变下限电压的电压源换流器的无功控制系统及方法与流程

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种变下限电压的电压源换流器的无功控制系统及方法。

背景技术：

电压源换流器型高压直流(voltagesourceconverter-highvoltagedirectcurrent,vsc-hvdc)输电是新一代直流输电技术，具有优良的运行特性。渝鄂柔性直流背靠背联网工程是第一个500kv柔性直流联网的工程，总输送功率5000mw,是当前世界电压等级最高、输送容量最大的柔性直流输电工程。该工程投运后，四川电网内部多条特高压直流同时换相失败对华中华北电网冲击的威胁解除了，但湖北电网西电东送通道潮流增大，将加重三峡近区潮流疏散压力；同时，湖北电网与重庆电网由同步联络变为异步联络，弱化了湖北电网与外部电网的电气联系，相当于华中东四省的总体转动惯量下降。

为保证该工程投运后送受端电网的安全稳定运行，需对电压源换流器(voltagesourceconverter)的无功进行良好的控制，以降低电网扰动过程中换流器交流电压的波动，保障换流器正常运行。但是现有的无功控制方法，控制效果差，无法有效抑制交流电压的波动，且易造成电压源换流器过电流。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种变电压下限的电压源换流器的无功控制系统及方法，能够提高电压源换流器抵御电网交流电压波动的能力，有效抑制交流电压的波动，并避免电压源换流器过电流，提高带电压源换流器的电网的运行稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种变下限电压的电压源换流器的无功控制方法，该方法包括：

对电压源换流器的交流侧进行变下限电压控制而获得第一输出电流值，对电压源换流器的交流侧进行定无功功率控制而获得第二输出电流值，以及对电压源换流器的交流侧进行定上限电压控制而获得第三输出电流值；

选择第二输出电流值和第三输出电流值中较小的电流值作为第一参考电流值，再将所述第一参考电流值和第一输出电流值进行比较，选择第一参考电流值和第一输出电流值中较大的电流值作为电压源换流器的无功电流参考值。

在其中一个实施方式中，所述对电压源换流器的交流侧进行变下限电压控制而获得第一输出电流值，包括：

确定电压控制下限参考值；

计算所述电压控制下限参考值和电压源换流器交流侧的母线实时电压测量值的标幺值的差值；

利用第一比例积分pi控制器对该差值进行转换，获得所述第一输出电流值。

在其中一个实施方式中，所述确定电压控制下限参考值，包括：

将电压源换流器交流侧的母线电压默认下限参考值的标幺值和有功功率测量值的标幺值进行比较，选择所述电压默认下限参考值的标幺值和有功功率测量值的标幺值中的较大值作为电压控制下限参考值。

