CN117578551A - 一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力电子无功调节技术领域，公开了一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，包括以下步骤：构建三端混合直流输电系统直流侧与交流侧简化后的数学模型，以无功功率或交流母线电压为控制目标进行无功交换控制或交流母线电压控制，构建基于无功交换控制的非线性方程组和基于交流母线电压控制的非线性方程组，并对其求解；根据三端混合直流输电系统直流功率的所处状态，采用误差反馈调节对无功交换控制或交流母线电压控制的直流电压进行调节，得到更新后的换流器控制量；根据更新后的换流器的控制量调节无功功率或交流母线电压，得到稳定的无功功率或交流母线电压；该方法能够实现对无功功率或交流母线电压的连续精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子无功调节技术领域，具体涉及一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法。
背景技术
中国的能源和用电负荷呈现着逆向分布的特点。由LCC(Line CommutateConverter)整流器和MMC(Modular Multilevel Converter)逆变器组成的混合直流输电工程由于综合了两者的优势，在实际运用中既能控制成本又能对无功功率进行一定程度调节并避免了逆变侧换相失败的问题。相较于两端混合直流，三端混合直流输电的输电距离更远，运行方式也更加灵活，目前对于实现三端混合直流输电系统连续精确控制无功功率少有研究。
传统无功控制主要通过对无功单元的投切来满足谐波过滤以及无功补偿要求，达到阶梯式的无功控制效果，但由于无功单元的容量固定，当无功功率需求发生变化时，传统无功控制方式无法对无功交换量或交流母线电压实现连续地控制。在传统无功控制的基础上引入动态无功补偿装置，可以实现对无功功率的连续控制。但引入动态无功补偿装置后，控制结构复杂程度也会增加并且提高了控制成本。在传统无功控制的基础上，通过改进无功控制策略可以提高换流站自身的无功调节能力从而实现在控制生产成本的情况下达到理想的无功控制目标。在混合直流输电系统中，现有无功控制策略主要通过对MMC端进行调节来达到无功控制目标，未充分利用LCC换流器本身的无功调节能力，同时电压等级范围以及误差反馈等因素也未充分考虑，从而导致无功调节不够精确。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，通过充分利用换流器自身调节能力对无功功率或交流母线电压进行连续精确调节，同时配合无功补偿设备将直流电压控制在合理范围内，并采用误差修正和快速熄弧角控制方法控制无功功率或交流母线电压的波形，以使其更加平缓精确。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，包括以下步骤：
S1、根据基尔霍夫电压定理，构建三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型、三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型；
S2、根据步骤S1中构建的三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型、三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型，以无功功率为控制目标进行无功交换控制，构建基于无功交换控制的非线性方程组；
S3、根据步骤S1中构建的三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型、三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型，以交流母线电压为控制目标进行交流母线电压控制，构建基于交流母线电压控制的非线性方程组；
S4、求解步骤S2中构建的基于无功交换控制的非线性方程组或步骤S3中构建的基于交流母线电压控制的非线性方程组，并根据三端混合直流输电系统的直流功率的所处状态，采用误差反馈调节方法对无功交换控制或交流母线电压控制的直流电压进行调节，得到更新后的换流器的控制量；
S5、根据步骤S4中得到的更新后的换流器的控制量调节无功功率或交流母线电压，得到稳定的无功功率或交流母线电压。
本发明具有以下有益效果：
本发明所提出的一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，充分利用LCC换流站自身调节能力对无功交换控制的无功功率或交流母线电压控制的交流母线电压进行连续精确控制，并采用误差修正和快速熄弧角控制方法控制无功功率或交流母线电压的波形，以使其更加平缓精确。
