受端分层接入特高压直流低负荷无功控制方法及控制装置与流程

本发明属于特高压直流输电领域，特别涉及一种受端分层接入特高压直流低负荷无功控制方法及控制装置。

背景技术：

常规特高压直流系统运行在低负荷运行方式时，由于受到绝对最小滤波器投切的限制，换流器消耗的无功功率远小于交流滤波器补偿的无功功率，导致直流换流站向交流系统注入大量的过剩无功，从而容易导致交流电网电压偏高。相比常规特高压直流系统，受端分层接入特高压直流系统中，受端站高端和低端阀组分别接入两个不同电压等级的交流电网，两个交流电网分别配置了两个独立的交流滤波器场。在低负荷运行方式下，受端分层接入特高压直流系统受端站所接入的交流电网中，由于换流器消耗的无功功率仅为常规直流的一半，而交流滤波器补偿的无功功率由于受到绝对最小滤波器投切的限制，其值与常规直流相近，这导致受端换流站向交流系统注入的过剩无功进一步增大，更容易引起交流电网电压偏高，从而影响受端站交流电网的稳定运行。

通过调节换流器(或阀组)的触发角或熄弧角可以调节换流器消耗的无功功率，从而可以调节换流站与交流系统交换的无功功率。基于该原理，目前的低负荷无功控制方法主要有直流电压直接控制型低负荷无功控制和无功交换直接型低负荷无功控制两种。其中，直流电压直接控制型低负荷无功控制是根据直流系统运行的功率值计算得到直流系统运行的直流参考电压，通过控制直流系统的直流电压来实现对换流器触发角或熄弧角的调节。由于直流极线电压的变化会同时影响送、受端两个站的控制，因此该方法无法实现送、受端换流站无功功率的独立控制。无功交换直接型低负荷无功控制直接以换流站与交流系统交换的无功功率为反馈量进行控制，两站的触发角或熄弧角的调节相对独立，可以实现两站无功功率的独立控制。

目前，已有的两种低负荷无功控制方法主要针对在常规不分层的特高压直流系统。在常规特高压直流系统中，当送端或受端换流站投入低负荷无功控制时，由于各换流站中两极高端和低端阀组均接入同一电网，且高、低端阀组和换流变的型号参数均一致，因此，不同阀组之间触发角(或熄弧角)和换流变分接头的调节过程完全一致，不需要考虑高端和低端阀组之间换流变分接头控制、换流器触发控制及阀组均压控制之间的协调作用，其控制方式较为简单。

与常规特高压直流系统不同，受端分层接入特高压直流系统中，高、低端阀组和换流变的型号参数并不一致，同时由于每个极中高、低阀组之间为串联关系，在直流低负荷无功控制方式下，某一阀组触发角(或熄弧角)的调节会给与之串联的阀组控制带来影响，进而给另一电网的无功控制带来影响。因此，在直流低负荷运行方式下，如何通过协调高端和低端阀组之间换流变分接头控制、换流器触发控制及阀组均压控制，实现受端分层接入特高压直流系统受端两个交流电网之间无功功率的独立控制，是一个值得研究的课题。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种受端分层接入特高压直流低负荷无功控制方法及控制装置，通过对受端阀组触发角(或熄弧角)以及换流变分接头档位的控制，可实现对低负荷运行方式下受端分层接入特高压直流受端站与不同交流电网之间交换的无功功率的独立控制。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种受端分层接入特高压直流低负荷无功控制方法，包括如下步骤：

步骤1，换流站无功控制设定为自动q-control模式，换流变分接头档位控制设定为自动模式；

步骤2，受端站投入低负荷无功控制，双极层控制主机分别以高端阀组和低端阀组所接入电网中的交直流无功交换值为反馈量，通过低负荷无功控制器分别计算得到用于调节受端站高端阀组和低端阀组无功损耗大小的辅助触发角或辅助熄弧角，然后将该辅助触发角和辅助熄弧角叠加到初始设定的触发角参考值和熄弧角参考值上，得到阀组的触发角参考值或熄弧角参考值并将其发送给阀层控制主机；

步骤3，受端站阀层控制主机以触发角参考值或熄弧角参考值为控制目标，通过换流变分接头控制、换流器触发控制及阀组均压控制的协调控制，实现对阀组触发角或熄弧角实际值的调节，最终实现对阀组无功损耗的调节；

