一种固定换流变变比的直流功率控制方法与流程

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，具体涉及一种高压直流输电系统的功率控制方法。

背景技术：

我国能源结构的变革转型对跨区域能源输送提出了新的要求。西部地区日益增长的新能源机组数量存在远距离外送需求。特高压交直流输电技术成为解决该问题的唯一途径。目前，电网换相型高压直流输电技术(llc-hvdc)由于具有传输容量大、故障隔离效果好的优势，逐步成为主流的跨区域输电方式。然而，送端新能源集群出力和受端负荷水平的不确定性要求直流系统必须具有调整自身运行功率的能力以满足送受端电网的电力平衡。

直流系统的功率调节主要通过电流的变化实现。现有的直流运行控制方式是整流侧定电流、逆变侧定关断角的控制方式。在这种控制方式中，整流侧触发角通常为固定值(15度至20度)，通过换流变变比的有载分接开关动作调节直流两侧电压，实现直流功率的控制。这种控制方式对分接开关的安全可靠性要求较高；在出力/负荷波动较大的情况下，可能导致分接开关频繁动作引发严重的安全事故。

由此可见，目前对于直流功率的控制手段仍然比较单一，仍然难以满足实际工程的安全要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种固定换流变变比的直流功率控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：一种固定换流变变比的直流功率控制方法，包括如下步骤：

1)、选择直流的定电压方式，确定直流额定电压udr或udi，并根据选定的直流定电压方式以及预先设定的直流调节范围[idmin,idmax]，确定换流变变比kr和ki；

2)、根据调度下达的直流功率指令pd，确定整流侧触发角α和逆变侧关断角γ；

3)、计算在该触发方式下的换流站无功消耗qdr和qdi，确定滤波器投切方式。

作为本发明进一步的方案，步骤1)中，换流变变比的计算方法如下：

直流额定电压如式(1)所示，其中，udr为整流侧额定电压，udi为逆变侧额定电压，直流系统一般可根据需要分别从整流侧和逆变侧定电压运行；

udr＝const或udi＝const(1)；

对于整流侧定电压方式，直流整流侧功率pdr可以由直流电流id确定，如式(2)所示：

pdr＝udrid(2)；

对于逆变侧定电压方式，逆变侧功率pdi如式(3)所示：

pdi＝udiid(3)；

以双桥系统为例，整流器稳态方程如式(4)所示：

式中，kr是整流侧换流变变比，ulr是整流侧换流母线电压，α是整流侧触发角，rcr是整流侧等效换相电阻；

逆变器稳态方程如式(5)所示：

同样的，式中ki是逆变侧换流变变比，uli是逆变侧换流母线电压，γ是逆变侧关断角，rci是逆变侧等效换相电阻；

直流线路方程如式(6)所示：

其中rd是直流线路电阻；

上述方程的变量中，一般情况下，直流系统已经指定某一侧电压运行在额定电压udr或udi并由调度中心根据运行方式指定直流功率pd，换流站滤波器的投切方式能够保证两侧换流母线电压ulr和uli恒定不变，等效换相电阻rcr和rci则由换流变漏抗决定；

直流系统在稳态运行时为了保证整流侧可靠触发，对于50hz系统要求实际触发角α在动态过程中一般不小于5°，对于正常的稳态运行还需要额外留出一定的裕度，使触发角不小于αmin，同理，为了保证逆变侧可靠触发，关断角也会留出一定裕度，使关断角不小于γmin，假设直流电流范围为[idmin,idmax]，则可以将最小触发角αmin、最小关断角γmin、最大直流电流idmax带入方程(2)(4)(5)(6)或(3)(4)(5)(6)，求解得到换流变变比kr和ki；

作为本发明进一步的方案，步骤2)中，根据调度中心下达的直流功率指令pd，若直流系统整流侧运行在额定电压下，即udr为定值，整流侧直流功率可根据式(2)，确定直流电流id；

将直流电流id带入式(4)，根据直流电流指令可唯一确定整流侧触发角α；

根据直流线路公式(6)可以确定逆变侧直流电压udi；

udi＝udr-rdid(11)

同理根据式(5)，可以唯一确定逆变侧关断角γ；

类似的，若直流系统逆变侧运行在额定电压下，即udi为定值，整流侧直流功率可根据式(3)，确定直流电流id；

将直流电流id带入式(5)，根据直流电流指令可唯一确定逆变侧关断角γ；

根据直流线路公式(6)可以确定整流侧直流电压udr；

udr＝udi+rdid(15)；

同理根据式(4)，可以唯一确定。

由此，确定了指定功率下整流侧、逆变侧的触发方式(α,γ)。

作为本发明进一步的方案，步骤3)中，根据当前换流站的触发方式，分别计算整流/逆变器的无功消耗，整流侧功率因数可以近似表达为式(17)，

同理，逆变侧功率因数可以近似表达为式(18)

整流器无功功率表达为式(19)

qdr＝pdrtanφr(19)；

逆变器无功功率表达为式(20)

qdi＝pditanφi(20)；

最后，按照式(19)、(20)的计算结果利用站内滤波器补偿相应的无功功率即可。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法固定了换流变压器变比，避免了换流变有载分接开关动作；基于换流阀触发角控制实现了直流功率的灵活调整；通过滤波器的投切满足直流系统无功消耗，在低功率运行时提高换相裕度，具有良好的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为cigre直流系统拓扑简图；

