提高交直流系统静态电压稳定性的直流控制协调控制方法与流程

本发明涉及电网技术领域，特别是涉及提高交直流系统静态电压稳定性的直流控制协调控制方法。

背景技术：

高压直流输电具有远距离大容量输电、可连接异步电网以及快速的功率调制等优点，直流输电线路与交流线路混联形成交直流混联系统。然而直流系统在为受端交流系统提供有功传输的同时，也需要交流系统为其提供无功支持，无功功率不足往往是导致交直流系统电压失稳的主要原因之一。

直流输电系统具有高度的可控性，通过换流变压器控制与换流器控制方式相配合能够控制直流电压和换流器的触发角在指定范围内变化，确保直流输电线路的稳定运行。当交直流系统的运行条件发生变化时可能导致直流输电系统控制方式的切换，不同的换流变压器控制与换流器控制方式对交直流系统的静态电压稳定性有不同的影响。因此，深入研究直流控制方式的协调控制策略对提高交直流系统静态电压稳定性具有重要意义。

目前，传统的直流控制方式的协调控制策略存在以下问题：

(1)传统的换流变压器控制方式与换流器控制方式的协调控制策略较为固定，换流变压器的角度控制与整流侧定电流(或定功率)或逆变侧定电压的换流器相配合，换流变压器电压控制与逆变侧定熄弧角的换流器相配合，这种协调控制策略以保证直流系统稳定运行裕度为主，没有考虑对交直流系统静态电压稳定性的影响。

(2)换流变压器的角度控制与逆变侧定电压控制相配合时，限制了定电压控制在交流系统电压下降时通过调整触发角提高直流功率因数的能力。

综上所述，现有技术中对于换流变压器控制方式与换流器控制方式的协调控制无法保证交直流系统静态电压的稳定性的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了提高交直流系统静态电压稳定性的直流控制协调控制方法，本发明通过直流换流变压器控制方式与逆变器控制方式切换相配合实现提高交直流系统静态电压稳定性的目的。

提高交直流系统静态电压稳定性的直流控制协调控制方法，包括：

当交直流系统逆变侧交流母线电压升高时，换流变压器的角度控制模块与逆变器定电压控制模块相配合，使得逆变器的功率因数不会因为定电压控制而明显降低，进而抑制直流系统无功吸收的增加；

当交直流系统逆变侧交流母线电压降低时，逆变器定电压控制模块通过减小超前触发角γ来提高逆变器的功率因数，提高交流系统的无功支撑能力，此时会抑制定电压控制方式发挥功率因数调节作用的换流变压器的角度控制模块被闭锁；

当定电压控制使得逆变器超前触发角γ低于设定值时，逆变器定电压控制将切换为定最小熄弧角γ_min控制，换流变压器的电压控制模块解锁并与逆变器定最小熄弧角控制相配合，使得逆变器功率因数能够保持在设定范围内。

进一步的，上述直流控制协调控制方法中，当逆变侧换流变压器分接头在额定位置时，由逆变侧换流器超前触发角γ和逆变侧直流电压V_di判断换流变压器分接头第一次动作的动作方向。

进一步的，所述换流变压器分接头第一次动作的动作方向判断方法：

逆变侧换流变压器分接头在额定位置时，当逆变器超前触发角γ大于γ_up时，逆变侧换流变压器分接头减小一个档位，其中γ_up为换流变压器的角度控制模块的角度上限整定值；

逆变侧换流变压器分接头在额定位置时，当逆变器超前触发角γ达到逆变器定最小熄弧角控制的整定值γ_min，且逆变侧直流电压V_di低于V_dmin时，逆变侧换流变压器分接头增加一个档位；其中V_dmin为换流变压器的电压控制模块的电压下限整定值。

进一步的，逆变侧换流变压器分接头在额定位置时，换流变压器角度控制和电压控制模块闭锁，逆变器定电压控制模块解锁。

进一步的，当换流变压器分接头不在额定位置时，根据换流变压器分接头第一次动作方向，解锁事先确定的对应的换流变压器控制模块。

进一步的，根据换流变压器分接头第一次动作方向，所解锁的事先确定的对应换流变压器控制模块的具体步骤为：

当逆变侧换流变压器变比低于额定变比时，解锁换流变压器的角度控制模块并与逆变器定电压控制模块相配合；

当逆变侧换流变压器变比高于额定变比时，解锁换流变压器的电压控制模块并与逆变器定最小熄弧角控制模块相配合。

进一步的，换流变压器采用电压控制模块进行电压控制期间，逆变器的定电压控制模块应闭锁。

上述逆变器的定电压控制模块应闭锁的原因如下：由于逆变器定电压控制的动作速度比换流变压器电压控制的动作速度更快，当换流母线由低电压向额定电压恢复时，逆变器定电压控制将保持逆变侧直流电压V_di不变，换流变压器电压控制在动作延迟范围内检测不到直流电压V_di的变化而不发生动作。为了使换流母线由低电压恢复为额定电压时，换流变压器变比能够恢复到额定变比，在换流变压器采用电压控制期间，应闭锁同样能够控制电压且动作速度更快的逆变器定电压控制模块。