附图说明
图1为本发明所提出的一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法的流程示意图；
图2为三端混合直流输电系统的电路简化示意图；
图3为交流系统的无功交换示意图；
图4为快速熄弧角控制方法触发角调整过程示意图；
图5为传统控制与定无功功率控制下的有功功率变化示意图；
图6为传统控制与定无功功率控制下的直流电压变化示意图；
图7为传统控制与定无功功率控制下的无功功率变化示意图；
图8为直流功率上升无功交换控制中实施快速熄弧角控制方法的前后有功功率变化示意图；
图9为直流功率上升无功交换控制中实施快速熄弧角控制方法的前后直流电压变化示意图；
图10为直流功率上升无功交换控制中实施快速熄弧角控制方法的前后无功功率变化示意图；
图11为直流功率上升无功交换控制中实施滤波器投切次数的对比示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，包括以下步骤S1-S5：
在本发明的一个可选实施例中，无功调节方法为以无功功率为控制目标的无功交换控制或以交流母线电压为控制目标的交流母线电压控制。
S1、根据基尔霍夫电压定理，构建三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型、三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型。
如图2所示，图2为三端混合直流输电系统的电路简化示意图；图2中，三端混合直流输电系统包括LCC换流器、MMC1换流器、MMC2换流器以及R1直流线路等效电阻、R2直流线路等效电阻；其中，表示LCC换流站的直流电流，/>表示MMC1换流站的直流电流，/>表示MMC2换流站的直流电流，/>表示LCC换流站的直流电压，/>表示MMC1换流站的直流电压，/>表示MMC2换流站的直流电压。本实施例中，对LCC换流站的无功特性进行分析，并根据电路原理将三端混合直流输电系统进行简化，并由基尔霍夫电压定理构建三端混合直流输电系统交流侧与直流侧的数学模型。本实施例中，三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型由根据基尔霍夫电压定理得到的MMC1换流站的直流电压表达式、MMC1换流站的有功功率表达式、LCC换流站的直流电压表达式以及三端混合直流输电系统输送的直流功率的表达式构成；三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型由LCC换流站触发角的表达式、LCC换流站换相重叠角的表达式、LCC换流站功率因数角的表达式、电压降落的纵向分量和横向分量的表达式以及交流系统等值电压源线电压有效值的表达式构成。
具体地，步骤S1具体包括S11-S19：
S11、根据基尔霍夫电压定理，构建MMC1换流站的直流电压、MMC1换流站的有功功率以及LCC换流站的直流电压的表达式，即：
其中，表示MMC1换流站的直流电压，/>表示MMC2换流站的直流电压，/>表示LCC换流站的直流电流，/>表示MMC1换流站的直流电流，/>、/>分别表示直流线路等效电阻，/>表示MMC1换流站的有功功率，/>表示LCC换流站的直流电压。
S12、根据步骤S11中构建的MMC1换流站的直流电压、MMC1换流站的有功功率以及LCC换流站的直流电压的表达式，构建三端混合直流输电系统输送的直流功率的表达式，即：
其中，表示三端混合直流输电系统输送的直流功率。
S13、步骤S11中构建的MMC1换流站的直流电压、MMC1换流站的有功功率以及LCC换流站的直流电压的表达式与步骤S12中构建的三端混合直流输电系统输送的直流功率的表达式为三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型。
S14、将LCC换流站的直流电压公式进行反三角变换，得到LCC换流站触发角的表达式，即：
其中，表示换流变压器的变化，/>表示三端混合直流输电系统稳态运行下交流母线电压有效值，/>表示LCC换流站的触发角，/>表示余弦函数，/>表示换流变压器换相电抗，/>表示反三角函数。
S15、构建LCC换流站的功率因素的两个方程并对其联立求解，得到LCC换流站换相重叠角的表达式，即：
其中，表示LCC换流站的功率因素，/>表示LCC换流站的换相重叠角。
S16、根据LCC换流站的换相重叠角与LCC换流站的触发角，构建LCC换流站功率因数角的表达式，即：
其中，表示LCC换流站的功率因数角，/>、/>分别表示正切函数、正弦函数。
S17、构建电压降落的纵向分量和横向分量的表达式，即：
其中，表示电压降落的纵向分量，/>表示电压降落的横向分量，/>表示LCC换流器交流电源的电阻，/>表示LCC换流站与交流系统交换的无功功率，/>表示LCC换流器交流电源的电抗。