在其中一个实施方式中，对电压源换流器的交流侧进行定无功功率控制而获得第二输出电流值的方法为：

计算电压源换流器交流侧的母线无功功率参考值的标幺值和实时无功功率测量值的标幺值的差值，并将该差值经第二比例积分pi控制器转换，获得所述第二输出电流值。

在其中一个实施方式中，对电压源换流器的交流侧进行定上限电压控制而获得第三输出电流值的方法为：

计算电压源换流器交流侧的母线电压上限参考值的标幺值和实时电压测量值的标幺值的差值，并将该差值用第三比例积分pi控制器进行转换，获得所述第三输出电流值。

一种变下限电压的电压源换流器的无功控制系统，包括：

第一控制模块，用于对电压源换流器的交流侧进行变下限电压控制而获得第一输出电流值；

第二控制模块，用于对电压源换流器的交流侧进行定无功功率控制而获得第二输出电流值；

第三控制模块，用于以及对电压源换流器的交流侧进行定上限电压控制而获得第三输出电流值；

第一比较器，用于比较第二输出电流值和第三输出电流值，并输出第二输出电流值和第三输出电流值中较小的电流值作为第一参考电流值；

第二比较器，用于比较第一参考电流值和第一输出电流值，并输出第一参考电流值和第一输出电流值中较大的电流值作为电压源换流器的无功电流参考值。

在其中一个实施方式中，所述第一控制模块包括确定单元、第一计算单元和第一比例积分pi控制器；

确定单元，用于确定电压控制下限参考值；

第一计算单元，用于计算所述电压控制下限参考值和电压源换流器交流侧的母线实时电压测量值的标幺值的差值；

第一比例积分pi控制器，用于对所述第一计算单元计算出的差值进行转换，而获得所述第一输出电流值。

在其中一个实施方式中，所述确定单元包括：

比较子单元，用于将电压源换流器交流侧的母线电压默认下限参考值的标幺值和有功功率测量值的标幺值进行比较；

确定子单元，用于选择所述电压默认下限参考值的标幺值和有功功率测量值的标幺值中的较大值作为电压控制下限参考值。

在其中一个实施方式中，所述第二控制模块包括：

第二计算单元，用于计算电压源换流器交流侧的母线无功功率参考值的标幺值和实时无功功率测量值的标幺值的差值；

第二比例积分pi控制器，用于对所述第二计算单元计算出的差值进行转换，获得所述第二输出电流值。

在其中一个实施方式中，第三控制模块包括：

第三计算单元，用于计算电压源换流器交流侧的母线电压上限参考值的标幺值和实时电压测量值的标幺值的差值；

第三比例积分pi控制器，用于对所述第三计算单元计算出的差值进行转换，获得所述第三输出电流值。

本发明具有以下有益效果：

本发明的变电压下限的电压源换流器的无功控制系统及方法，通过变电压下限控制、定无功功率控制和定上限电压控制方式的配合，能够最大限度发挥电压源换流器的无功调节能力，抑制交流电压波动，保障电压源换流器和电网的安全，具体表现在如下方面：

(1)正常运行中，换流器可带少量无功，定无功功率运行，留出换流器的无功调节裕量抵御风险；

(2)交流电网故障扰动后，自动过渡到定电压控制方式，利用换流器的无功容量，将电压波动限制在指定的限值上；并且在不同控制功能间的切换是连续的，不会产生无功跳变；

(3)在整个运行时段，将运行电压下限与有功对应，尽可能避免过电流。

附图说明

图1是本发明的无功控制方法的原理示意图；

图2是利用暂态电压方式控制龙泉站渝侧交流电压的仿真曲线图；

图3是利用暂态电压控制方式控制龙泉站渝侧无功仿真曲线图；

图4是利用电压死区控制方式控制龙泉站渝侧无功仿真曲线图；

图5是利用本发明的无功控制方法控制龙泉站渝侧交流电压仿真曲线图；

图6是利用本发明的无功控制方法控制龙泉站渝侧无功仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本实施例公开了一种变下限电压的电压源换流器的无功控制方法，该方法包括：

对电压源换流器(vsc换流器)的交流侧进行变下限电压控制而获得第一输出电流值，对电压源换流器的交流侧进行定无功功率控制而获得第二输出电流值，以及对电压源换流器的交流侧进行定上限电压控制而获得第三输出电流值；

选择第二输出电流值和第三输出电流值中较小的电流值作为第一参考电流值，再将第一参考电流值和第一输出电流值进行比较，选择第一参考电流值和第一输出电流值中较大的电流值作为电压源换流器的无功电流参考值iqref。

通过上述无功控制过程可以有效控制电压源换流器的交轴电流，从而有效防止交流电压的波动。

其中，在图1中，uacrefl0为电压默认下限参考值的标幺值，p为有功功率测量值的标幺值，uac为实时电压测量值的标幺值(也即实时测量的交流母线电压的标幺值)，kp1、kp3为pi控制的比例系数，ki1、ki3为pi控制的积分放大倍数，iq1max、iq2max、iq3max为pi控制的输出的上限幅电流，iq1min、iq2min、iq3min为pi控制的输出的下限幅电流，qref为无功功率参考值的标幺值，q为实时无功功率测量值的标幺值(也即实时测量的无功功率的标幺值)，uacrefh为电压上限参考值的标幺值，iqref为无功电流参考值(也即vsc换流器的内环电流控制的交轴电流参考值)。