进一步的，逆变侧换流变压器的动作逻辑可以表示为：

式中，n_k、n_k+1代表换流变压器当前变比和调节后变比，n_max、n_min、n₀和Δn代表换流变压器最大变比、最小变比、额定变比和分接头步长；γ、γ_min为逆变器的当前关断角和最小关断角限制，V_di为逆变侧直流电压；γ_up、γ_low为换流变压器角度控制的上、下限整定值，V_dmax、V_dmin为电压控制的上、下限整定值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明改变传统的换流变压器控制与逆变器控制方式的协调控制策略，并提出换流变压器的电压控制与逆变器定最小熄弧角控制相配合，使直流系统保持较高的功率因数，提高交直流系统静态电压稳定性。

本发明逆变侧定电压控制下闭锁换流变压器的角度控制，充分发挥定电压控制在交流系统电压下降时通过调整触发角提高直流功率因数的能力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，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。

图1本发明提供的协调控制策略详细流程图；

图2本发明提供的协调控制策略整体流程图；

图3本发明提供的经过修改的New England-39节点系统接线图；

图4本发明与传统方式下逆变侧交流母线电压随负荷率变化对比图；

图5本发明与传统方式下逆变侧有功发出量随负荷率变化对比图；

图6本发明与传统方式下逆变侧无功吸收量随负荷率变化对比图；

图7本发明与传统方式下逆变器功率因数随负荷率变化对比图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释部分：换流站的换流变压器控制方式和换流器控制方式在控制系统中由各控制模块并行控制实现。在本专利中，换流变压器控制涉及角度控制模块和电压控制模块，用于实现角度控制方式和电压控制方式；逆变器控制涉及定电压控制模块和定最小熄弧角控制模块，用于实现定电压控制方式和定最小熄弧角控制方式。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在换流变压器控制方式与换流器控制方式的协调控制无法保证交直流系统静态电压的稳定性的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种提高交直流系统静态电压稳定性的直流控制协调控制方法。如图2所示，本申请由逆变器超前触发角和逆变侧直流电压判断变压器分接头第一次动作的方向，根据变压器第一次动作方向解锁相应的变压器控制模块，判断是否闭锁逆变器定电压控制模块，根据所确定的直流控制方式，确定直流系统的运行状态。

本申请的一种典型的实施方式中，直流输电系统采用电压稳定性较好的定功率-定电压控制，传统协调控制策略下换流变压器角度控制始终与逆变器定电压控制或定最小熄弧角γ_min控制相配合。交直流系统在本发明的协调控制策略下：当逆变侧交流母线电压升高时，换流变压器的角度控制与逆变器定电压控制相配合，使得逆变器的功率因数不会因为定电压控制而明显降低，进而抑制直流系统无功吸收的增加，提高交直流系统静态电压稳定性；当逆变侧交流母线电压降低时，逆变器定电压控制通过减小超前触发角γ来提高逆变器的功率因数，提高交流系统的无功支撑能力，此时会抑制定电压控制发挥功率因数调节作用的换流变压器角度控制模块被闭锁；当定电压控制使得逆变器超前触发角γ过低时，逆变器定电压控制将切换为定最小熄弧角γ_min控制，换流变压器电压控制模块解锁并与逆变器定最小熄弧角控制相配合，由于逆变器保持较小的超前触发角，使得逆变器功率因数能够保持在较高水平下。

本发明提出的提高交直流系统静态电压稳定性的直流控制方式的协调控制策略，包括以下步骤：

(1)当逆变侧换流变压器分接头在额定位置时，由逆变侧换流器超前触发角γ和逆变侧直流电压V_di判断分接头第一次动作的动作方向；

(2)当换流变压器分接头不在额定位置时，根据(1)中换流变压器分接头第一次动作方向，解锁事先确定的对应的换流变压器角度控制或电压控制模块；

(3)换流变压器采用电压控制期间，逆变器的定电压控制模块应闭锁；

(4)根据所确定的换流变压器控制与逆变器控制方式，输出交流母线电压变化后换流变压器分接头的动作值。

前述步骤(1)分接头第一次动作的动作方向判断方法：

1)逆变侧换流变压器分接头在额定位置时，当逆变器超前触发角γ大于γ_up时，逆变侧换流变压器分接头减小一个档位。其中γ_up为换流变压器角度控制方式的角度上限整定值；

2)逆变侧换流变压器分接头在额定位置时，当逆变器超前触发角γ达到逆变器定最小熄弧角控制的整定值γ_min，且逆变侧直流电压V_di低于V_dmin时，逆变侧换流变压器分接头增加一个档位；其中V_dmin为换流变压器电压控制方式的电压下限整定值。

