一种用于换流站的动态无功补偿装置的控制方法与流程

本发明涉及电力系统运行和控制技术领域，具体涉及一种用户换流站的动态补偿装置的控制方法。

背景技术：

基于电流源换相的高压直流输电系统换流站通常消耗大量无功功率，通常其消耗的无功功率大约为传输有功功率的40％～60％。静态无功补偿装置主要有电容器组成，价格便宜，是高压直流输电系统换流站无功补偿采用的主要装置。为了满足高压直流输电系统换流站无功补偿需要，需要配置多组静态无功补偿装置。减少静态无功补偿装置的组数可以节省断路器等配电装置，节约占地，但是单组容量就大，静态无功补偿设备投切对系统就会形成较大冲击，甚至会导致高压直流输电系统换流站换流变压器分接开关动作，影响高压直流输电系统换流站的可靠性和寿命。通常要求投切静态无功补偿装置的电压波动不超过额定电压的1％。随着我国电源开发向偏远地区发展，高压直流输电系统换流站送端换流站接入的交流系统越来越薄弱，为了满足电压波动的要求，静态无功补偿装置的单组容量越来越小，组数越来越多。如果不采取措施，部分换流站的静态无功补偿装置的将达到30组以上，使得换流站占地面积巨大，一次设备投资也大幅度增加。

动态无功补偿装置，比如静止无功补偿器svc或者静止无功发生器svg，均可以在静态无功补偿装置投切时，快速控制动态无功补偿装置的无功出力，进而抑制静态无功补偿装置投切带来的电压波动。以往动态无功补偿装置主要采集交流母线电压，并根据电压变化情况控制动态无功补偿装置的输出，达到抑制交流母线电压变化的目标。而交流母线正常的电压波动往往达到10％的额定电压，比如500kv交流系统的稳态电压变化范围为500kv～550kv，而静态无功补偿装置投切的电压波动只有1％，也就是5kv。如果用于换流站动态无功补偿装置仍以交流母线电压为控制目标，为了避免交流系统正常电压波动时，动态无功补偿装置的出力在正常范围，静态无功补偿装置投切时，动态无功补偿装置的无功出力也不能太大，动态无功补偿装置的容量不能完全用于抑制静态无功补偿装置投切的电压波动。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于换流站的动态无功补偿装置的控制方法，将动态无功补偿装置的容量用来主要抑制静态无功补偿装置投切导致的电压波动，进而实现用较小的动态无功补偿装置容量实现静态无功补偿装置组数的较大减少。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于换流站的动态无功补偿装置的控制方法，包括如下步骤：

1)动态无功补偿装置从直流控制系统中获取高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小，作为动态无功补偿装置的控制系统的输入信息；

2)采用一阶惯性控制，使得稳态电压运行范围内，动态无功补偿装置输出的无功功率与高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小成反比；

3)通过限幅使得交流系统出现过电压时，利用一个比例积分控制快速降低一阶惯性控制限幅环节的上限，减少动态无功补偿装置的无功输出，动态无功补偿装置尽可能吸收无功功率；交流系统出现低电压时，利用一个比例积分控制快速增加一阶惯性控制限幅环节的下限，增加动态无功补偿装置的无功输出，动态无功补偿装置尽可能发出无功功率。

进一步的，采用直流控制系统中的高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小作为动态无功补偿装置的控制系统的输入信息，所述直流控制系统中的高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小由直流换流器消耗的无功功率和静态无功补偿装置产生的无功功率确定；

其中，直流换流器消耗的无功功率可以根据高压直流输电系统换流站的运行状态，按下式计算：

式中：qdc,conv：直流换流器消耗的无功功率，mvar；μ：换相角，弧度；id：直流运行电流，ka；α：整流器触发角，弧度；uac：交流母线电压；kn：换流变压器额定变比；t：档位；dtap：换流变压器档距；当换流站以逆变方式运行时，用逆变器关断角γ代替α；n：12脉动换流器数量。

静态无功补偿装置产生的无功功率由下式确定：

qacf＝uac/uacn∑qacfn(2)

式中，qacf:静态无功补偿装置产生无功功率,mvar；∑qacfn:投入的静态态无功补偿装置额定无功功率之和；uacn：交流母线额定电压，静态无功补偿装置的额定无功功率对应的交流电压。

高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小由式(1)减去式(2)得到。

进一步的，采用一阶惯性控制，使得动态无功补偿装置输出的无功功率与高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小成反比包括：

根据高压直流输电系统换流站与交流系统无功交换的最大值，以及动态无功补偿装置参与抑制静态无功补偿装置投切电压波动的无功容量确定动态无功补偿装置输出无功功率与高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小成反比的比例系数；

