滤波器和电容补偿器提供的无功功率、以及送端交流系统的短路容量。
根据实时采集的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压，具体过程为，
实时采集关键因素相应电气量，并将关键因素相应电气量输入基于关键因素的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_1；
实时采集电网电压，并将电网电压输入基于实时电压的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_2；
将过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合，获得最终过压值。
过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合的公式为，
vmax＝Avmax_1+Bvmax_2+ε
其中，ε为偏差量，A、B分别为vmax_1和vmax_1的权重，vmax为最终过压值。
抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制系统，包括，
关键因素获取模块：根据直流换相失败期间风电场并网点的暂态电压变化，获取直流换相失败期间影响暂态电压的关键因素；
预测模块：根据实时采集的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压；
提前控制模块：根据下一个时刻的过压值，向调相机励磁系统发送提前控制调相机无功处理的指令。
关键因素包括直流换相失败期间整流侧换流站消耗的无功功率、直流换相失败期间风电场提供的无功功率、直流换相失败期间调相机提供的无功功率、直流换相失败期间整流侧的交流滤波器和电容补偿器提供的无功功率、以及送端交流系统的短路容量。
预测模块包括，
第一预测模块：实时采集关键因素相应电气量，并将关键因素相应电气量输入基于关键因素的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_1；
第二预测模块：实时采集电网电压，并将电网电压输入基于实时电压的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_2；
线性组合模块：将过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合，获得最终过压值。
线性组合模块将过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合采用的公式为，
vmax＝Avmax_1+Bvmax_2+ε
其中，ε为偏差量，A、B分别为vmax_1和vmax_1的权重，vmax为最终过压值。
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抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个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一个或多个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抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法的指令。
本发明所达到的有益效果：本发明通过实时的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压，对调相机无功功率进行提前控制，避免了直流换相失败期间调相机响应不及时，励磁控制延时加剧暂态过电压，对实际工程具有重要指导作用。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为高压直流输电系统示意图；
图3为预测模型的过电压预测结果示意图；
图4为方法的具体流程图；
图5为调相机励磁系统控制示意图；
图6为改进前后的交流母线电压波形；
图7为改进前后调相机无功补偿特性曲线。
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。
如图1所示，抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法，包括以下步骤：
步骤1，根据直流换相失败期间风电场并网点的暂态电压变化，获取直流换相失败期间影响暂态电压的关键因素；
步骤2，根据实时采集的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压；
步骤3，根据下一个时刻的过压值，向调相机励磁系统发送提前控制调相机无功处理的指令。
上述方法通过实时的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压，对调相机无功功率进行提前控制，避免了直流换相失败期间调相机响应不及时，励磁控制延时加剧暂态过电压，对实际工程具有重要指导作用。
如图2所示的高压直流输电系统，通过建立风电经高压直流外送模型，可分析出直流换相失败期间暂态电压变化影响因素；直流换相失败期间风电场并网点的暂态电压变化，主要由换流站和送端交流系统之间无功交换量和送端交流系统的短路容量来确定，其变化程度可以用下式评估：
Figure BDA0003111710810000051
其中，ΔU为直流换相失败期间，风电场并网点暂态电压变化率；Sac为送端交流系统的短路容量；Qdc为直流换相失败期间，整流侧换流站消耗的无功功率；Qwind为直流换相失败期间，风电场提供的无功功率；QSC为直流换相失败期间，调相机提供的无功功率；Qf为直流换相失败期间，整流侧的交流滤波器和电容补偿器提供的无功功率；
通过上式可知，直流换相失败期间影响暂态电压的关键因素包括直流换相失败期间整流侧换流站消耗的无功功率、直流换相失败期间风电场提供的无功功率、直流换相失败期间调相机提供的无功功率、直流换相失败期间整流侧的交流滤波器和电容补偿器提供的无功功率、以及送端交流系统的短路容量。
