一种基于调相机的多目标无功电压协调控制方法及系统与流程

本发明涉及电力系统技术领域，并且更具体地，涉及一种基于调相机的多目标无功电压协调控制方法及系统。

背景技术

在电力系统中，同步发电机是最常见的旋转设备，它在发出有功功率的同时，还可以发出无功功率，而且是性能最优越的无功电源。调相机是一种特殊运行状态下的同步发电机，它保留了同步发电机良好的无功补偿性能，而不发出有功功率。

调相机性能优势主要体现为可以在瞬态、暂态、过渡过程和稳态全时间尺度提供无功补偿和电压支撑。瞬态方面，在电网发生故障导致电压跌落的瞬间，调相机利用其强劲的无功输出能力，快速释放大量无功功率，减少电网电压跌落的幅度和速度，该特性通常在几到几十个毫秒范围内发挥作用。暂态方面，在故障恢复期间，电网电压还较低，调相机励磁系统可以进行强励，从而在数秒到数十秒的时间内提供超过调相机额定容量1.5倍甚至更多的无功支撑，进而帮助电网电压恢复。过渡过程方面，在电网无功储备不足，电压稳定问题突出的地区，存在大扰动后电压恢复困难等问题，可以充分利用调相机容量大、响应速度快等特点，通过调相机快速输出无功，加快扰动后过渡过程中电网电压恢复速度，提高电网的电压稳定水平。稳态方面，调相机可以在设计范围内进行无功的连续调节，既可以发出容性无功，也可以发出感性无功。此外，调相机在进行无功补偿的同时，还能提供短路容量和转动惯量，从而提高电网稳定性能。

目前，调相机运行控制依赖区域电网的自动电压控制(avc)系统，但avc系统主要面向静态无功控制，电网发生故障时转为闭锁，无法满足动态评估与控制的需求，控制方法仅基于当前一个静态断面，忽略了无功调节手段的动态调整过程，尤其是特高压直流闭锁故障造成局部电网电压大幅跌落时，无法综合发挥调相机在故障后暂态过程、过渡过程、稳态过程的无功电压支撑作用。

如果不将调相机纳入协调控制，不能充分发挥调相机的无功补偿功能，从而降低整体控制效果。若将其纳入常规avc控制中，由于其控制周期长，如果协调不力，宝贵的动态无功在稳态调节时可能被过度使用，导致在扰动发生时无法提供支撑。因此，急需解决调相机在故障后暂态过程、过渡过程和稳态过程中的多目标无功电压协调控制问题。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于调相机的多目标无功电压协调控制方法及系统，以解决调相机在故障后暂态过程、过渡过程和稳态过程中的多目标无功电压协调控制问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于调相机的多目标无功电压协调控制方法，其特征在于，所述方法包括：

利用电力系统仿真软件根据调相机接入交流电网的结构，搭建调相机接入交流电网的潮流数据和稳定数据模型；

采用交直流系统故障校核调相机近区主网电压的稳定性，判断调相机近区主网电压是否失稳；

当确定调相机近区主网电压失稳时，通过调相机本体的次暂态、暂态自主响应控制机端电压，恢复调相机接入高压母线电压；

判断调相机近区是否出现低电压悬浮，并获取判断结果；

当所述判断结果指示调相机近区出现低电压悬浮时，计算调相机近区主网的短路电流，确定电网的电压控制无功需求容量；

通过电压协调控制系统，根据所述电压控制无功需求容量，采用分轮次增加调相机无功出力和投切近区低压容抗器的无功控制措施快速恢复系统电压；

当系统电压回复正常后，利用自动电压控制avc系统对调相机近区的电网无功分布进行调整，恢复调相机的动态无功调节能力。

优选地，其中利用如下公式判断调相机近区是否出现低电压悬浮，

若ui小于ugate，并且ti大于tdelay，则调相机近区出现低电压悬浮，反之，调相机近区未出现低电压悬浮，

其中，ui为调相机近区主网各变电站高压母线电压，ugate为运行控制电压的门槛值，ti为各变电站高压母线电压低于电压的门槛值的时间；tdelay为低电压延时的门槛值，ugate和tdelay根据电网运行控制实际需要进行选择。