其中，比例系数k由下式确定：

k＝qsvc/(2qhvdc)(3)

式中，qsvc为动态无功补偿装置参与抑制静态无功补偿装置投切电压波动的容量；qhvdc为高压直流输电系统换流站与交流系统最大交换无功功率的大小，超过该值，就需要投入或者切除一组静态无功补偿装置。

进一步的，通过限幅使得交流系统出现过电压时，利用一个比例积分控制快速降低一阶惯性控制限幅环节的上限，减少动态无功补偿装置的无功输出，动态无功补偿装置尽可能吸收无功功率；交流系统出现低电压时，利用一个比例积分控制快速增加一阶惯性控制限幅环节的下限，增加动态无功补偿装置的无功输出，动态无功补偿装置尽可能发出无功功率的步骤包括：

当出现过电压时，由比例积分控制根据过电压情况迅速减小动态无功补偿装置允许的最大无功出力qmax，随着qmax的减小，一阶惯性控制的上限幅减小，一阶惯性环节的输出相应减小，动态无功补偿装置的无功出力减小，动态无功补偿装置实现对过电压的抑制；当出现低电压时，由比例积分控制根据低电压的情况迅速增加动态无功补偿装置允许的最小无功出力qmin，随着qmax的增加，一阶惯性控制的下限幅增加，一阶惯性环节的输出相应增加，动态无功补偿装置的无功出力增加，动态无功补偿装置实现对低电压的控制。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明采用高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率量作为控制输入。高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率量可以根据直流功率和交流系统电压计算获得，防止了无功功率采集不准确对动态无功补偿装置控制的影响。2)采用本发明控制方法，动态无功补偿装置用于补偿静态无功补偿装置投切电压波动的容量可以根据需要通过控制系统设置，防止了动态无功补偿装置响应交流系统正常电压波动时，用于补偿静态无功补偿装置投切电压波动容量的减少。3)采用本发明控制方面，在交流系统暂态情况下，动态无功补偿装置还可以将其容量释放，用于支撑交流系统电压恢复，进而提升了交流系统暂态电压稳定水平。

附图说明

图1为本发明含动态无功补偿装置的高压直流输电系统换流站换流站主接线示意图；

图2为本发明用于高压直流输电系统换流站换流站的动态无功补偿装置控制示意图；

图3为本发明实例中静态无功补偿装置投入时主要运行状态曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1为本发明含动态无功补偿装置的高压直流输电系统换流站主接线示意图。直流换流器和静态无功补偿装置组成了高压直流输电系统换流站，高压直流输电系统换流站与交流系统无功交换断面为高压直流输电系统换流站与交流系统无功交换的关口断面，直流换流器和静态无功补偿装置的无功之和就是高压直流输电系统换流站与交流系统的无功交换量。换流站与交流系统无功交换断面为换流站与交流系统无功交换的关口断面，直流换流器、静态无功补偿装置、动态无功补偿装置的无功之和就是换流站与交流系统的无功交换量。

图2为本发明用于高压直流输电系统换流站的动态无功补偿装置控制示意图。图中，k为动态无功补偿装置输出无功功率与高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小成反比的比例系数，qolimi,svc为最终的动态无功补偿装置的无功输出指令值。qo,svc指为抑制静态无功补偿装置投切电压波动，动态无功补偿装置的无功输出指令值。αo为动态无功补偿装置的控制量，对svc为触发角，对svg则为电压幅值调制控制量。其他ki、kimax、kimin为比例积分环节的比例系数，ti、timax、timin为相关比例积分环节的比例积分系数，qsvc为测量得到的动态无功补偿装置实际无功功率输出量；qmax为允许动态无功补偿装置输出的最大无功量；qmin为允许动态无功补偿装置输出的最小无功量。

图3为本发明实例中静态无功补偿装置投入时主要运行状态曲线示意图。

如图1所示，本发明提供的一种用于换流站的动态无功补偿装置的控制方法，包括以下步骤：

1)动态无功补偿装置从直流控制系统中获取高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小，作为动态无功补偿装置的控制系统的输入信息。直流控制系统中的高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小是有直流换流器消耗无功功率和静态无功补偿装置产生无功功率确定。直流换流器消耗无功功率可以根据高压直流输电系统换流站的运行状态，按下式计算：

式中：qdc,conv：直流换流器消耗的无功功率，mvar；μ：换相角，弧度；id：直流运行电流，ka；α：整流器触发角，弧度；uac：交流母线电压；kn：换流变压器额定变比；t：档位；dtap：换流变压器档距；当换流站以逆变方式运行时，用逆变器关断角γ代替α；n：12脉动换流器数量。