在其中一个实施方式中，变下限电压控制的方法为：

将电压源换流器交流侧的母线电压默认下限参考值的标幺值uacrefl0和有功功率测量值的标幺值p进行比较，选择电压默认下限参考值的标幺值uacrefl0和有功功率测量值的标幺值p中的较大值作为电压控制下限参考值，也即若uacrefl0大于p，则选择uacrefl0作为电压控制下限参考值，若uacrefl0小于p，则选择p作为电压控制下限参考值；

确定电压控制下限参考值之后，还计算电压控制下限参考值和电压源换流器交流侧的母线实时电压测量值的标幺值uac的差值，再利用第一pi控制器(proportionalintegralcontroller，比例积分控制器)对该差值进行转换，例如利用第一pi控制器对差值进行比例、积分环节和限幅环节处理，从而获得第一输出电流值。

变下限电压控制方法可以在电压源换流器交流侧的母线电压较低时，控制电压源换流器交流侧的母线电压的下限，通过比较uacref0和p的大小并选择两者中的较大者来确定电压控制下限参考值，而不是直接预设一个固定值作为控制电压参考值，使得母线电压的下限可以发生改变，从而可以有效保证电压源换流器中的换流阀的阀端电压，从而有效防止换流阀的电流越限，从而保证交流电网电压的稳定性。

在其中一个实施方式中，定无功功率控制的方法为：

计算电压源换流器交流侧的母线无功功率参考值的标幺值qref和实时无功功率测量值的标幺值q的差值，并将该差值经第二pi控制器转换，例如利用第二pi控制器对差值进行比例、积分环节和限幅环节处理，所得即为第二输出电流值。

其中，qref的值可取“0”，由pid控制器将实时无功功率q调节为0，保证电压源换流器和交流电网的交换无功为0，从而避免无功远距离传送，留出动态无功调节能力。

其中，无功功率参考值的标幺值qref为预先指定值。

在其中一个实施方式中，定上限电压控制的方法为：

计算电压源换流器交流侧的母线电压上限参考值的标幺值uacrefh和实时电压测量值的标幺值uac的差值，并将该差值用第三pi控制器进行转换，例如利用第三pi控制器对差值进行比例、积分环节和限幅环节处理，即获得第三输出电流值。

其中，电压上限参考值的标幺值uacrefh为预先指定值。

定上限电压控制的方法，可以在电压源换流器交流侧的母线电压较高时，控制电压源换流器交流侧的母线电压的上限，保证母线电压的稳定性，发挥柔性直流输电的无功调节功能，帮助交流电网稳定电压。

本实施例的电压源换流器的无功控制方法的控制原理如下：

当电网电压正常时，最终输出电流iqref等于第二输出电流，整个控制器呈现定无功功率控制状态，即iqref的功能是响应电压源换流器无功功率参考值的标幺值qref和实时无功功率测量值的标幺值q之间的偏差，使电压源换流器输出无功向目标值qref靠拢。通常可以将无功功率参考值的标幺值qref设置得接近0，留出较高的无功容量裕度，以提高电压源换流器抵御交流电压波动的能力。

当交流电压过高，最终输出电流iqref等于第三输出电流，整个控制器呈现定上限电压控制状态，即iqref的功能是响应电压源换流器电压上限参考值的标幺值uacrefh和实时电压测量值的标幺值uac之间的偏差，使换流器交流电压向目标值uacrefh靠拢，避免换流器交流电压过高。实际应用中，通常将uacrefh设置为正常运行中允许较高电压值，例如1.08，既能保护换流器不被过电压损坏，又不会使换流器经常处于定上限电压控制状态，长期输出较多感性无功，减少无功容量裕度，提高抵御高电压风险的能力。