直流换相失败期间，整流侧的交流滤波器和电容补偿器提供的无功功率，可表示为：
Figure BDA0003111710810000061
其中，Bc为交流滤波器和电容补偿器的等值电纳，Ur为整流侧交流母线电压。
在CIGRE HVDC标准模型中，正常稳态运行状态下，直流系统逆变侧采用定γ角控制，整流侧采用定电流控制；稳态运行期间有：
Udr＝Udor cosα-RcrId
Figure BDA0003111710810000062
其中，Udor为整流站的空载直流电压值，α为整流侧触发角，Id为整流侧直流电流，Udr为整流侧直流电压，Udoi为逆变站空载直流电压值，β为逆变侧的逆变角，Rd为直流线路的电阻；
上式中，整流侧和逆变侧的电阻值可以用对应的换流变漏抗值来代替，Rcr＝3/πXcr，Rci＝3/πXci，Xcr、Xci分别为整流侧的换流变漏抗值和逆变侧换流变漏抗值；
当忽略交流和直流侧的谐波分量时有，
Figure BDA0003111710810000071
其中，
Figure BDA0003111710810000072
为整流侧功率因素角，μ为整流侧的换相角；
则，整流侧换流站消耗的无功功率为，
Figure BDA0003111710810000073
其中，Pdc为整流站输出的有功功率。
与直流系统相似，风电机组先后经历低电压穿越和高电压穿越两个阶段，其无功功率特性与其控制方式密切相关，为了体现风电机组故障期间的特性，可将其无功功率的变化简化表示为：
Qwind_L＝[λLVRT(0.9-Uw)-1]Qwind0
Qwind_H＝[λHVRT(Uw-1.1)-1]Qwind0
其中，Qwind_L、Qwind_H分别为低电压穿越期间和高电压穿越期间风电机组输出的无功功率，即在低电压穿越期间Qwind＝Qwind_L，在高电压穿越期间Qwind＝Qwind_H，λLVRT、λHVRT分别为低电压穿越期间和高电压穿越期间风机的无功出力系数，Uw为风电场并网点电压，Qwind0为风电机组的额定无功功率。
送端交流系统的短路容量可通过送端电网的短路比参数进一步表达，即，
Figure BDA0003111710810000074
其中，KSCR为送端交流电网的短路比，PdN为直流系统传输的额定有功功率。
通过上述公式推导，进一步得到直流系统、风电系统、送端电网短路比等电气量是影响直流换相失败期间暂态过电压程度的关键影响因素。
获得关键因素后，需实时采集关键因素相应电气量以及电网电压，根据实时采集的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压，具体过程如下：
21)实时采集关键因素相应电气量，并将关键因素相应电气量输入基于关键因素的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_1；
22)实时采集电网电压，并将电网电压输入基于实时电压的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_2；
23)将过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合，获得最终过压值。
上述OS-ELM预测模型为：
Hλ＝U
其中，H为隐含层节点的输出，λ为输出权重，U是预测输出，具体形式如下：
Figure BDA0003111710810000081
Figure BDA0003111710810000082
其中，g为激励函数，bi是第i个隐含层单元的阈值，i∈[1,L]，λi为第i个隐含层单元的输出权重，Xi为第i个隐含层单元的特征电气量输入，ωi为第i隐含层单元的输入权重，Ui第i个隐含层单元的期望输出，N为隐含层输入数据维数，L为隐含层单元数量，m为隐含层输出维数。
基于上式，建立基于关键因素的OS-ELM预测模型和基于实时电压的OS-ELM预测模型，将实时采集关键因素相应电气量和电网电压分别输入两个模型，可获得两个预测结果，将两个预测结果进行线性组合，即过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合，具体公式如下：
vmax＝Avmax_1+Bvmax_2+ε
其中，ε为偏差量，A、B分别为vmax_1和vmax_1的权重，vmax为最终过压值；具体预测如图3所示，在不同隐含层下模型的预测精度略有不同。
根据上述预测的下一个时刻的过压值，向调相机励磁系统发送提前控制调相机无功处理的指令。
上述方法具体如图4所示：
1)建立风电经高压直流外送模型，即ΔU公式，获取直流换相失败期间影响暂态电压的关键因素；
2)实时采集的关键因素相应电气量和电网电压，采用OS-ELM预测模型预测下一个时刻的过电压；
3)若存在过电压风险，则根据下一个时刻的过压值，向调相机励磁系统发送提前控制调相机无功处理的指令；否则根据原有控制，向调相机励磁系统发送控制指令。
如图5所示，在调相机原有控制硬件的基础上，将预测的下一个时刻过压值作为参考，当预测到系统存在过电压风险时，提前对调相机控制方式进行调整，由原有的过励运行转变为欠励控制运行，调相机也有输出无功功率调整为吸收无功功率，为励磁控制系统控制提供超前裕量，降低励磁控制延时导致的暂态过电压风险。
如图6和7所示，采用上述方法后，调相机能够提前回退无功功率，直流换相失败期间风电机组并网点电压由1.065pu降为1.032pu(基准值为220kV)。该方法能够有效降低直流换相失败过电压程度，同时帮助系统更加快速的恢复到稳定运行状态。
上述方法相应的软件系统，即一种调相机控制系统，包括：
关键因素获取模块：根据直流换相失败期间风电场并网点的暂态电压变化，获取直流换相失败期间影响暂态电压的关键因素；其中，关键因素包括直流换相失败期间整流侧换流站消耗的无功功率、直流换相失败期间风电场提供的无功功率、直流换相失败期间调相机提供的无功功率、直流换相失败期间整流侧的交流滤波器和电容补偿器提供的无功功率、以及送端交流系统的短路容量。
预测模块：根据实时采集的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压。