步骤4，当直流系统输送的有功功率大于设定值时，低负荷无功控制经一定延时后自动平滑退出。

上述步骤1中，换流变分接头档位控制设定为自动模式的内容是：当受端站作为整流站运行时，通过换流变分接头档位控制配合实现对触发角的调节；当受端站作为逆变站运行时，通过换流变分接头档位控制配合实现直流电压的调节。

上述步骤2中，低负荷无功控制器以交直流无功交换值与其参考值的差值作为输入量，经过限幅功能和死区功能处理后送给pi控制器，由pi控制器输出用于调节阀组无功损耗的辅助触发角或辅助熄弧角。

上述步骤4中，自动平滑退出是指当低负荷无功控制投入且直流输送功率大于设定值时，通过将低负荷无功控制投退使能信号置零，从而使低通滤波器的输入值由1变为0，低通滤波器的输出值由1渐变至0，而低通滤波器的输出值与低负荷无功控制器中pi控制器输出值相乘后，使得实际的辅助触发角或熄弧角渐变至零。

上述步骤3中，受端站作为整流站运行时，采用辅助触发角与初始设定的触发角参考值之和作为实际的触发角参考值；所述受端站作为逆变站运行时，采用辅助熄弧角与初始设定的熄弧角参考值之和作为实际的熄弧角参考值。

上述受端站高端、低端阀组之间采用阀组均压控制；当受端站作为整流站运行时，高端阀为主控阀组控制电流，高端阀触发角直接由换流器触发控制得到，低端阀为从控阀组通过电压平衡控制器实现阀组电压平衡控制，低端阀触发角为高端阀触发角与阀组均压控制器输出值之和；当受端站作为逆变站时，高端和低端换流变分接头电压控制均以本换流器两端的直流电压加上线路压降的一半为受控对象、以整流站额定电压的一半为控制目标来调节换流变分接头档位，实现高端和低端阀组间的平衡控制。

一种受端分层接入特高压直流低负荷无功控制装置，用于独立调节受端分层接入特高压直流系统受端站高端阀组和低端阀组所接入交流电网中的交直流无功交换值；所述装置包括：

检测单元，检测交流系统电压、换流器触发角或熄弧角、直流中性母线流过的电流、直流极母线电压、换流变分接头档位、交流滤波场滤波器投入的小组容量及数量；

电网交直流无功交换量计算单元，基于交流电网的交流电压值、换流站中滤波器投入的小组容量及数量计算交流滤波器产生的无功功率，基于换流器触发角或熄弧角、直流中性母线流过的电流计算阀组的无功损耗，将交流滤波器产生的无功功率减去换流器的无功损耗得到阀组所接入电网中的交直流无功交换值；以及，

电网交直流无功交换量控制单元，以受端站高端阀组和低端阀组所接入电网中的交直流无功交换值为反馈量，通过低负荷无功控制器分别计算受端换流站高端阀组和低端阀组的辅助触发角或辅助熄弧角，将该辅助触发角和辅助熄弧角叠加到初始设定的触发角参考值和熄弧角参考值上，作为阀组实际的触发角参考值和熄弧角参考值；受端站阀层控制主机以触发角参考值或熄弧角参考值为控制目标，通过换流变分接头控制、换流器触发控制及阀组均压控制的协调控制，实现对阀组触发角或熄弧角实际值的调节，最终实现对换流站与交流系统交换无功功率的调节。

采用上述方案后，本发明与现有技术相比，通过设置两个独立的低负荷控制器，同时协调高端和低端阀组之间换流变分接头控制、换流器触发控制及阀组均压控制，实现了对受端分层接入特高压直流受端站高端和低端阀组无功损耗的独立控制，进而实现了对低负荷运行方式下受端分层接入特高压直流受端站与不同交流电网之间交换的无功功率的独立控制；通过在低负荷无功控制器中增加平滑投退逻辑，实现了低负荷无功控制的平滑投入和自动平滑退出功能，从而避免了低负荷无功控制的投入或退出给交流电网带来的冲击。

附图说明

图1是高、低端阀组接入同一交流电网的常规特高压直流输电系统单换流站主回路示意图；

图2是高、低端阀组分别接入不同交流电网的分层接入特高压直流输电系统单换流站主回路示意图；

图3是本发明低负荷无功控制的分层控制结构图；

图4是本发明低负荷无功控制的实现原理图；

图5是本发明受端站作为整流站运行时的低负荷无功控制原理结构框图；

图6是本发明受端站作为逆变站运行时的低负荷无功控制原理结构框图；

图7是本发明控制装置的结构示意图。

附图标记：1、交流电网；1a、交流电网i；1b、交流电网ii；2、交流滤波器；3、高端换流变压器；4、低端换流变压器；5、高端阀组；6、低端阀组；7、直流平波电抗器；8、直流滤波器；9、直流极母线；10、中性母线；11、接地极。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

