一种应用于换流器的功率因数控制方法及装置与流程

本发明属于直流输电技术领域，特别涉及一种应用于换流器的功率因数控制方法及装置。

背景技术：

自基于模块化多电平换流器(mmc)的柔性直流输电技术提出以来，柔性直流输电系统在国内电力系统的工程应用中获得了快速发展，并展现出了良好的技术特性。与常规直流输电技术相比，柔性直流输电系统控制具有两个自由度，通过内环控制器的dq解耦，可以独立地控制换流器输出的有功功率和无功功率，且不存在换相失败问题，并可对无源系统供电，具有较大的发展前景。

无功功率是电力系统运行中的一个重要因素，大多数网络元件和负载都需要消耗无功功率，而且大多数用户负荷也需要消耗无功功率，如变压器、大量感应式电动机、气体放电电灯、电风扇、冰箱、空调、负荷等设备，他们不仅需要从电力系统中吸收有功功率，同时需要吸收无功功率，以产生这些设备维持正常工作所必须的交变磁场，无功功率不是无用功率，它能为能量的交换、输送、转换创造必要的条件。

因此，为了输送有功功率，需要送电端和受电端的电压有一定的相位差，为了输送无功功率，需要两端电压有一定的幅值差，输送有功功率时需要消耗无功功率，如果需要消耗的无功功率都要由发电机提供且经过长距离传输是不合理的，这就需要消耗无功功率的地方产生无功功率，因此，需要对无功功率补偿，即对无功功率进行控制。

其中，功率因数是影响无功功率的一个重要因素，功率因数是有功功率和视在功率的比值，其变化率将直接影响系统有功功率和无功功率的比例，鉴于电力生产的特点，功率因数的高低对发、供、用电设备的充分利用，节约电能和改善电压质量有着重要影响，为此电力工业企业对广大用户，特别是大工业用户特别重视功率因数的管理，对无功功率进行补偿，如采用定无功功率的模式对无功功率控制，但是在采用定无功功率控制模式时，由于未考虑功率因数的控制，造成换流器的使能控制不够灵活，控制功能比较单一，且在换流器交流侧未增加交流滤波器时，如果不对功率因数进行合理的控制，将会增大谐波电源对交流系统和柔性直流换流器的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种应用于换流器的功率因数控制方法及装置，用于对柔性直流换流器采用定无功功率进行无功调压时未考虑功率因数的调节造成换流器的控制不够灵活，控制功能单一的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种应用于换流器的功率因数控制方法，通过对功率因数进行控制得到无功功率参考值：设定功率因数参考值cosθref，将功率因数参考值cosθref与功率因数实测值cosθmeas作差通过pi调节得到无功功率参考值qcosθ_ref，将无功功率参考值qcosθ_ref与无功功率的设定值qac_set相加后得到最终的无功功率参考值qac_ref_final；对无功功率参考值qac_ref_final进行定无功功率调节得到电流参考值。

进一步地，所述无功功率参考值qcosθ_ref通过将功率因数参考值cosθref与功率因数实测值作差经过pi调节乘以±1得到，其中±1的选择由无功功率实测值qac_meas决定，若检测无功是感性取1，若检测无功功率是容性取-1。

进一步地，若不需要功率因数控制时，将无功功率参考值qcosθ_ref减小至0。

进一步地，若不需要功率因数控制时，将无功功率参考值qcosθ_ref以设定的斜率减小至0。

本发明还提供了一种应用于换流器的功率因数控制装置，包括功率因数控制器和无功功率控制器，其中，所述功率因数控制器用于对功率因数进行调节得到无功功率参考值：设定功率因数参考值cosθref，将功率因数参考值cosθref与功率因数实测值cosθmeas作差通过pi调节得到无功功率参考值qcosθ_ref，将无功功率参考值qcosθ_ref与无功功率的设定值qac_set相加后得到最终的无功功率参考值qac_ref_final，所述无功功率控制器用于对所述无功功率参考值调节得到电流参考值。

进一步地，所述功率因数控制器中，所述无功功率参考值qcosθ_ref通过将功率因数参考值cosθref与功率因数实测值作差经过pi调节乘以±1得到，其中±1的选择由无功功率实测值qac_meas决定，若检测无功是感性取1，若检测无功功率是容性取-1。

