一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法及系统与流程

本发明涉及柔性直流领域，特别是关于一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法及系统。

背景技术：

基于电压源换流器的柔性直流系统由于可向无源负荷供电、有功功率和无功功率独立可控、开关损耗低等特点成为高电压大容量直流输电的重要发展方向。与传统高压直流输电系统相比，基于电压源换流器的柔性直流系统的工作原理完全不同，传统高压直流输电系统中变压器的有载调压控制策略已不适用。

近年来，柔性直流系统中变压器通常采用定阀侧电压的有载调压控制策略。该控制策略的目的是将变压器阀侧空载电压控制在额定值。但是，该策略中确定档位的稳定范围较小，易造成变压器的有载调压开关随着交流母线电压的波动而频繁动作，使得已有柔性直流工程因为交流母线电压频繁波动而导致有载调压开关烧毁。此外，该控制策略仅通过调制比在稳态范围内调节实现无功功率的调节，因此换流站的无功调节能力较弱。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法及系统，解决了换流站无功调节能力弱，以及常用控制策略带来的有载调压开关随交流母线电压的波动而频繁动作问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，其包括以下步骤：

1)根据输入到换流站的有功功率实测值p、无功功率实测值q、换流站的有功功率参考值pref、无功功率参考值qref，计算得到变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref；

2)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，计算得到桥臂热稳定电流参考值irmsref；

3)将桥臂热稳定电流参考值irmsref与桥臂热稳定电流限制irmsmax进行比较，若桥臂热稳定电流参考值irmsref越过桥臂热稳定电流限值irmsmax，则将变压器分接头降低1档，并返回步骤1)；否则进入步骤4)；

4)根据换流站交流母线电压实测值us、变压器阀侧电流实测值i以及变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref；

5)根据换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref，计算得到换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值uac1ref；

6)根据换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值uac1ref和直流端口电压udc，计算得到换流站的调制比m；

7)判断调制比m是否在稳态范围内，并根据判断结果对变压器分接头进行调档。

进一步的，所述步骤1)中，所述变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref的计算公式为：

式中：kpd和kid分别为外环有功功率控制的比例系数和积分系数；kpq和kiq分别为外环无功功率控制的比例系数和积分系数。

进一步的，所述步骤2)中，所述桥臂热稳定电流参考值irmsref的计算公式为：

进一步的，所述步骤4)中，根据换流站交流母线电压实测值us、变压器阀侧电流实测值i以及变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref的方法，包括以下步骤：

4.1)对换流站交流母线电压实测值us进行dq变换，得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量usd和q轴分量usq；

4.2)对变压器阀侧电流实测值i进行dq变换，得到变压器阀侧电流实测值的d轴分量id和q轴分量iq；

4.3)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，换流站交流母线电压实测值的d轴分量usd和q轴分量usq，变压器阀侧电流实测值的d轴分量id和q轴分量iq，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref。

进一步的，所述步骤4.3)中，所述换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref的计算公式为：

式中，kp1和ki1分别内环电流控制中d轴控制的比例系数和积分系数；kp2和ki2分别内环电流控制中q轴控制的比例系数和积分系数，l为等值到变压器阀侧的换流器电抗，ω为当前角速度。

进一步的，所述步骤5)中，所述换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值uac1ref的计算公式为：

进一步的，所述步骤6)中，所述换流站的调制比m的计算公式为：

进一步的，所述步骤7)中，根据判断结果对变压器分接头进行调档的方法为：

若计算得到的换流站的调制比m在稳态调制比的范围[mmin,mmax]内，则变压器分接头调档结束，其中，mmin为最小调制比，mmax为最大调制比；

若m>mmax，则变压器的分接头升高1档，并返回步骤1)；

若m<mmin，则变压器的分接头降低1档，并返回步骤1)。

一种柔性直流系统中变压器有载调压控制系统，其包括：

采集单元，用于采集输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q，换流站交流母线电压实测值us、变压器阀侧电流实测值i以及直流端口电压实测值udc；

外环控制单元，用于根据所述采集单元所采集的输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q，以及调度下发的换流站有功功率参考值pref和无功功率参考值qref，输出变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref；