优选地，其中利用电力系统仿真软件计算调相机及其近区高压母线的短路容量st_f和sc_fi，并根据如下公式计算调相机近区主网的短路电流：

其中，it为调相机接入高压母线的短路电流；ii为调相机近区高压母线的短路电流；ugate为运行控制电压的门槛值。

优选地，其中在采用分轮次增加调相机无功出力和投切近区低压容抗器的无功控制措施快速恢复系统电压时，利用如下公式设定调相机强励无功的出力目标值和每轮投入的低压容抗器容量，

qt_ref＝(ugate-ut)×it

其中，qt_ref为调相机强励控制目标的无功参考值，ut为调相机接入高压母线故障后的悬浮低电压；it为调相机接入高压母线的短路电流；qc_ref为调相机近区为每轮次投切的低压容抗器的总量，ugate为切除电抗器总量与投入电容器总量之和；ui为调相机近区变电站高压母线故障后的悬浮低电压；ii为调相机调相机近区主网各变电站高压母线的短路电流。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于调相机的多目标无功电压协调控制系统，其特征在于，所述系统包括：

模型建立单元，用于利用电力系统仿真软件根据调相机接入交流电网的结构，搭建调相机接入交流电网的潮流数据和稳定数据模型；

稳定性校核单元，用于采用交直流系统故障校核调相机近区主网电压的稳定性，判断调相机近区主网电压是否失稳；

调相机接入单元，用于当确定调相机近区主网电压失稳时，通过调相机本体的次暂态、暂态自主响应控制机端电压，恢复调相机接入高压母线电压；

低电压悬浮判断单元，用于判断调相机近区是否出现低电压悬浮，并获取判断结果；

无功需求容量确定单元，用于当所述判断结果指示调相机近区出现低电压悬浮时，计算调相机近区主网的短路电流，确定电网的电压控制无功需求容量；

系统电压恢复单元，用于通过电压协调控制系统，根据所述电压控制无功需求容量，采用分轮次增加调相机无功出力和投切近区低压容抗器的无功控制措施快速恢复系统电压；

无功电压优化单元，用于当系统电压回复正常后，利用自动电压控制avc系统对调相机近区的电网无功分布进行调整，恢复调相机的动态无功调节能力。

优选地，其中在低电压悬浮判断单元，利用如下公式判断调相机近区是否出现低电压悬浮，

若ui小于ugate，并且ti大于tdelay，则调相机近区出现低电压悬浮，反之，调相机近区未出现低电压悬浮，

其中，ui为调相机近区主网各变电站高压母线电压，ugate为运行控制电压的门槛值，ti为各变电站高压母线电压低于电压的门槛值的时间；tdelay为低电压延时的门槛值，ugate和tdelay根据电网运行控制实际需要进行选择。

优选地，其中在所述无功需求容量确定单元，利用电力系统仿真软件计算调相机及其近区高压母线的短路容量st_f和sc_fi，并根据如下公式计算调相机近区主网的短路电流：

其中，it为调相机接入高压母线的短路电流；ii为调相机近区高压母线的短路电流；ugate为运行控制电压的门槛值。

优选地，其中在系统电压恢复单元，利用如下公式设定调相机强励无功的出力目标值和每轮投入的低压容抗器容量，

qt_ref＝(ugate-ut)×it

其中，qt_ref为调相机强励控制目标的无功参考值，ut为调相机接入高压母线故障后的悬浮低电压；it为调相机接入高压母线的短路电流；qc_ref为调相机近区为每轮次投切的低压容抗器的总量，ugate为切除电抗器总量与投入电容器总量之和；ui为调相机近区变电站高压母线故障后的悬浮低电压；ii为调相机调相机近区主网各变电站高压母线的短路电流。

本发明提供了一种基于调相机的多目标无功电压协调控制方法及系统，能够针对特高压直流闭锁故障导致的局部电网电压稳定问题，基于调相机实现对暂态过程、过渡过程、稳态过程电压控制目标的协调控制，为充分发挥调相机对近区电网的电压支撑作用提供了可行的控制策略，为调相机接入的电网规划、运行控制等方面提供参考。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的基于调相机的多目标无功电压协调控制方法100的流程图；