S18、构建交流系统等值电压源线电压有效值的表达式，即：
其中，表示交流系统等值电压源线电压有效值。
S19、步骤S14得到的LCC换流站触发角的表达式、步骤S15得到的LCC换流站换相重叠角的表达式、步骤S16构建的LCC换流站功率因数角的表达式、步骤S17构建的电压降落的纵向分量和横向分量的表达式以及步骤S18构建交流系统等值电压源线电压有效值的表达式为三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型。
如图3所示，图3为交流系统的无功交换示意图；本实施例中交流系统为LCC换流站的交流侧结构。图3中为交流系统等值电压源线电压有效值，/>为三端混合直流输电系统输送的直流功率，/>为LCC换流站与交流系统交换的无功功率，/>表示LCC换流站的直流电压，/>为LCC换流站从交流系统吸收的无功功率，/>为无功补偿设备包括电容和电感等提供的无功功率，此处，/>由/>即无功补偿设备等效导纳计算得到的。因此，在后续步骤对无功补偿设备进行投切时，将会更新/>，即更新/>。此外，LCC换流站从交流系统吸收的无功功率/>由换流站输送的有功功率和功率因数角计算得到。当/>大于0时，则代表LCC换流站从交流系统吸收无功功率；反之，当/>小于0时，则代表LCC换流站向交流系统提供无功功率。且在理想情况下，交流系统与三端混合直流输电系统直流侧的无功交换期望控制为零。
S2、根据步骤S1中构建的三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型、三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型，以无功功率为控制目标进行无功交换控制，构建基于无功交换控制的非线性方程组。
本实施例中，下标带有ref的变量为对应变量的控制参考值，即控制量。通过引入控制量，以无功功率为控制目标进行无功交换控制，构建基于无功交换控制的非线性方程组。从下述得到的MMC1换流站的有功功率控制量的关系式与得到的LCC换流站与交流系统交换的无功功率的关系式中可以看出三端混合直流输电系统整流侧的无功交换受到LCC换流站、MMC1换流站、MMC2换流站各自控制参考值即控制量的影响，通过调整合适的控制参考值，则可以实现理想的无功控制效果。在得到的三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式、得到的MMC1换流站的有功功率控制量的关系式、得到的LCC换流站与交流系统交换的无功功率的关系式以及得到的交流系统等值电压源线电压有效值的关系式这四个方程中，即使LCC换流站与交流系统交换的无功功率给定，还存在三端混合直流输电系统交流母线电压有效值/>、MMC2换流站的直流电压控制量/>、LCC换流站的直流电流控制量/>、MMC1换流站的有功功率控制量/>、MMC1换流站的直流电流/>等五个未知变量，因此需要添加一个附加方程，附加方程可根据不同的实际需求进行选取，在本实施例中为了保证流过MMC1换流站的直流电流不越限，且尽可能的减小三端混合直流输电系统的线路耗损，故选取该系统额定直流功率状态下的直流电流/>为附加方程，并联立上述四个方程进行求解，得到合适的控制参数即控制量。
具体地，步骤S2具体包括S201-S210：
S201、根据步骤S12中构建的三端混合直流输电系统输送的直流功率的表达式，引入控制量，得到三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式，即：
其中，表示MMC2换流站的直流电压控制量，/>表示LCC换流站的直流电流控制量。
S202、根据步骤S11中构建的MMC1换流站的有功功率的表达式，引入控制量，得到MMC1换流站的有功功率控制量的关系式，即：
其中，表示MMC1换流站的有功功率控制量。
S203、根据步骤S201中得到的三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式与根据步骤S16中构建的LCC换流站功率因数角的表达式，得到LCC换流站从交流系统吸收的无功功率的关系式，即：
其中，表示LCC换流站从交流系统吸收的无功功率。
S204、根据步骤S203中得到的LCC换流站从交流系统吸收的无功功率的关系式，引入无功补偿设备，得到LCC换流站与交流系统交换的无功功率的关系式，即：
其中，表示LCC换流站与交流系统交换的无功功率，/>表示无功补偿设备等效导纳。
S205、构建LCC换流站的触发角与直流电流控制量、直流电压控制量的关系式，即：
。
S206、将步骤S205中构建的LCC换流站的触发角与直流电流控制量、直流电压控制量的关系式代入步骤S15中得到的LCC换流站换相重叠角的表达式中，得到LCC换流器换相重叠角的关系式，即：