当交流电压过低，最终输出电流iqref等于第一输出电流，整个控制器呈现变下限电压控制状态，即iqref的功能是响应电压源换流器交流电压控制下限参考值和实时电压测量值的标幺值uac之间的偏差，使换流器交流电压向交流电压控制下限靠拢，避免换流器交流电压过低，同时避免换流器过电流。由于目前高压大容量电压源型换流器阀价格昂贵，为节省投资，电流裕度非常低，不允许过电流较长时间。在标幺制下，p＝ui，为避免电流i超过1p.u.，电压的标幺值应该不低于有功功率的标幺值，这就是将有功功率标幺值p作为下限电压参考值的底线的原因。实际应用中，通常将母线电压默认下限参考值的标幺值uacrefl0设置为正常运行中允许较低电压值，例如0.95，既能避免换流器欠电压，又不会使换流器经常处于定下限电压控制状态，长期输出较多容性无功，减少无功容量裕度，提高抵御低电压风险的能力。

实现最终输出电流iqref在第一、第二、第三输出电流之间按照期望进行转换是功能框图右侧2个比较器(即min比较器和max比较器)的任务。

图1中三条支路由上至下依次为变下限电压控制支路、定无功功率控制支路和定上限电压控制支路。当交流电压正常，电压源换流器输出无功接近目标值，第二输出电流接近0。此时，定上限电压控制支路的第三pi控制器的输入为正值(第三pi控制器的输入值为uacrefh和uac的差值)。若该状态已持续一段时间，在第三pi控制器的作用下，定上限电压控制支路的第三pi控制器的输出会高至该第三pi控制器的上限，即第三输出电流等于iq3max，该值大于第二输出电流的0，所以，在经过min比较器后，得到的仍是第二输出电流的0。与此同时，变下限电压控制支路第一pi控制器的输入为负值，在其积分器的持续作用下，第一输出电流等于其第一pi控制器的下限iq1min。而iq1min通常是一个小于0的值，该值比min比较器的输出0值小，经过max比较器，最终的输出电流仍为第二输出电流的0值。

当交流电压过高，定电压上限控制支路的第三pi控制器的输入变成负值，经第三pi控制器累计，第三输出电流逐渐减小，直至变成小于0并逐渐向其第三pi控制器的下限iq3min靠拢。在此过程中的初期，定无功控制支路仍起作用，实际无功接近目标值qref,第二输出电流维持在0附近。当第三输出电流低于第二输出电流，min比较器输出的是第三输出电流的值。与此同时，变下限电压控制支路因为输入更小，输出一直固定在下限iq1min。max比较器比较的实际上是第三输出电流和第一输出电流。通常设计让iq1min＝iq3min，iq1max＝iq3max，即最终输出电流iqref会是第三输出电流，意味着此时定电压上限控制起作用，其控制效果是减小电压源换流器无功，将交流电压拉向交流电压上限参考值的标幺值uacrefh，避免出现过电压。由于第二、三输出电流用min比较器比较，其综合后的电流不高于第三输出电流，即无功控制的效果不低于第三输出电流减无功的能力。

当交流电压过低，出现的情况与交流电压过高类似，最终第一输出电流起作用，其控制效果是增大换流器无功，将交流电压拉向下限，避免欠电压。以渝鄂柔性直流输电系统为例，如图2所示，当采用暂态电压方式控制龙泉站渝侧交流电压时，从故障后2.6秒开始，交流电压在0.845pu到0.92pu间来回振荡；当电压低于0.85pu，投入暂态电压控制，瞬间输出较高无功，抬升电压；当电压高于0.9pu，退出暂态电压控制，减小无功输出，交流电压下降。随着暂态电压控制不断投入、退出，交流电压随之来回振荡，且由图3所示，采用该方式时，龙泉站渝侧无功也出现来回振荡现象。当采用其他控制方法，如图4所示，采用死区控制方式控制龙泉站渝侧交流电压和无功时，由于死区较小，故障后控制目标较高，无功输出较大。而当采用本实施例的变电压下限的电压源换流器的无功控制方法时，如图5-图6所示，由于有功不到0.83pu，故障后变下限交流电压偏差控制的电压下限是给定的下偏差0.9pu，控制器能输出适当的无功，维持故障后交流电压在给定的下限附近，没有发生振荡，有效减轻了换流阀的压力，较好地保证了电网运行的稳定性。