图2为根据本发明实施方式的多目标无功电压协调控制系统的示意图；

图3为根据本发明实施方式的电压协调控制系统与调相机接口的示意图；

图4为根据本发明实施方式的2018年丰大方式鄂湘断面南送情况下湖南电网主网架及潮流示意图；

图5为根据本发明实施方式的祁韶直流闭锁故障引发大规模潮流转移的路径图；

图6为根据本发明实施方式的韶山换流站调相机近区网架和变电站站点图；

图7为根据本发明实施方式的祁韶直流双极闭锁换流站近区500kv变电站母线电压曲线图1；

图8为根据本发明实施方式的祁韶直流双极闭锁换流站近区500kv变电站母线电压曲线图2；

图9为根据本发明实施方式的祁韶直流双极闭锁换流站近区500kv变电站母线电压曲线图1；

图10为根据本发明实施方式的祁韶直流双极闭锁换流站近区500kv变电站母线电压曲线2；

图11为根据本发明实施方式的为祁邵双极闭锁，计及调相机、投电容器后换流站近区500kv母线电压曲线图1；

图12为根据本发明实施方式的祁邵双极闭锁，计及调相机、投电容器后换流站近区500kv母线电压曲线图2；以及

图13为根据本发明实施方式的基于调相机的多目标无功电压协调控制系统1300的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的基于调相机的多目标无功电压协调控制方法100的流程图。如图1所示，本发明的实施方式提供的基于调相机的多目标无功电压协调控制方法，能够针对特高压直流闭锁故障导致的局部电网电压稳定问题，基于调相机实现对暂态过程、过渡过程、稳态过程电压控制目标的协调控制，为充分发挥调相机对近区电网的电压支撑作用提供了可行的控制策略，为调相机接入的电网规划、运行控制等方面提供参考。本发明的实施方式提供的基于调相机的多目标无功电压协调控制方法100从步骤101处开始，在步骤101利用电力系统仿真软件根据调相机接入交流电网的结构，搭建调相机接入交流电网的潮流数据和稳定数据模型。

优选地，在步骤102采用交直流系统故障校核调相机近区主网电压的稳定性，判断调相机近区主网电压是否失稳。

在本发明的实施方式中，采用交直流系统故障，包括交流系统n-1、n-2故障和直流闭锁故障，校核调相机近区主网电压稳定性。

优选地，在步骤103当确定调相机近区主网电压失稳时，通过调相机本体的次暂态、暂态自主响应控制机端电压，恢复调相机接入高压母线电压。

若调相机近区主网电压失稳，则在几十毫秒至1秒时间尺度内，通过调相机次暂态、暂态自主响应进行机端电压控制，实现暂态过程无功快速支撑，恢复调相机接入高压母线电压，控制目标值为故障前高压母线电压。

优选地，在步骤104判断调相机近区是否出现低电压悬浮，并获取判断结果。

优选地，其中利用如下公式判断调相机近区是否出现低电压悬浮，

若ui小于ugate，并且ti大于tdelay，则调相机近区出现低电压悬浮，反之，调相机近区未出现低电压悬浮，

其中，ui为调相机近区主网各变电站高压母线电压，ugate为运行控制电压的门槛值，ti为各变电站高压母线电压低于电压的门槛值的时间；tdelay为低电压延时的门槛值，ugate和tdelay根据电网运行控制实际需要进行选择。

优选地，在步骤105当所述判断结果指示调相机近区出现低电压悬浮时，计算调相机近区主网的短路电流，确定电网的电压控制无功需求容量。

优选地，其中利用电力系统仿真软件计算调相机及其近区高压母线的短路容量st_f和sc_fi，并根据如下公式计算调相机近区主网的短路电流：

其中，it为调相机接入高压母线的短路电流；ii为调相机近区高压母线的短路电流；ugate为运行控制电压的门槛值。

在本发明的实施方式中，对调相机近区主网进行短路容量计算，以得到调相机接入高压母线，以及近区主网各变电站高压母线短路容量，用以计算步骤106中调相机强励和低压容抗器投切策略。

优选地，在步骤106通过电压协调控制系统，根据所述电压控制无功需求容量，采用分轮次增加调相机无功出力和投切近区低压容抗器的无功控制措施快速恢复系统电压。

优选地，其中在采用分轮次增加调相机无功出力和投切近区低压容抗器的无功控制措施快速恢复系统电压时，利用如下公式设定调相机强励无功的出力目标值和每轮投入的低压容抗器容量，

qt_ref＝(ugate-ut)×it

其中，qt_ref为调相机强励控制目标的无功参考值，ut为调相机接入高压母线故障后的悬浮低电压；it为调相机接入高压母线的短路电流；qc_ref为调相机近区为每轮次投切的低压容抗器的总量，ugate为切除电抗器总量与投入电容器总量之和；ui为调相机近区变电站高压母线故障后的悬浮低电压；ii为调相机调相机近区主网各变电站高压母线的短路电流。

在本发明的实施方式中，在几十毫秒至1秒时间尺度内，通过调相机机端电压控制，恢复调相机接入高压母线电压，然后在10秒以上的时间尺度上，判断调相机近区是否出现低电压悬浮，若出现低电压悬浮，则在10秒至2分钟的时间尺度上，调相机采用强励控制，并分轮次投切近区低压容抗器。通过协调控制调相机无功和低压电容器、电抗器，解决系统电压长期低压悬浮问题，快速恢复系统电压。