S207、将S201中得到的三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式分别代入步骤S17中构建的电压降落的纵向分量和横向分量的表达式，得到交流母线电压有效值的横向分量和纵向分量的关系式，即：
S208、将步骤S207中得到的交流母线电压有效值的横向分量和纵向分量的关系式代入步骤S18中构建的交流系统等值电压源线电压有效值的表达式，得到交流系统等值电压源线电压有效值的关系式，即：
S209、根据步骤S201中得到的三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式，得到三端混合直流输电系统在额定直流功率状态下的直流电流关系式，即：
其中，表示三端混合直流输电系统在额定直流功率状态下的LCC换流站的直流电流控制量，/>表示三端混合输电系统在额定直流功率状态下的MMC2换流站的直流电压控制量，/>表示三端混合直流输电系统的额定直流功率。
本实施例中，下标带有ref的变量为对应变量的控制参考值，即控制量。通过引入控制量，以无功功率为控制目标进行无功交换控制，构建基于无功交换控制的非线性方程组。从下述得到的MMC1换流站的有功功率控制量的关系式与得到的LCC换流站与交流系统交换的无功功率的关系式中可以看出三端混合直流输电系统整流侧的无功交换受到LCC换流站、MMC1换流站、MMC2换流站各自控制参考值即控制量的影响，通过调整合适的控制参考值，则可以实现理想的无功控制效果。在得到的三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式、得到的MMC1换流站的有功功率控制量的关系式、得到的LCC换流站与交流系统交换的无功功率的关系式以及得到的交流系统等值电压源线电压有效值的关系式这四个方程中，即使LCC换流站与交流系统交换的无功功率给定，还存在三端混合直流输电系统交流母线电压有效值/>、MMC2换流站的直流电压控制量/>、LCC换流站的直流电流控制量/>、MMC1换流站的有功功率控制量/>、MMC1换流站的直流电流/>等五个未知变量，因此需要添加一个附加方程，附加方程可根据不同的实际需求进行选取，在本实施例中为了保证流过MMC1换流站的直流电流不越限，且尽可能的减小三端混合直流输电系统的线路耗损，故选取该系统额定直流功率状态下的直流电流/>为附加方程，并联立上述四个方程进行求解，得到合适的控制参数即控制量。
S210、基于步骤S201中得到的三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式、步骤S202中得到的MMC1换流站的有功功率控制量的关系式、步骤S204中得到的LCC换流站与交流系统交换的无功功率的关系式、步骤S208中得到的交流系统等值电压源线电压有效值的关系式以及步骤S209中得到的三端混合直流输电系统在额定直流功率状态下的直流电流关系式，构建基于无功交换控制的非线性方程组。
具体地，步骤S210中构建的基于无功交换控制的非线性方程组的计算公式为：
。
S3、根据步骤S1中构建的三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型、三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型，以交流母线电压为控制目标进行交流母线电压控制，构建基于交流母线电压控制的非线性方程组。
本实施例中，以交流母线电压为控制目标进行交流母线电压控制与以无功功率为控制目标进行无功交换控制类似，不同的是本实施例将控制目标由无功功率即LCC换流站与交流系统交换的无功功率变为交流母线电压即三端混合直流输电系统交流母线电压有效值/>，即可得到下述的基于交流母线电压控制的非线性方程组，即可得到三端混合直流输电系统整流侧的交流母线电压受到LCC换流站、MMC1换流站以及MMC2换流站各自控制参考值即控制量的影响，并对非线性方程组求解，得到LCC换流站与交流系统交换的无功功率/>、MMC2换流站的直流电压控制量/>、LCC换流站的直流电流控制量/>、MMC1换流站的有功功率控制量/>以及 MMC1换流站的直流电流/>等五个未知变量。
具体地，构建基于交流母线电压控制的非线性方程组的具体过程为：
根据步骤S204中得到的LCC换流站与交流系统交换的无功功率的关系式、步骤S205中构建的LCC换流站的触发角与直流电流控制量、直流电压控制量的关系式、步骤S206中得到的LCC换流器换相重叠角的关系式、步骤S208中得到的交流系统等值电压源线电压有效值的关系式以及步骤S209中得到的三端混合直流输电系统在额定直流功率状态下的直流电流关系式，将以无功功率为控制目标更新为以交流母线电压为控制目标，构建基于交流母线电压控制的非线性方程组。
具体地，构建的基于交流母线电压控制的非线性方程组的计算公式为：