图3为直流功率(整流侧)随整流侧触发角变化曲线图；

图4为逆变侧关断角随整流侧触发角变化曲线图；

图5为整流侧无功消耗随整流侧触发角变化曲线图。

图6为逆变侧无功消耗随整流侧触发角变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。

如图1所示，为本发明的方法流程图，本发明的直流功率控制方法,包括如下步骤：

1)、选择直流的定电压方式，确定直流额定电压udr或udi，并根据选定的直流定电压方式以及预先设定的直流调节范围[idmin,idmax]，确定换流变变比kr和ki；

直流额定电压如式(1)所示，其中，udr为整流侧额定电压，udi为逆变侧额定电压。直流系统一般可根据需要分别从整流侧和逆变侧定电压运行。

udr＝const或udi＝const(1)；

对于整流侧定电压方式，直流整流侧功率pdr可以由直流电流id确定，如式(2)所示：

pdr＝udrid(2)；

对于逆变侧定电压方式，逆变侧功率pdi如式(3)所示：

pdi＝udiid(3)；

以双桥系统为例，整流器稳态方程如式(4)所示：

式中，kr是整流侧换流变变比，ulr是整流侧换流母线电压，α是整流侧触发角，rcr是整流侧等效换相电阻。

逆变器稳态方程如式(5)所示：

同样的，式中ki是逆变侧换流变变比，uli是逆变侧换流母线电压，γ是逆变侧关断角，rci是逆变侧等效换相电阻。

直流线路方程如式(6)所示：

其中rd是直流线路电阻。

直流系统指定某一侧电压运行在额定电压udr或udi并由调度中心根据运行方式指定直流功率pd。换流站滤波器的投切方式能够保证两侧换流母线电压ulr和uli恒定不变。等效换相电阻rcr和rci则由换流变漏抗决定。

直流系统在稳态运行时为了保证整流侧可靠触发，对于50hz系统要求实际触发角α在动态过程中一般不小于5°，对于正常的稳态运行还需要额外留出一定的裕度，使触发角不小于15°。同理，为了保证逆变侧可靠触发，关断角也会留出一定裕度，使关断角不小于15°。假设直流电流范围为[idmin,idmax]，则可以将最小触发角αmin、最小关断角γmin、最大直流电流idmax带入方程(2)(4)(5)(6)或(3)(4)(5)(6)，求解得到换流变变比kr和ki。

2)、根据调度下达的直流功率指令pd，确定整流侧触发角α和逆变侧关断角γ；

所述步骤2中，根据调度中心下达的直流功率指令pd，若直流系统整流侧运行在额定电压下，即udr为定值，整流侧直流功率可根据式(2)，确定直流电流id。

将直流电流id带入式(4)，根据直流电流指令可唯一确定整流侧触发角α。

根据直流线路公式(6)可以确定逆变侧直流电压udi。

udi＝udr-rdid(11)；

同理根据式(5)，可以唯一确定逆变侧关断角γ。

类似的，若直流系统逆变侧运行在额定电压下，即udi为定值，整流侧直流功率可根据式(3)，确定直流电流id。

将直流电流id带入式(5)，根据直流电流指令可唯一确定逆变侧关断角γ。

根据直流线路公式(6)可以确定整流侧直流电压udr。

udr＝udi+rdid(15)；

同理根据式(4)，可以唯一确定。

由此，确定了指定功率下整流侧、逆变侧的触发方式(α,γ)。

3)、计算在该触发方式下的换流站无功消耗qdr和qdi，确定滤波器投切方式；

根据当前换流站的触发方式，分别计算整流/逆变器的无功消耗，整流侧功率因数可以近似表达为式(17)。

同理，逆变侧功率因数可以近似表达为式(18)；

整流器无功功率表达为式(19)

qdr＝pdrtanφr(19)；

逆变器无功功率表达为式(20)

qdi＝pditanφi(20)；

最后，按照式(19)、(20)的计算结果利用站内滤波器补偿相应的无功功率即可。

如图2所示的cigre直流模型测试本发明方法的有效性。令该直流整流侧运行在额定电压，直流电流的的允许范围为[100a,2000a]，根据步骤1，首先结算得到整流侧换流变变比为345kv:221.09kv，逆变侧换流变变比为230kv：216.69kv。

根据输入的功率指令可以得到直流的触发方式，图3展示了整流侧不同触发角下的直流功率变化情况，发现当触发角在15°至31.2°之间变化时能够满足直流功率的调节要求。图4展示了逆变侧关断角随整流侧触发角的变化情况，图4说明逆变侧关断角会随着整流侧触发角同步变化，直流功率的降低可以提高逆变侧关断角，提高了逆变侧的换相裕度。图5、图6展示了整流器/逆变器的无功消耗情况，说明直流无功消耗没有超过最大功率(15°触发)时的无功功率，换流站现有的滤波器组能够满足新控制方法下的无功需求。

由此可见，根据本发明提供的技术方案，可以实现固定换流变变比下的直流功率控制，该方法在合理的初始变比下能够实现直流功率的大范围调节，且并未造额外的无功损耗。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。