优选地，在步骤107当系统电压回复正常后，利用自动电压控制avc系统对调相机近区的电网无功分布进行调整，恢复调相机的动态无功调节能力。

在本发明的实施方式中，在5分钟以上的时间尺度内，利用自动电压控制avc系统进行电网无功电压优化控制，采取无功置换方式，利用近区500kv厂站低容低抗、发电机控制进行无功电压优化，逐步恢复调相机的动态无功备用，进行无功电压优化，恢复调相机的动态无功备用。。

以下具体举例说明本发明的实施方式

以韶山换流站调相机工程为例，对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

以韶山换流站调相机为核心的多目标无功电压协调控制系统，由调相机励磁系统、电压协调控制系统、avc系统三部分构成，如图2所示。其中调相机励磁系统集成于调相机控制系统，电压协调控制系统由相关变电站稳控装置构成，avc系统由调度端avc主站、调相机及近区厂站avc子站构成。

调相机励磁系统采用“快速电压环+慢速无功环”相结合的控制策略，快速电压环采集机端电压作为电压环控制目标，实现在故障情况下快速输出调相机动态无功的目的，相当于传统机组的励磁系统，但较传统机组励磁系统响应速度快。慢速无功环采集调相机组无功出力作为无功环控制目标，按照avc子站或就地控制下达的无功指令，实现稳态时调相机无功输出在指定范围内。

电压协调控制系统由电压协调控制主站、8个电压控制子站稳控装置构成，电压子站可实现对湘中地区8个变电站低容/低抗、韶山换流站调相机的控制。电压协调控制主站可接收祁韶直流稳控主站发送的直流闭锁信号并监测本站电压跌落情况，在检测到直流闭锁故障且电压长时间偏低时，分轮次采取提升调相机无功、投切低容/低抗的控制措施，直至系统电压恢复正常。

avc系统由调度端avc主站、调相机及近区厂站avc子站组成，avc主站进行在线电压安全域评估、动态无功备用评估等，在系统电压稳定后，通过控制近区电厂机组无功、500kv变电站低容低抗，实现湘中地区无功电压优化和无功置换，逐步恢复调相机的动态无功备用。电压协调控制系统与调相机接口连接如图3所示。

具体实施步骤包括：

1.搭建韶山换流站调相机接入湖南电网的数据模型。

韶山换流站调相机接入祁韶直流湖南落点韶山换流站，容量2×300var。在psd-bpa程序中，建立含韶山换流站调相机网架数据，包括潮流数据和稳定数据，系统基准容量取100mva，设备参数均取以系统基准容量为参考的标幺值。具体2018年丰大方式鄂湘断面南送情况下湖南电网主网架结构如图4所示。

2.采用交直流系统故障校核调相机近区主网电压的稳定性。

祁韶直流双极闭锁故障发生后，主网潮流发生大规模转移，造成潮流转移途径的500kv各站母线电压降低，潮流转移的路径如图5所示。从提高潮流转移沿线电压支撑能力的角度分析，韶山换流站调相机近区500kv变电站如图6中标注所示，包括艾家冲、鹤岭等8个站点。祁韶直流双极闭锁故障后，韶山换近区500kv变电站母线电压曲线如图7和图8所示。仿真计算结果表明，受潮流大规模转移的影响，换流站近区除500kv民丰站外，其余各站500kv母线的稳态恢复电压低于500kv，鼎功、星城、云田的稳态电压低至490kv。

3.通过调相机本体的次暂态、暂态自主响应控制机端电压，恢复调相机接入高压母线电压。

当确定调相机近区主网电压失稳时，考虑调相机的动态无功支撑能力，在几十毫秒至1秒时间尺度内，通过韶山换调相机机端电压控制，尽可能地恢复韶山换500kv母线电压。换流站近区各500kv变电站母线电压如图9和图10所示。云田、艾家冲、沙坪、鼎功、星城500kv站母线电压低。

4.判断祁韶直流闭锁故障后韶山换调相机近区主网电压是否满足运行控制要求。

华中电网对韶山换近区500kv变电站母线电压运行控制要求为，故障后稳态恢复电压在500kv以上，即ugate＝500kv。因此，根据上述仿真计算结果，祁韶直流闭锁故障后，韶山换流站调相机近区电压失稳。