3)逆变侧换流变压器分接头在额定位置时，换流变压器传统的的角度控制和电压控制模块闭锁，逆变器定电压控制模块解锁。

前述步骤(2)根据(1)中换流变压器分接头第一次动作方向，所解锁的事先确定的对应换流变压器控制模块为：

1)当逆变侧换流变压器变比低于额定变比时，解锁换流变压器的角度控制并与逆变器定电压控制相配合；

2)当逆变侧换流变压器变比高于额定变比时，解锁换流变压器的电压控制并与逆变器定最小熄弧角控制相配合。

前述步骤(3)，由于逆变器定电压控制的动作速度比换流变压器电压控制的动作速度更快，当换流母线由低电压向额定电压恢复时，逆变器定电压控制将保持逆变侧直流电压V_di不变，换流变压器电压控制在动作延迟范围内检测不到直流电压V_di的变化而不发生动作。为了使换流母线由低电压恢复为额定电压时，换流变压器变比能够恢复到额定变比，在换流变压器采用电压控制期间，应闭锁同样能够控制电压且动作速度更快的逆变器定电压控制模块。

前述步骤(4)，由步骤(1)-(3)可以确定当前交流系统运行状态下的直流换流变压器控制与逆变器控制方式，进而根据直流输电系统准稳态方程确定直流输电系统的运行状态。

其中，直流输电系统准稳态方程如下：

整流侧和逆变侧的直流电压V_dr及V_di分别为：

式中，α、δ分别为整流器的触发延迟角和熄弧角；β、γ分别为逆变器的触发超前角和关断角；I_d为直流输电线路上的直流电流；X_cr、X_ci为整流器和逆变器的内电抗；V_r及V_i分别为整流站和逆变站交流测的线电压，K_r及K_i为整流、逆变侧的换流变压器变比。

直流输电线路忽略线路分布电容的影响时，线路电流的稳态方程为：

式中R_dc为直流线路的电阻。

整流站和逆变站的功率因数为：

式中分别为整流站和逆变站的功率因数角。

整流站吸收的有功功率和无功功率为：

P_dr＝V_drI_d

逆变站发出的有功功率和吸收的无功功率为：

P_di＝V_diI_d

本申请的另一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了提高交直流系统静态电压稳定性的直流控制协调控制方法，上述直流控制协调控制方法，具体步骤包括：

步骤一：首先判断换流变压器变比是否为额定变比，若是，则转入步骤二，否则，转入步骤三；

步骤二：闭锁换流变压器角度控制模块和换流变压器电压控制模块，继续判断逆变器的关断角是否等于逆变器的最小关断角，若是，则转入步骤四，否则，转入步骤五；

步骤三，判断换流变压器变比是否在换流变压器最小变比及换流变压器额定变比范围内，若是，则解锁换流变压器角度控制模块，并判断换流变压器分接头的动作值，并转入步骤六，若否，则解锁换流变压器电压控制模块，并判断换流变压器分接头的动作值并转入步骤六；

步骤四：继续判断逆变侧直流电压是否小于等于电压控制的下限整定值，若是，则换流变压器变比增加分接头步长，若否，则转入步骤六；

步骤五：继续判断逆变器的关断角是否大于等于换流变压器角度控制的上限整定值，若否，则转入步骤六，若是，则换流变压器变比减少分接头步长；

步骤六：继续判断换流变压器变比是否大于换流变压器额定变比，若是，则闭锁逆变器定电压控制模块，若否，则解锁逆变器定电压控制模块。

本申请的又一种实施例中，在本发明提出的提高交直流系统静态电压稳定性的直流控制方式的协调控制策略下，逆变侧换流变压器的动作逻辑可以表示为：

式中，n_k、n_k+1代表换流变压器当前变比和调节后变比，n_max、n_min、n0和Δn代表换流变压器最大变比、最小变比、额定变比和分接头步长；γ、γ_min为逆变器的当前关断角和最小关断角限制，V_di为逆变侧直流电压；γ_up、γ_low为换流变压器角度控制的上、下限整定值，V_dmax、V_dmin为电压控制的上、下限整定值。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的仿真实施例与对比例详细说明本申请的技术方案。

对图3所示的经过修改的New England-39节点系统进行仿真，将原本NewEngland-39节点系统的节点23-24交流线路替换为传输功率相近的直流线路。仿真结果中相比于传统的直流控制方式的协调控制策略：图4表明本发明所提出的协调控制策略下能够使系统获得更高的交流电压水平；图5表明两种控制策略都能维持直流输电系统的稳定运行状态，使得有功功率的传输保持恒定；图6表明重负荷下本发明所提出的协调控制策略能够降低直流系统的无功需求，这是由于图7中本发明所提出的协调控制策略能够使逆变器在重负荷下保持更高的功率因数，提高了交直流系统的静态电压稳定性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。