常规特高压直流系统和受端分层接入特高压直流系统受端站主回路分别如图1和图2所示。图1中，常规特高压直流系统每极包含高端阀组5和低端阀组6，每个阀组均为12脉动换流器。高端阀组5的高压端连接极直流线路，低压端与低端阀组6的高压端相连，低端阀组6的低压端与中性母线10相连。换流站中所有阀组的交流侧均通过换流变(3、4)接入同一交流电网1，每个阀组采用的换流变型号和参数均一致。图2中，与图1有所不同是，两极的高端和低端阀组的交流侧分别通过不同型号的换流变接入两个不同电压等级的交流电网(1a、1b)，两个交流电网分别配置了独立的交流滤波器场，直流极控系统中需要通过两个独立的应用程序以实现对两个交流电网无功功率的独立控制。

低负荷运行方式下，为实现对分层接入特高压直流系统受端站高、低阀所接入电网中的交直流无功交换值的独立控制，需要在双极层控制中针对两个电网分别配置独立的低负荷无功控制器，其原理结构如图3所示。图3中，双极层控制主机首先通过交直流系统无功交换量计算模块31、32分别计算高端和低端阀组接入的交流电网i1a和交流电网ii1b的交直流无功交换量的大小，然后其结果送入对应的低负荷无功控制器33、34进行控制。

交直流系统之间交换的无功功率的计算表达式为：

qex＝qfilter-qd

式中，qd为直流系统消耗的无功功率，其表达式为：

式中，qconvi为第i个12脉动换流器的无功损耗，m为换流器的数量。

当换流器运行在整流状态时，

式中，id为流过换流器的直流电流，udi0为每个6脉动换流器的理想空载直流电压，α为触发角，μ为换相角。

当换流器运行在逆变状态时，

式中，γ为熄弧角。

qfilter为交流滤波场中交流滤波器提供的无功，其表达式为：

式中，n为交流滤波场中交流滤波器的组数，uac为交流场中交流母线电压有效值，fac为交流系统的频率，qfilterin为第i小组交流滤波器的额定容量，下标n代表额定值。

得到交直流系统无功交换值后，高端和低端阀组将根据各自的无功参考值，分别通过两个独立的低负荷无功控制器，计算得到用于阀层控制的触发角或熄弧角参考值。然后，阀层控制主机基于该参考值实现对换流器实际触发角和熄弧角的控制。

高端和低端阀组低负荷无功控制器的结构相同，具体如图4所示。图4中，低负荷无功控制器主要包括投退使能运算41、辅助触发角或辅助熄弧角计算42、触发角或熄弧角参考值计算43三个模块。其中，投退使能运算模块主要实现低负荷无功控制的平滑投入和平滑退出功能，包含低负荷无功控制投入使能和退出使能两部分。投入使能信号有效时需要满足四个条件：后台监控系统中低负荷无功控制已投入、无功控制为自动控制、无功控制为q-control模式、受端站高端或低端阀组输送的直流功率小于其阈值。退出使能则只要受端站高端或低端阀组输送的直流功率大于其阈值且保持时间大于t1即有效。投退使能信号为投入使能信号与退出使能信号取反后的与。投退使能信号为1时代表低负荷无功控制处于有效投入状态，投退使能信号为0时代表低负荷无功控制处于有效退出状态。投退使能运算中，通过一阶滤波环节实现低负荷无功控制平滑投入和退出。换流变分接头档位的控制模式虽然不影响低负荷无功控制的使能运算，但由于整流站触发角调节和逆变站直流电压调节均需要通过调节换流变分接头来实现，因此，低负荷无功控制过程中，需要将换流变分接头的档位控制设置为自动控制模式。

辅助触发角或熄弧角计算模块首先以无功功率交换量参考值qqpc_ref为参考值、以换流站与交流系统交换的无功功率qex为反馈量计算得到无功功率偏差值δq。功率偏差值δq经限幅功能、死区运算功能处理后送往pi控制器，由pi控制器计算得到用于调节阀组无功损耗的辅助触发角δα或辅助熄弧角δγ。限幅功能模块主要防止输入pi控制器的无功偏差值过大，从而避免pi控制器的调节速度过快；死区功能模块主要避免低负荷无功控制器在交直流系统无功交换值接近其参考值时仍频繁调节。