其中，表示LCC换流站与交流系统交换的无功功率，/>表示MMC2换流站的直流电压控制量，/>表示LCC换流站的直流电流控制量，/>表示MMC1换流站的直流电流，/>、/>分别表示直流线路等效电阻，/>表示LCC换流站的换相重叠角，/>表示LCC换流站的触发角，/>表示余弦函数，/>表示正弦函数，/>表示无功补偿设备等效导纳，表示三端混合直流输电系统的交流母线电压参考值，/>表示反三角函数，表示换流变压器换相电抗，/>表示换流变压器的变化，/>表示交流系统等值电压源线电压有效值，/>表示LCC换流器交流电源的电阻，/>表示LCC换流器交流电源的电抗。
S4、求解步骤S2中构建的基于无功交换控制的非线性方程组或步骤S3中构建的基于交流母线电压控制的非线性方程组，并根据三端混合直流输电系统的直流功率的所处状态，采用误差反馈调节方法对无功交换控制或交流母线电压控制的直流电压进行调节，得到更新后的换流器的控制量。
本实施例中，步骤S2中的无功交换控制与步骤S3中的交流母线电压控制，能够实现对无功功率或交流母线电压的连续控制，但是，没有考虑三端混合直流输电系统的电压等级是否在设定阈值范围内。因此，为了保证该系统的安全，在提出的无功交换控制或交流母线电压控制所得到的LCC换流站的直流电压的基础上与LCC换流站的无功补偿设备投切控制进行配合，以使三端混合直流输电系统在不同直流功率水平下仍然能够维持合理的电压等级即设定阈值范围内。本实施例中，仅靠一次计算得到的换流站的各个控制量常会与所期望的参考值存在一定误差，因此增加误差反馈调节消除产生的误差。
具体地，步骤S4具体包括S41-S45：
S41、当三端混合直流系统的直流功率处于下降状态或上升状态时，通过求解步骤S2中构建的基于无功交换控制的非线性方程组或步骤S3中构建基于交流母线电压控制的非线性方程组，得到每个换流站的控制量。
S42、判断步骤S41中得到的每个换流站的控制量中的LCC换流站的直流电压是否处于设定阈值范围，若是，则下发步骤S41中得到的每个换流站的控制量给对应换流站的控制器，否则，执行步骤S43。
S43、若步骤S41中得到的每个换流站的控制量中的LCC换流站的直流电压小于设定阈值范围，则切除无功补偿设备，并重新计算步骤S2中或步骤S3中对应的无功补偿设备等效导纳，得到更新后的无功补偿设备等效导纳。
S44、将步骤S43中得到的更新后的无功补偿设备等效导纳重新代入步骤S2中构建的基于无功交换控制的非线性方程组或步骤S3中构建的基于交流母线电压控制的非线性方程组进行计算，得到新的LCC换流站的直流电压与新的换流器的控制量。
S45、判断步骤S44中得到新的LCC换流站的直流电压是否处于设定阈值范围，若是，则下发步骤S44中得到的新的换流器的控制量给对应换流站的控制器，否则，继续切除无功补偿设备，直到得到的LCC换流站的直流电压处于设定阈值范围，得到更新后的换流器的控制量。
本实施例中，步骤S41-S44为误差反馈调节的第一次调节，即将更新后的无功补偿设备等效导纳重新代入基于无功交换控制的非线性方程组或基于交流母线电压控制的非线性方程组进行计算后就完成了误差反馈调节的第一次调节，而步骤S45为误差反馈调节的循环重复过程。而在实际的应用过程中，一次误差反馈调节就足够了。并在第一次误差反馈调节后，采用快速熄弧角控制方法即Camma-kick，以避免控制波形过高尖峰的产生，快速熄弧角控制方法（Camma-kick）的原理为在参考值突变或滤波投切时，对触发角进行一定范围的调整。本实施例中，LCC端为整流站，因此，采用快速熄弧角控制方法对LCC换流站的触发角进行调整可以避免换流站与交流系统的无功功率或交流母线电压出现过高的尖峰。
具体地，将步骤S43中得到的更新后的无功补偿设备等效导纳重新代入步骤S2中构建的基于无功交换控制的非线性方程组或步骤S3中构建的基于交流母线电压控制的非线性方程组进行计算后，采用快速熄弧角控制方法对触发角进行调整，具体过程为：
采用快速熄弧角控制方法对LCC换流站的触发角进行调整，得到稳定的无功功率或交流母线电压。
如图4所示，图4为快速熄弧角控制方法触发角调整过程示意图；图4中横坐标表示时间（t），纵坐标表示LCC换流站的触发角，其中，为有功功率变化前的LCC换流站的触发角，/>为有功功率切换后的LCC换流站的触发角，并且有功功率在/>时刻变化。在有功功率变化前的/>时段，/>从/>增加到/>，/>为LCC换流站的触发角的最大值，/>时段，/>从/>减小到变化后的有功功率对应的触发角/>，并在选取合适的/>大小和变化斜率后，能够发现触发角/>的调整可以有效减小尖峰。/>
S5、根据步骤S4中得到的更新后的换流器的控制量调节无功功率或交流母线电压，得到稳定的无功功率或交流母线电压。
本实施例中，给定换流站设定参数，并进行实验，换流站设定参数如表1所示，即：
表1 换流站参数设置表
如图5所示，图5为传统控制与定无功功率控制下的有功功率变化示意图；图5中横坐标表示时间，单位秒（s），纵坐标表示有功功率，单位兆瓦（MW）。其中，虚线表示定无功功率控制方法下的有功功率随时间的变化情况，实线表示传统控制方法下有功功率随时间的变化情况。