本实施例还公开了一种变下限电压的电压源换流器的无功控制系统，包括：

第一控制模块，用于对电压源换流器的交流侧进行变下限电压控制而获得第一输出电流值；

第二控制模块，用于对电压源换流器的交流侧进行定无功功率控制而获得第二输出电流值；

第三控制模块，用于以及对电压源换流器的交流侧进行定上限电压控制而获得第三输出电流值；

第一比较器，也即上述min比较器，用于比较第二输出电流值和第三输出电流值，并输出第二输出电流值和第三输出电流值中较小的电流值作为第一参考电流值；

第二比较器，也即图1中右侧的max比较器，用于比较第一参考电流值和第一输出电流值，并输出第一参考电流值和第一输出电流值中较大的电流值作为电压源换流器的无功电流参考值。

在其中一个实施方式中，第一控制模块包括确定单元、第一计算单元和第一比例积分pi控制器，也即第一pi控制器；

确定单元，用于确定电压控制下限参考值；

第一计算单元，用于计算电压控制下限参考值和电压源换流器交流侧的母线实时电压测量值的标幺值uac的差值；

第一pi控制器，用于对第一计算单元计算出的差值进行转换，而获得所述第一输出电流值。

进一步地，确定单元包括：

比较子单元，也即图1中左侧的max比较器，用于将电压源换流器交流侧的母线电压默认下限参考值的标幺值uacrefl0和有功功率测量值p的标幺值进行比较；

确定子单元，用于选择电压默认下限参考值的标幺值uacrefl0和有功功率测量值的标幺值p中的较大值作为电压控制下限参考值。

在其中一个实施方式中，第二控制模块包括：

第二计算单元，用于计算电压源换流器交流侧的母线无功功率参考值的标幺值qref和实时无功功率测量值的标幺值q的差值；

第二比例积分pi控制器，也即第二pi控制器，用于对第二计算单元计算出的差值进行转换，获得上述第二输出电流值。

在其中一个实施方式中，第三控制模块包括：

第三计算单元，用于计算电压源换流器交流侧的母线电压上限参考值的标幺值uacrefh和实时电压测量值的标幺值uac的差值；

第三比例积分pi控制器，也即第三pi控制器，用于对第三计算单元计算出的差值进行转换，获得上述第三输出电流值。

本实施例的电压源换流器的无功控制方法及控制系统，能够自动实现从无功功率到定交流电压的转变，具有抵御交流电压波动的能力；并且在不同控制功能间的切换是连续的，不会产生无功跳变；能够实现过电流抑制，提高对换流阀的保护。

本实施例的电压源换流器的无功控制方法及控制系统，还有利于电压源型换流器和临近其它调整电网电压的设备之间协调。例如，换流器附近有定电压控制的无功补偿装置，试图将临近的交流母线电压控制在低于u1且高于u2的范围内。只要设置本控制的参数，uacrefh>u1，uacrefl0<u2，就能保证当电压波动时，先由临近的无功补偿装置启动调压。当这些补偿装置能力用尽，电压继续偏移，达到本控制设置的上下限值，电压源型换流器才从定无功控制状态脱离出来，进行电压调节。这样，电压源型换流器和临近的调压设备能分层次、按次序地进行交流电压控制，实现二者之间的协调配合。

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。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。