静态无功补偿装置产生无功功率由下式确定：

qacf＝uac/uacn∑qacfn(2)

式中，qacf:静态无功补偿装置产生无功功率,mvar；∑qacfn:投入的静态无功补偿装置额定无功功率之和；uacn：交流母线额定电压，静态无功补偿装置的额定无功功率对应的交流电压。

高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小可以由式(1)减去式(2)得到。

从直流控制系统直接获取高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小可以保证动态无功补偿装置的无功出力能够同步跟上高压直流输电系统换流站投切静态无功补偿装置的时刻。

2)采用一阶惯性控制，使得动态无功补偿装置输出的无功功率与高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小成反比。根据静态无功补偿装置容量的大小，可以确定高压直流输电系统换流站与交流系统最大交换无功功率的大小，当超过最大交换无功功率的大小时，就需要投切一组静态无功补偿装置。最大交换无功功率的大小通常为一组静态无功补偿装置容量的75％，可记为δqhvdc。动态无功补偿装置输出无功功率与高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小成反比的比例系数由动态无功补偿装置参与抑制静态无功补偿装置投切电压波动的容量确定，最大可以为动态无功补偿装置的全部可调容量，因为比例系数就可以表示为下式：

k＝qsvc/(2qhvdc)(3)

式中，qsvc为动态无功补偿装置可以参与抑制静态无功补偿装置投切电压波动的容量；qhvdc为高压直流输电系统换流站与交流系统最大交换无功功率的大小，超过该值，就需要投入或者切除一组静态无功补偿装置。

确定比例系数后，就可以根据高压直流输电系统换流站与交流系统交换无功功率的大小，确定动态无功补偿装置的无功出力需要，通过一阶惯性控制就可以使得动态无功补偿装置的输出为目标出力。

3)通过限幅使得交流系统出现过电压时，动态无功补偿装置尽可能吸收无功功率，交流系统出现低电压时，动态无功补偿装置尽可能发出无功功率。在交流系统出现过电压或者低电压时，动态无功补偿装置应该优先支援交流系统，使得交流系统电压尽快恢复。因此采用了限幅控制方式，当出现过电压时，由比例积分控制根据过电压情况迅速减小动态无功补偿装置允许的最大无功出力qmax，随着qmax的减小，一阶惯性控制的上限幅减小，一阶惯性环节的输出相应减小，动态无功补偿装置的无功出力减小，动态无功补偿装置实现对过电压的抑制；当出现低电压时，由比例积分控制根据低电压的情况迅速增加动态无功补偿装置允许的最小无功出力qmin，随着qmax的增加，一阶惯性控制的下限幅增加，一阶惯性环节的输出相应增加，动态无功补偿装置的无功出力增加，动态无功补偿装置实现对低电压的控制。

下面以一个具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例一

本实施例中，高压直流输电系统额定容量8000mw。换流站接入系统短路容量20000mva。换流站配置了18组静态无功补偿装置，每组容量300mvar。换流站配置了2组动态无功补偿装置，具体型式为静止无功补偿器svc，每组容量120mvar，在一组运行时就可以满足无功分组要求。由于每组静态无功补偿装置的容量为300mvar，高压直流输电系统换流站与交流系统的最大无功交换为225mvar。

根据式(3)确定比例系数k为0.266。图3为该算例下，投入静态无功补偿装置时的典型曲线。在投入一组静态无功补偿装置前，高压直流输电系统换流站从交流系统吸收了225mvar的无功功率，svc发出了60mvar的无功功率。此时投入一组静态无功补偿装置，高压直流输电系统换流站注入交流系统无功功率约90mvar，svc从发出60mvar到吸收了约25mvar的无功功率。交流母线电压波动约5.5kv，正好满足电压波动1％的要求。如果svc不参与无功控制，则投入一组交流滤波器的电压波动将达到8kv，电压波动达到了1.5％，超出了标准要求。

综上所述，本发明提供了一种用于换流站的动态无功补偿装置的控制方法，包括以下步骤：1)动态无功补偿装置采集高压直流输电系统换流站与交流系统无功交换量作为控制输入；2)一阶惯性控制使得动态无功补偿装置输出无功功率与换流站注入系统的无功功率成反比；3)通过限幅控制使得交流系统出现过电压时，动态无功补偿装置尽可能吸收无功功率，交流系统出现低电压时，动态无功补偿装置尽可能发出无功功率。本发明使得动态无功补偿装置的容量主要用于抑制静态无功补偿装置投切带来的电压波动，进而用较小的动态无功补偿装置容量实现了静态无功补偿装置组数的减少，同时在紧急情况下也实现了动态无功补偿装置对系统的电压支撑。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。