桥臂热稳定电流计算和判断单元，用于根据所述外环控制单元输出的变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，计算桥臂热稳定电流参考值irmsref，并判断irmsref是否越过桥臂热稳定电流限值irmsmax，如果越过则执行变压器降低1档指令，直到桥臂热稳定电流参考值irmsref小于桥臂热稳定电流限值irmsmax；

dq变换单元，用于对所述采集单元所采集的换流站交流母线电压实测值us和变压器阀侧电流实测值i进行dq变换,得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量usd和q轴分量usq，以及变压器阀侧电流实测值的d轴分量id和q轴分量iq；

内环电流控制单元，用于根据所述桥臂热稳定电流计算和判断单元输出的变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，以及所述dq变换单元输出的换流站交流母线电压实测值的d轴分量usd和q轴分量usq、变压器阀侧电流实测值的d轴分量id和q轴分量iq，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref；

调制比计算和判断单元，用于根据所述内环电流控制单元输出的交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref，计算换流器输出交流电压的参考值uac1ref，进而根据所述采集单元所采集的直流端口电压udc，计算调制比m；并判断调制比m是否在稳态范围[mmin,mmax]内，并根据判断结果对变压器进行调档。

进一步的，所述调制比计算和判断单元根据判断结果对变压器进行调档时：

当调制比m在稳态调制比的范围[mmin,mmax]内，则变压器分接头调档结束，其中，mmin为最小调制比，mmax为最大调制比；

若m>mmax，则变压器的分接头升高档位，直到低于最大调制比mmax；

若m<mmin，则变压器的分接头降低档位，直到高于最小调制比mmin。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、采用本发明的变压器有载分接开关仅在调制比达到限值仍不能实现功率的跟随时才动作，与定阀侧电压策略中变压器有载分接开关随换流站交流母线电压的波动而变化，调制比随无功功率指令的变化而变化相比，本发明的策略动作频次较低；2采用本发明的换流站除了可通过调制比调节无功功率外，还可通过变压器的分接开关调节无功功率，与定阀侧电压策略相比，采用本发明的换流站具有更大的无功提供和消耗能力。基于以上优点，本发明可以广泛应用于基于电压源换流器的柔性直流系统中。

附图说明

图1是本发明采用的柔性直流系统中变压器有载调压控制方法流程图；

图2是典型柔性直流系统的接线示意图；

图3是本发明采用的柔性直流系统中变压器有载调压控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，当换流站的有功功率和无功功率参考值发生变化时，在保证桥臂热稳定电流不越限的前提下，先调节调制比，且若调制比没有越限则调节过程结束，若调制比越限则调节分接开关后再调节调制比。具体的，包括以下步骤：

1)根据输入到换流站的有功功率实测值p、无功功率实测值q、换流站的有功功率参考值pref、无功功率参考值qref，计算得到变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref。计算公式如下：

式中：kpd和kid分别为外环有功功率控制的比例系数和积分系数；kpq和kiq分别为外环无功功率控制的比例系数和积分系数。

2)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，计算得到桥臂热稳定电流参考值irmsref，计算公式为：

3)将桥臂热稳定电流参考值irmsref与桥臂热稳定电流限制irmsmax进行比较，若桥臂热稳定电流参考值irmsref越过桥臂热稳定电流限值irmsmax，则将变压器分接头降低1档，并返回步骤1)；否则进入步骤4)；

4)根据换流站交流母线电压实测值us、变压器阀侧电流实测值i以及变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref。

具体的，包括以下步骤：

4.1)对换流站交流母线电压实测值us进行dq变换，得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量usd和q轴分量usq；

4.2)对变压器阀侧电流实测值i进行dq变换，得到变压器阀侧电流实测值的d轴分量id和q轴分量iq；

4.3)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，换流站交流母线电压实测值的d轴分量usd和q轴分量usq，变压器阀侧电流实测值的d轴分量id和q轴分量iq，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref，计算公式为：

式中，kp1和ki1分别内环电流控制中d轴控制的比例系数和积分系数；kp2和ki2分别内环电流控制中q轴控制的比例系数和积分系数，l为等值到变压器阀侧的换流器电抗，ω为当前角速度。

5)根据换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref，计算得到换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值uac1ref，计算公式为：

6)根据换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值uac1ref和直流端口电压udc，计算得到换流站的调制比m。计算公式如下：