预测模块包括：
第一预测模块：实时采集关键因素相应电气量，并将关键因素相应电气量输入基于关键因素的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_1；
第二预测模块：实时采集电网电压，并将电网电压输入基于实时电压的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_2；
线性组合模块：将过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合，获得最终过压值。
线性组合模块将过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合采用的公式为，
vmax＝Avmax_1+Bvmax_2+ε
其中，ε为偏差量，A、B分别为vmax_1和vmax_1的权重，vmax为最终过压值。
提前控制模块：根据下一个时刻的过压值，向调相机励磁系统发送提前控制调相机无功处理的指令。
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抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个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一个或多个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抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法的指令。
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 (6)

1.抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法，其特征在于：包括，
根据直流换相失败期间风电场并网点的暂态电压变化，获取直流换相失败期间影响暂态电压的关键因素；其中，关键因素包括直流换相失败期间整流侧换流站消耗的无功功率、直流换相失败期间风电场提供的无功功率、直流换相失败期间调相机提供的无功功率、直流换相失败期间整流侧的交流滤波器和电容补偿器提供的无功功率、以及送端交流系统的短路容量；
根据实时采集的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压，
具体过程为：实时采集关键因素相应电气量，并将关键因素相应电气量输入基于关键因素的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_1；实时采集电网电压，并将电网电压输入基于实时电压的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_2；将过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合，获得最终过压值；
根据下一个时刻的过压值，向调相机励磁系统发送提前控制调相机无功处理的指令。
2.根据权利要求1所述的抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制方法，其特征在于：过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合的公式为，
vmax＝Avmax_1+Bvmax_2+ε
其中，ε为偏差量，A、B分别为vmax_1和vmax_1的权重，vmax为最终过压值。
3.抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制系统，其特征在于：包括，
关键因素获取模块：根据直流换相失败期间风电场并网点的暂态电压变化，获取直流换相失败期间影响暂态电压的关键因素；其中，关键因素包括直流换相失败期间整流侧换流站消耗的无功功率、直流换相失败期间风电场提供的无功功率、直流换相失败期间调相机提供的无功功率、直流换相失败期间整流侧的交流滤波器和电容补偿器提供的无功功率、以及送端交流系统的短路容量；
预测模块：根据实时采集的关键因素相应电气量和电网电压，预测下一个时刻的过电压；
预测模块包括，
第一预测模块：实时采集关键因素相应电气量，并将关键因素相应电气量输入基于关键因素的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_1；
第二预测模块：实时采集电网电压，并将电网电压输入基于实时电压的OS-ELM预测模型，预测下一个时刻的过压值vmax_2；
线性组合模块：将过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合，获得最终过压值；
提前控制模块：根据下一个时刻的过压值，向调相机励磁系统发送提前控制调相机无功处理的指令。
4.根据权利要求3所述的抵御换相失败送端风电场过电压的调相机控制系统，其特征在于：线性组合模块将过压值vmax_1和过压值vmax_1进行线性组合采用的公式为，
vmax＝Avmax_1+Bvmax_2+ε
其中，ε为偏差量，A、B分别为vmax_1和vmax_1的权重，vmax为最终过压值。
5.一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1至2所述的方法中的任一方法。
6.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、一个或多个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一个或多个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1至2所述的方法中的任一方法的指令。
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