如图6所示，图6为传统控制与定无功功率控制下的直流电压变化示意图；图6中横坐标表示时间，单位秒（s），纵坐标表示直流电压，单位伏（V）。其中，虚线表示定无功功率控制方法下的直流电压随时间的变化情况，实线表示传统控制方法下直流电压随时间的变化情况。
如图7所示，图7为传统控制与定无功功率控制下的无功功率变化示意图；图7中横坐标表示时间，单位秒（s），纵坐标表示无功功率，单位兆乏（MVar）。其中，虚线表示定无功功率控制方法下的无功功率随时间的变化情况，实线表示传统控制方法下无功功率随时间的变化情况。
本实施例中，图5、图6与图7中对比了传统控制方法与定无功功率控制即本发明所提出的无功交换控制方法的有功功率变化、直流电压变化以及无功功率变化，并从中可以看出，利用本发明所提出的无功交换控制方法，可以使三端混合交流系统的有功功率、直流电流以及无功功率更加平缓连续。
如图8所示，图8为直流功率上升无功交换控制中实施快速熄弧角控制方法的前后有功功率变化示意图；图8中横坐标表示时间，单位秒（s），纵坐标表示有功功率，单位兆瓦（MW）。其中，虚线表示快速熄弧角控制前有功功率随时间的变化情况，实线表示快速熄弧角控制后有功功率随时间的变化情况。
如图9所示，图9为直流功率上升无功交换控制中实施快速熄弧角控制方法的前后直流电压变化示意图；图9中横坐标表示时间，单位秒（s），纵坐标表示直流电压，单位伏（V）。其中，虚线表示快速熄弧角控制前直流电压随时间的变化情况，实线表示快速熄弧角控制后直流电压随时间的变化情况。
如图10所示，图10为直流功率上升无功交换控制中实施快速熄弧角控制方法的前后无功功率变化示意图；图10中横坐标表示时间，单位秒（s），纵坐标表示无功功率，单位兆乏（MVar）。其中，虚线表示快速熄弧角控制前无功功率随时间的变化情况，实线表示快速熄弧角控制后无功功率随时间的变化情况。
本实施例中，图8、图9与图10中对比了直流功率上升无功交换控制中实施快速熄弧角控制方法的前后无功功率、直流电压以及有功功率的变化情况，并从中可以看出，利用本发明所提出的无功交换控制方法，可以使三端混合交流系统的有功功率、直流电流以及无功功率更加平缓连续，同时避免了换流站与交流系统的无功功率出现过高的尖峰。
如图11所示，图11为直流功率上升无功交换控制中实施滤波器投切次数的对比示意图。图11中实线为传统控制方法，虚线为定无功功率控制即本发明所提出的无功交换控制；从图11中可以看出，利用定无功功率控制方法投入滤波器组数更少。因为传统的无功控制只能依靠滤波器投切来调节无功功率，导致控制效果不好并且投切次数过多，而利用本发明所提出的无功交换控制方法可以有效改善控制效果和减少投切次数。
本实施例中，从图5、图6、图7、图8、图9、图10以及图11中可以得到，采用本发明所提出的以无功功率为控制目标的无功交换控制，并引入误差反馈调节和快速熄弧角控制方法在不同的有功功率下能够对无功功率实现连续精确控制，弥补了无功单元容量固定只能阶梯式调节无功功率的缺陷，并在加入快速熄弧角控制方法后，参考值即控制变量突变带来的尖峰得到了有效减小，缩短了三端混合直流输电系统的动态响应时间，有利于实际工程的运行；同时有效减少了滤波投切次数，缩短了操作时间，降低了滤波器组的损耗。同理，采用交流母线电压控制，并引入误差反馈调节和快速熄弧角控制方法在不同的有功功率下也能够对交流母线电压实现连续精确控制且达到的效果是一样的。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据基尔霍夫电压定理，构建三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型、三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型；
S2、根据步骤S1中构建的三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型、三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型，以无功功率为控制目标进行无功交换控制，构建基于无功交换控制的非线性方程组；
S3、根据步骤S1中构建的三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型、三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型，以交流母线电压为控制目标进行交流母线电压控制，构建基于交流母线电压控制的非线性方程组；
S4、求解步骤S2中构建的基于无功交换控制的非线性方程组或步骤S3中构建的基于交流母线电压控制的非线性方程组，并根据三端混合直流输电系统的直流功率的所处状态，采用误差反馈调节方法对无功交换控制或交流母线电压控制的直流电压进行调节，得到更新后的换流器的控制量；