触发角或熄弧角参考值计算模块中，辅助触发角δα或辅助熄弧角δγ首先与投退使能运算模块中一阶滤波器的输出信号相乘，然后将其结果分别叠加到初始的触发角αref0和熄弧角γref0参考值上，得到触发角参考值αref和熄弧角参考值γref。特高压直流工程中，αref0和γref0的取值分别为15°和17°，整流运行时采用触发角参考值αref进行控制，逆变运行时采用熄弧角参考值γref进行控制。

低负荷无功控制过程中，分层接入特高压直流系统受端站作为整流站和逆变站运行时控制原理不同，两者分别如图5和图6所示。

图5中，受端站作为整流站运行时，换流变分接头角度控制模块51以触发角参考值为目标调节换流变分接头档位，从而改变换流器的理想空载电压值。换流器触发控制模块52则通过调节换流器的触发角来保持直流电流恒定。当高端阀组和低端阀组均同时运行时，低端阀组控制同时还具有平衡高低端阀组电压的功能。此时，高端阀组为主控阀，其触发角指令值由换流器触发控制模块52直接计算得到。低端阀组为从控阀，低端阀组触发角指令值为高端阀组触发角指令值与换流器电压平衡控制53输出值之和。阀组控制最终将触发角指令转为点火脉冲送给触发脉冲控制器37实现对阀组的实际控制。

当受端站作为整流站运行时，此处分别以高端阀组和低端阀组投入低负荷无功控制为例，介绍分层接入特高压直流系统受端站作为整流站运行时的调节原理。当高端阀组投入低负荷无功控制时，假设低负荷无功控制投入前，高端阀组所接入电网中的交直流无功交换值远大于无功参考值。当高端阀组投入低负荷无功控制后，首先在双极层控制主机中，低负荷无功控制器会增大高端阀组的触发角参考值。然后在高端阀组控制主机中，由于阀组触发角实际值小于触发角参考值，此时换流变分接头角度控制会升高分接头档位。换流变档位升高导致换流器理想空载电压值增大，此时为保持直流电流恒定，高端阀组触发控制器会增大换流器触发角指令值。对于低端阀组，其换流变分接头档位保持不变，高端阀组传送给低端阀组的触发角指令增大，将导致低端阀组电压降低，此时换流器电压平衡控制器将会输出一个负角度，两者叠加后使得低端阀组实际触发角指令保持不变。最终，高端阀组由于触发角增大，使得高端换流器的无功损耗增大，从而使得交直流系统交换的无功功率减小；低端阀组由于换流变分接头档位和触发角均保持不变，从而不影响交直流系统交换的无功功率，实现了换流站高端阀组所在交流系统无功的独立控制。

当低端阀组投入低负荷无功控制时，假设低负荷无功控制投入前，低端阀组所接入电网中的交直流无功交换值远大于无功参考值。当低端阀组投入低负荷无功控制后，首先在双极层控制主机中，低负荷无功控制器会增大低端阀组的触发角参考值。然后在低端阀组控制主机中，由于阀组触发角实际值小于触发角参考值，此时换流变分接头角度控制会升高分接头档位。换流变档位升高导致换流器理想空载电压值增大，进而导致低端阀组电压升高，此时换流器电压平衡控制器将会输出一个正角度，该值与高端阀组传送给低端阀组的触发角指令叠加后使得低端阀组实际触发角指令增大。对于高端阀组，其换流变分接头档位和触发角均保持不变，从而不受低端阀组低负荷无功控制投入的影响，实现了换流站低端阀组所在交流系统无功的独立控制。

图6中，受端站作为逆变站运行时，高、低压阀组的触发角和分接头档位均分别独立控制。换流器触发控制52以熄弧角参考值为目标直接调节换流器的触发角，换流变分接头电压控制61以本换流器两端的直流电压加上线路压降的一半为受控对象、以整流站额定电压的一半为控制目标来调节换流变分接头档位，从而尽力实现高低阀组电压的平衡。