5.计算调相机近区主网的短路容量。

对韶山换近区8个500kv变电站及韶山换流站母线进行短路容量计算，其计算结果作为电压协调控制系统控制策略的计算依据。在计算潮流中，韶山换近区正常运行母线电压及容抗器投入情况如表1所示。由表1可知，韶山换流站调相机近区500kv变电站投入的均为低压电容器，无低压电抗器投入。因此，后续低压容抗器投切，仅考虑投入低压电容器。

表1韶山换流站近区500kv站点母线电压及容抗投入情况

6.采用调相机无功控制，并投切近区低压容抗器

结合短路容量计算结果，韶山换流站调相机采取强励措施，无功输出至300mvar，并采取快投电容器的措施，一轮投入的电容器情况如表2所示。换流站近区500kv变电站母线电压如图11和图12所示。

表2韶山换流站近区500kv站点母线电压及容抗投入情况

7.利用avc系统调整调相机近区无功分布，恢复调相机的动态无功调节能力。

在5分钟以上的时间尺度内，利用韶山换流站调相机近区500kv厂站低容低抗、发电机控制进行无功电压优化，恢复调相机的动态无功备用，采取无功置换方式，恢复调相机的动态无功备用。进行无功电压优化，恢复调相机的动态无功备用，采取无功置换方式，恢复调相机的动态无功备用。

图13为根据本发明实施方式的基于调相机的多目标无功电压协调控制系统1300的结构示意图。如图13所示，本发明的实施方式提供的基于调相机的多目标无功电压协调控制系统1300包括：模型建立单元1301、稳定性校核单元1302、调相机接入单元1303、低电压悬浮判断单元1304、无功需求容量确定单元1305、系统电压恢复单元1306和无功电压优化单元1307。

优选地，所述模型建立单元1301，用于利用电力系统仿真软件根据调相机接入交流电网的结构，搭建调相机接入交流电网的潮流数据和稳定数据模型；

优选地，所述稳定性校核单元1302，用于采用交直流系统故障校核调相机近区主网电压的稳定性，判断调相机近区主网电压是否失稳。

优选地，所述调相机接入单元1303，用于当确定调相机近区主网电压失稳时，通过调相机本体的次暂态、暂态自主响应控制机端电压，恢复调相机接入高压母线电压。

优选地，所述低电压悬浮判断单元1304，用于判断调相机近区是否出现低电压悬浮，并获取判断结果。

优选地，其中在低电压悬浮判断单元1304，利用如下公式判断调相机近区是否出现低电压悬浮，

若ui小于ugate，并且ti大于tdelay，则调相机近区出现低电压悬浮，反之，调相机近区未出现低电压悬浮，其中，ui为调相机近区主网各变电站高压母线电压，ugate为运行控制电压的门槛值，ti为各变电站高压母线电压低于电压的门槛值的时间；tdelay为低电压延时的门槛值，ugate和tdelay根据电网运行控制实际需要进行选择。

优选地，所述无功需求容量确定单元1305，用于当所述判断结果指示调相机近区出现低电压悬浮时，计算调相机近区主网的短路电流，确定电网的电压控制无功需求容量。

优选地，其中在所述无功需求容量确定单元1305，利用电力系统仿真软件计算调相机及其近区高压母线的短路容量st_f和sc_fi，并根据如下公式计算调相机近区主网的短路电流：

其中，it为调相机接入高压母线的短路电流；ii为调相机近区高压母线的短路电流；ugate为运行控制电压的门槛值。

优选地，所述系统电压恢复单元1306，用于通过电压协调控制系统，根据所述电压控制无功需求容量，采用分轮次增加调相机无功出力和投切近区低压容抗器的无功控制措施快速恢复系统电压。

优选地，其中在系统电压恢复单元1306，利用如下公式设定调相机强励无功的出力目标值和每轮投入的低压容抗器容量，

qt_ref＝(ugate-ut)×it

其中，qt_ref为调相机强励控制目标的无功参考值，ut为调相机接入高压母线故障后的悬浮低电压；it为调相机接入高压母线的短路电流；qc_ref为调相机近区为每轮次投切的低压容抗器的总量，ugate为切除电抗器总量与投入电容器总量之和；ui为调相机近区变电站高压母线故障后的悬浮低电压；ii为调相机调相机近区主网各变电站高压母线的短路电流。

优选地，所述无功电压优化单元1307，用于当系统电压回复正常后，利用自动电压控制avc系统对调相机近区的电网无功分布进行调整，恢复调相机的动态无功调节能力。

本发明的实施例的基于调相机的多目标无功电压协调控制系统1300与本发明的另一个实施例的基于调相机的多目标无功电压协调控制方法100相对应，在此不再赘述。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。