7)判断调制比m是否在稳态范围内，并根据判断结果对变压器分接头进行调档，具体的调节方法为：

若计算得到的换流站的调制比m在调制比的稳态范围[mmin,mmax]内，则变压器分接头调档结束，其中，mmin为最小调制比，mmax为最大调制比；

若m>mmax，则变压器的分接头升高1档，并返回步骤1)；

若m<mmin，则变压器的分接头降低1档，并返回步骤1)。

实施例：

以图2所示的柔性直流换流站为例，对本发明方法做进一步详细说明。本实施例中，额定直流端口电压±420kv，额定传输功率1250mw，变压器变比为525kv/437.23kv，桥臂热稳定电流限值irmsmax＝1.05ka，稳态调制比最小值mmin＝0.75，稳态调制比最大值mmax＝0.95。正常运行时，换流站交流母线电压uac＝525kv，换流站的有功功率参考值pref＝1250mw，无功功率参考值qref＝-515mvar，变压器处于0档。之后，换流站交流母线电压降低到uac＝500kv，换流站的有功功率指令和无功功率指令不变。

本发明的变压器有载调压控制策略如下：

1)根据输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q、换流站的有功功率参考值pref和无功功率参考值qref，按照式(1)计算得到变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref；

2)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，按照式(2)计算得到桥臂热稳定电流参考值irmsref＝1.057ka；

3)桥臂热稳定电流irmsref＝1.057ka，大于桥臂热稳定电流限值1.05ka，则变压器分接头降低1档，转入步骤1)；重复步骤1)～步骤3)，直到得到桥臂热稳定电流参考值irmsref＝1.046ka，低于桥臂热稳定电流限值，进入步骤4)。

4)根据换流站交流母线电压实测值us和变压器阀侧电流实测值i，进行dq变换得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量usd和q轴分量usq，以及变压器阀侧电流实测值的d轴分量id和q轴分量iq。然后，根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，换流站交流母线电压实测值的d轴分量usd和q轴分量usq，变压器阀侧电流实测值的d轴分量id和q轴分量iq，根据式(3)计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref。

5)根据换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref和q轴分量uqref，计算得到换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值uac1ref＝487.90kv；

6)根据换流器输出交流电压的参考值uac1ref＝487.90kv和直流端口电压udc＝840kv，计算得到调制比m＝0.9485；

7)判断发现调制比m在稳态范围0.75～0.95内，变压器分接头调档结束。

如图3所示，本发明还提供一种柔性直流系统中变压器有载调压控制系统，其包括采集单元、外环功率控制单元、桥臂热稳定电流计算和判断单元、dq变换单元、内环电流控制单元、调制比计算和判断单元。其中：

采集单元用于采集输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q，换流站交流母线电压实测值us、变压器阀侧电流实测值i以及直流端口电压实测值udc。

外环控制单元用于根据采集单元所采集的输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q，以及调度下发的换流站有功功率参考值pref和无功功率参考值qref，输出变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref；

桥臂热稳定电流计算和判断单元用于根据外环控制单元输出的变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，计算桥臂热稳定电流参考值irmsref，并判断irmsref是否越过桥臂热稳定电流限值irmsmax，如果越过则执行变压器降低1档指令，直到桥臂热稳定电流参考值irmsref小于桥臂热稳定电流限值irmsmax；

dq变换单元用于对采集单元所采集的换流站交流母线电压实测值us和变压器阀侧电流实测值i进行dq变换,得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量usd和q轴分量usq，以及变压器阀侧电流实测值的d轴分量id和q轴分量iq；

内环电流控制单元用于根据桥臂热稳定电流计算和判断单元输出的变压器阀侧电流参考值的d轴分量idref和q轴分量iqref，dq变换单元输出的换流站交流母线电压实测值的d轴分量usd和q轴分量usq以及变压器阀侧电流实测值的d轴分量id和q轴分量iq，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref；

调制比计算和判断单元用于根据内环电流控制单元输出的交流电压参考值的d轴分量udref及q轴分量uqref，计算换流器输出交流电压的参考值uac1ref，进一步根据采集单元所采集的直流端口电压udc，计算调制比m；并判断调制比m是否在稳态范围[mmin,mmax]内，并根据判断结果对变压器进行调档：若计算得到的换流站的调制比m在稳态调制比的范围[mmin,mmax]内，则变压器分接头调档结束；若m>mmax，则变压器的分接头升高档位，直到低于最大限值mmax；若m<mmin，则变压器的分接头降低档位，直到高于最小限值mmin。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。