当受端站作为逆变站运行时，此处分别以高端阀组和低端阀组投入低负荷无功控制为例，介绍分层接入特高压直流系统受端站作为逆变站运行时的调节原理。当高端阀组投入低负荷无功控制时，假设低负荷无功控制投入前，高端阀组所在交流电网与换流站交换的无功功率远大于无功参考值。当高端阀组投入低负荷无功控制后，首先在双极层控制主机中，低负荷无功控制器会增大高端阀组的熄弧角参考值。然后在高端阀组控制主机中，换流器触发控制以熄弧角参考值为目标直接增大换流器的熄弧角。高端阀组熄弧角的增大会导致其阀组电压降低，此时换流变分接头电压控制会升高分接头，从而提高阀组电压。通常，由于受阀组电压应力保护的限制，换流变分接头档位上升范围有限，无法使得高端阀组电压与低端阀组电压相同。此时由于高端和低端阀组电压的调节是独立的，因此低端阀组换流变分接头档位仍保持不变。最终，高端阀组由于熄弧角增大，从而使得换流器的无功损耗增大，从而使得交直流系统交换的无功功率减小；低端阀组由于熄弧角和换流变分接头档位均保持不变，从而不影响交直流系统交换的无功功率，实现了换流站无功的独立控制。高端阀组电压的降低，将导致直流线路电压出现一定程度的降低。但由于直流线路电压的下降幅度较小，因此不会影响送端站的正常运行。

同理，当低端阀组投入低负荷无功控制时，假设低负荷无功控制投入前，低端阀组所在交流电网与换流站交换的无功功率远大于无功参考值。当低端阀组投入低负荷无功控制后，首先在双极层控制主机中，低负荷无功控制器会增大低端阀组的熄弧角参考值。然后在低端阀组控制主机中，换流器触发控制以熄弧角参考值为目标直接增大换流器的熄弧角。低端阀组熄弧角的增大会导致其阀组电压降低，此时换流变分接头电压控制会升高分接头，从而提高阀组电压。通常，由于受阀组电压应力保护的限制，换流变分接头档位上升范围有限，无法使得低端阀组电压与高端阀组电压相同。此时由于高端和低端阀组电压的调节是独立的，因此高端阀组换流变分接头档位仍保持不变。最终，低端阀组由于熄弧角增大，从而使得换流器的无功损耗增大，交直流系统交换的无功功率减小；高端阀组由于熄弧角和换流变分接头档位均保持不变，从而不影响交直流系统交换的无功功率，实现了换流站无功的独立控制。低端阀组电压的降低，将导致直流线路电压出现一定程度的降低。但由于直流线路电压的下降幅度较小，因此不会影响送端站的正常运行。

本发明提供受端分层接入特高压直流低负荷无功控制装置7，其结构原理如图7所示，具体包括：

(1)检测单元71，检测交流电网的交流电压、触发角或熄弧角、中性母线流过的电流、极母线电压、换流变分接头档位、交流滤波场滤波器投入的小组容量及数量。

(2)电网交直流无功交换量计算单元72，通过交流电网的交流电压、交流滤波场滤波器投入的小组容量和数量计算交流滤波器产生的无功功率，通过换流器的触发角或熄弧角、中性母线流过的电流计算换流器消耗的无功功率，将交流滤波器产生的无功功率减去换流器消耗的无功功率得到换流站与交流系统交换的无功功率。

(3)电网交直流无功交换量控制单元73，以受端站高端阀组和低端阀组所接入电网中换流站与交流系统交换的无功功率为反馈量，通过低负荷无功控制器分别计算得到受端换流站高端阀组和低端阀组用于调节阀组消耗的无功功率大小的辅助触发角或辅助熄弧角，将该辅助触发角和辅助熄弧角叠加到初始设定的触发角参考值和熄弧角参考值上，作为阀组实际的触发角参考值和熄弧角参考值进行控制；同时，整流站通过换流变分接头控制的配合实现对触发角的调节，逆变站通过换流变分接头控制的配合实现直流电压降低幅度最小。

综上，本发明公开一种受端分层接入特高压直流低负荷无功控制方法及控制装置，用于实现对受端分层接入特高压直流系统低负荷运行方式下受端两个交流电网无功功率的独立控制。在双极层控制，通过实时检测受端两个交流电网中交直流系统的无功交换值，将其作为反馈量分别送入两个独立的低负荷无功控制器，分别计算得到用于控制高端和低端阀组无功损耗的触发角或熄弧角参考值；在换流器层控制，通过换流变分接头控制、换流器触发控制及阀组均压控制的协调控制，实现对高、低端阀组无功损耗的独立控制。该方法不仅能实现对受端站两个交流电网中交直流无功交换值的独立控制，同时具有平滑投入、自动平滑退出的特点。本发明的方法和装置有效实现了受端分层接入特高压直流低负荷运行方式下受端站两个交流电网中交直流无功交换量的独立控制，同时受端换流站低负荷无功控制的投入不影响送端站的正常运行。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。