进一步地，若不需要功率因数控制时，将无功功率参考值qcosθ_ref减小至0。

进一步地，若不需要功率因数控制时，将无功功率参考值qcosθ_ref以设定的斜率减小至0。

本发明的有益效果是：

本发明通过对功率因数进行控制得到无功功率参考值：设定功率因数参考值，将功率因数参考值与功率因数实测值作差通过pi调节得到无功功率参考值，将无功功率参考值与无功功率的设定值相加后得到最终的无功功率参考值；对无功功率参考值进行定无功功率调节得到电流参考值。通过本发明调节了换流器交流接入点的功率因数，增加了换流器的控制功能，使控制功能更为灵活，适用于很多应用场合。

附图说明

图1为柔性直流换流器的结构图；

图2为mmc换流器子模块电路图；

图3为柔性直流换流器的双环控制器原理框图；

图4为柔性直流换流器的功率因数控制器原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明的一种应用于换流器的功率因数控制方法的实施例：

本发明提供的应用于换流器的功率因数控制方法，其目的在于用于控制换流器交流接入点的功率因数。

本实施例的柔性直流换流器采用mmc拓扑结构，如图1所示，换流器包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂上包括对应的桥臂电感和n个串联的mmc子模块，上桥臂和下桥臂通过对应的桥臂电感串联，上桥臂和下桥臂包括的mmc子模块数量相同，其中，每个mmc子模块采用半桥结构，如图2所示，每个半桥子模块包括2个igbt、2个反并联二极管、1个储能电容和一个电阻，作为其他实施方式，换流器子模块也可以采用全桥结构。

本实施例提供的柔性直流换流器的无功功率控制方法如图3和图4所示，包括对柔性直流换流器的总体双环控制和附加在无功功率控制基础上的功率因数控制。其中，外环为功率环，包括定直流电压控制、定有功功率控制、定无功功率控制和定交流电压控制，内环为电流环，通过pi调节项、前馈项和解耦项相加得到调制电压参考值，具体的为：

有功功率控制根据需求选择定直流电压控制或定有功功率控制的功率外环控制，无功功率控制选择定无功功率控制，有功功率的电流内环控制得到d轴内环电流参考值id_ref，无功功率控制的电流内环控制得到q轴内环电流参考值iq_ref，将d轴内环电流参考值id_ref和q轴内环电流参考值经过内环电流控制器分别得到d轴调制电压轴参考值ud_ref和q轴参考值uq_ref，将d轴和q轴进行变换得到三相调制电压参考值ua_ref、ub_ref、uc_ref。其中，外环控制器参考值均是以一定斜率增大，从而使系统中相应的受控量平稳改变。

由于功率因数对定无功功率控制模式的控制过程有一定的影响，所以在定无功功率控制模式下，对功率因数进行了附加控制，如图4所示，图中的x可以取+1或-1，具体的控制过程为：设定功率因数参考值cosθref后，使能功率因数控制，将功率因数参考值cosθref和功率因数实测值cosθmeas作差，再进行pi控制，并结合系统所需无功是感性或容性无功乘以“±1”得到功率因数控制器输出的无功功率参考值qcosθ_ref，决定x取+1或-1的具体过程为：qac_meas是无功功率实测值，若检测qac_meas≥0，则输出-1与pi的输出相乘得到qcosθ_ref；若检测qac_meas<0，则输出+1与pi的输出相乘得到qcosθ_ref，即若检测无功是容性取-1，若检测无功是感性取+1，将-1或+1与pi的输出相乘得到qcosθ_ref，然后加上无功功率控制器本身的设定值qac_set得到最终的无功功率参考值qac_ref_final，通过对qac_ref_final进行定无功功率控制得到电流指令值，其中，qac_ref_final的输出范围根据系统容量和当前有功功率实测值自适应改变。在功率因数控制使能的状态下，若不需要再控制功率因数，则可以进行禁止功率因数控制的操作。功率因数控制禁止后，无功功率参考值qcosθ_ref以一定的斜率减小至0，从而避免系统无功功率的突变。

本发明还提供了一种应用于换流器的功率因数控制装置，包括功率因数控制器和无功功率控制器，其中，功率因数控制器用于对功率因数进行调节得到无功功率参考值：设定功率因数参考值，将功率因数参考值与功率因数实测值作差通过pi调节得到无功功率参考值，将无功功率参考值与无功功率的设定值相加后得到最终的无功功率参考值，无功功率控制器用于对无功功率参考值调节得到电流参考值。利用该控制装置调节了换流器交流接入点的功率因数，增加了换流器的控制功能，使控制功能更为灵活，适用于很多应用场合。

上述功率因数控制装置，实际上是一种软件构架，其中的各模块及单元是与上述控制方法相对应的进程或程序。因此，不再对该控制装置进行详细说明。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。