S5、根据步骤S4中得到的更新后的换流器的控制量调节无功功率或交流母线电压，得到稳定的无功功率或交流母线电压。
2.根据权利要求1所述的一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11、根据基尔霍夫电压定理，构建MMC1换流站的直流电压、MMC1换流站的有功功率以及LCC换流站的直流电压的表达式，即：
其中，表示MMC1换流站的直流电压，/>表示MMC2换流站的直流电压，/>表示LCC换流站的直流电流，/>表示MMC1换流站的直流电流，/>、/>分别表示直流线路等效电阻，表示MMC1换流站的有功功率，/>表示LCC换流站的直流电压；
S12、根据步骤S11中构建的MMC1换流站的直流电压、MMC1换流站的有功功率以及LCC换流站的直流电压的表达式，构建三端混合直流输电系统输送的直流功率的表达式，即：
其中，表示三端混合直流输电系统输送的直流功率；
S13、步骤S11中构建的MMC1换流站的直流电压、MMC1换流站的有功功率以及LCC换流站的直流电压的表达式与步骤S12中构建的三端混合直流输电系统输送的直流功率的表达式为三端混合直流输电系统直流侧简化后的数学模型；
S14、将LCC换流站的直流电压公式进行反三角变换，得到LCC换流站触发角的表达式，即：
其中，表示换流变压器的变化，/>表示三端混合直流输电系统稳态运行下交流母线电压有效值，/>表示LCC换流站的触发角，/>表示余弦函数，/>表示换流变压器换相电抗，/>表示反三角函数；
S15、构建LCC换流站的功率因素的两个方程并对其联立求解，得到LCC换流站换相重叠角的表达式，即：
其中，表示LCC换流站的功率因素，/>表示LCC换流站的换相重叠角；
S16、根据LCC换流站的换相重叠角与LCC换流站的触发角，构建LCC换流站功率因数角的表达式，即：
其中，表示LCC换流站的功率因数角，/>、/>分别表示正切函数、正弦函数；
S17、构建电压降落的纵向分量和横向分量的表达式，即：
其中，表示电压降落的纵向分量，/>表示电压降落的横向分量，/>表示LCC换流器交流电源的电阻，/>表示LCC换流站与交流系统交换的无功功率，/>表示LCC换流器交流电源的电抗；
S18、构建交流系统等值电压源线电压有效值的表达式，即：
其中，表示交流系统等值电压源线电压有效值；
S19、步骤S14得到的LCC换流站触发角的表达式、步骤S15得到的LCC换流站换相重叠角的表达式、步骤S16构建的LCC换流站功率因数角的表达式、步骤S17构建的电压降落的纵向分量和横向分量的表达式以及步骤S18构建交流系统等值电压源线电压有效值的表达式为三端混合直流输电系统交流侧简化后的数学模型。
3.根据权利要求2所述的一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S201、根据步骤S12中构建的三端混合直流输电系统输送的直流功率的表达式，引入控制量，得到三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式，即：
其中，表示MMC2换流站的直流电压控制量，/>表示LCC换流站的直流电流控制量；
S202、根据步骤S11中构建的MMC1换流站的有功功率的表达式，引入控制量，得到MMC1换流站的有功功率控制量的关系式，即：
其中，表示MMC1换流站的有功功率控制量；
S203、根据步骤S201中得到的三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式与根据步骤S16中构建的LCC换流站功率因数角的表达式，得到LCC换流站从交流系统吸收的无功功率的关系式，即：
其中，表示LCC换流站从交流系统吸收的无功功率；
S204、根据步骤S203中得到的LCC换流站从交流系统吸收的无功功率的关系式，引入无功补偿设备，得到LCC换流站与交流系统交换的无功功率的关系式，即：
其中，表示LCC换流站与交流系统交换的无功功率，/>表示无功补偿设备等效导纳；
S205、构建LCC换流站的触发角与直流电流控制量、直流电压控制量的关系式，即：
；
S206、将步骤S205中构建的LCC换流站的触发角与直流电流控制量、直流电压控制量的关系式代入步骤S15中得到的LCC换流站换相重叠角的表达式中，得到LCC换流器换相重叠角的关系式，即：
S207、将S201中得到的三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式分别代入步骤S17中构建的电压降落的纵向分量和横向分量的表达式，得到交流母线电压有效值的横向分量和纵向分量的关系式，即：
S208、将步骤S207中得到的交流母线电压有效值的横向分量和纵向分量的关系式代入步骤S18中构建的交流系统等值电压源线电压有效值的表达式，得到交流系统等值电压源线电压有效值的关系式，即：
S209、根据步骤S201中得到的三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式，得到三端混合直流输电系统在额定直流功率状态下的直流电流关系式，即：
其中，表示三端混合直流输电系统在额定直流功率状态下的LCC换流站的直流电流控制量，/>表示三端混合输电系统在额定直流功率状态下的MMC2换流站的直流电压控制量，/>表示三端混合直流输电系统的额定直流功率；
S210、基于步骤S201中得到的三端混合直流输电系统输送的直流功率与直流电流控制量、MMC2换流站的直流电压控制量的关系式、步骤S202中得到的MMC1换流站的有功功率控制量的关系式、步骤S204中得到的LCC换流站与交流系统交换的无功功率的关系式、步骤S208中得到的交流系统等值电压源线电压有效值的关系式以及步骤S209中得到的三端混合直流输电系统在额定直流功率状态下的直流电流关系式，构建基于无功交换控制的非线性方程组。
4.根据权利要求3所述的一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，其特征在于，步骤S210中构建的基于无功交换控制的非线性方程组的计算公式为：
。
5.根据权利要求3所述的一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，其特征在于，构建基于交流母线电压控制的非线性方程组的具体过程为：
根据步骤S204中得到的LCC换流站与交流系统交换的无功功率的关系式、步骤S205中构建的LCC换流站的触发角与直流电流控制量、直流电压控制量的关系式、步骤S206中得到的LCC换流器换相重叠角的关系式、步骤S208中得到的交流系统等值电压源线电压有效值的关系式以及步骤S209中得到的三端混合直流输电系统在额定直流功率状态下的直流电流关系式，将以无功功率为控制目标更新为以交流母线电压为控制目标，构建基于交流母线电压控制的非线性方程组。
6.根据权利要求5所述的一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，其特征在于，构建的基于交流母线电压控制的非线性方程组的计算公式为：
其中，表示LCC换流站与交流系统交换的无功功率，/>表示MMC2换流站的直流电压控制量，/>表示LCC换流站的直流电流控制量，/>表示MMC1换流站的直流电流，/>、/>分别表示直流线路等效电阻，/>表示LCC换流站的换相重叠角，/>表示LCC换流站的触发角，/>表示余弦函数，/>表示正弦函数，/>表示无功补偿设备等效导纳，/>表示三端混合直流输电系统的交流母线电压参考值，/>表示反三角函数，/>表示换流变压器换相电抗，/>表示换流变压器的变化，/>表示交流系统等值电压源线电压有效值，/>表示LCC换流器交流电源的电阻，/>表示LCC换流器交流电源的电抗。
7.根据权利要求1所述的一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
S41、当三端混合直流系统的直流功率处于下降状态或上升状态时，通过求解步骤S2中构建的基于无功交换控制的非线性方程组或步骤S3中构建基于交流母线电压控制的非线性方程组，得到每个换流站的控制量；
S42、判断步骤S41中得到的每个换流站的控制量中的LCC换流站的直流电压是否处于设定阈值范围，若是，则下发步骤S41中得到的每个换流站的控制量给对应换流站的控制器，否则，执行步骤S43；
S43、若步骤S41中得到的每个换流站的控制量中的LCC换流站的直流电压小于设定阈值范围，则切除无功补偿设备，并重新计算步骤S2中或步骤S3中对应的无功补偿设备等效导纳，得到更新后的无功补偿设备等效导纳；
S44、将步骤S43中得到的更新后的无功补偿设备等效导纳重新代入步骤S2中构建的基于无功交换控制的非线性方程组或步骤S3中构建的基于交流母线电压控制的非线性方程组进行计算，得到新的LCC换流站的直流电压与新的换流器的控制量；
S45、判断步骤S44中得到新的LCC换流站的直流电压是否处于设定阈值范围，若是，则下发步骤S44中得到的新的换流器的控制量给对应换流站的控制器，否则，继续切除无功补偿设备，直到得到的LCC换流站的直流电压处于设定阈值范围，得到更新后的换流器的控制量。
8.根据权利要求7所述的一种连续精确的三端混合直流输电系统的无功调节方法，其特征在于，将步骤S43中得到的更新后的无功补偿设备等效导纳重新代入步骤S2中构建的基于无功交换控制的非线性方程组或步骤S3中构建的基于交流母线电压控制的非线性方程组进行计算后，采用快速熄弧角控制方法对触发角进行调整，具体过程为：
采用快速熄弧角控制方法对LCC换流站的触发角进行调整，得到稳定的无功功率或交流母线电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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