CN105720589A - 换流站无功功率控制方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换流站无功功率控制方法和***、以及高压直流输电***，其方法包括：采集换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值，并获取预设的换流站和交流***交换的无功功率期望值；对总无功功率值和无功功率期望值求和得到换流站内的换流器消耗的无功功率指令值；根据无功功率指令值以及预设的换流站的直流功率指令值获取换流站的直流电压指令值；根据直流电压指令值以及直流功率指令值获取换流站的直流电流指令值；按照直流电压指令值和直流电流指令值对换流站进行控制。采用本发明方案，确保输送有功功率不变的同时实现对换流站与交流***交换无功功率控制的目的，充分发挥换流器动态无功功率调节能力。

Description

换流站无功功率控制方法和***

技术领域

本发明涉及高压直流输电技术领域，特别是涉及一种换流站无功功率控制方法和***。

背景技术

高压直流输电(HVDC，HighVoltageDirectCurrentTransmission)由于输送容量大且损耗小、功率调节灵活可靠、不存在同步运行的稳定问题、可实现电力***之间的非同步联网等优点，在远距离大容量直流输电、背靠背直流联网、跨海峡直流海底电缆输电、交直流***混联等方面都得到了广泛应用。

由于换流器是非线性元件，因而换流器在运行过程中需要消耗大量无功功率，约为直流功率的40％～60％。因而换流站都配置无功功率控制功能，通过投切交流滤波器调整无功补偿设备的投入容量，将交直流***间的无功交换量控制在一定范围内，或将交流母线电压控制在一定范围内。换流站消耗无功功率的大小，与***控制方式、直流输送功率、直流电压、直流电流、换相角和换相电抗都有关系。在高压直流输电***无功控制中，常用逐步增加直流输电有功功率，根据无功功率数值的变化决定无功补偿装置投切策略。

另外，当直流输送功率水平较低时，由于受换流站交流滤波器设备性能和接入点谐波性能的限制，投入的交流滤波器容量可能远大于换流器的无功消耗量，将产生大量无功剩余。为此，部分直流输电工程中配置了针对直流低负荷下的无功控制功能，根据预设工况直接增大换流器的触发角，增大换流器的无功消耗，达到减小交直流***无功交换的目的。

现有高压直流输电***的换流站无功功率控制的方法是完全根据离线计算数据实施的，对换流站与交流***间的无功交换量的调节是静态、有级调节，没有充分利用换流器的无功动态调节能力。

发明内容

发明的目的在于提供一种换流站无功功率控制方法和***，可以充分发挥换流器的无功动态调节能力。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种换流站无功功率控制方法，包括：

采集换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值，并获取预设的所述换流站和交流***交换的无功功率期望值；

对所述总无功功率值和所述无功功率期望值求和得到所述换流站内的换流器消耗的无功功率指令值；

根据所述无功功率指令值以及预设的所述换流站的直流功率指令值获取所述换流站的直流电压指令值；

根据所述直流电压指令值以及所述直流功率指令值获取所述换流站的直流电流指令值；

按照所述直流电压指令值和所述直流电流指令值对所述换流站进行控制。

一种换流站无功功率控制***，包括：

采集模块，用于采集换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值，并获取预设的所述换流站和交流***所交换的无功功率期望值；

求和模块，用于对所述总无功功率值和所述无功功率期望值求和得到所述换流站内的换流器消耗的无功功率指令值；

第一处理模块，用于根据所述无功功率指令值以及预设的直流功率指令值获取直流电压指令值；

第二处理模块，用于根据所述直流电压指令值以及所述直流功率指令值获取直流电流指令值；

控制模块，用于按照所述直流电压指令值和所述直流电流指令值对所述换流站进行控制。

依据上述本发明的方案，其是采集换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值，并获取预设的所述换流站和交流***交换的无功功率期望值，对所述总无功功率值和所述无功功率期望值求和得到所述换流站内的换流器消耗的无功功率指令值，根据所述无功功率指令值以及预设的所述换流站的直流功率指令值获取所述换流站的直流电压指令值，根据所述直流电压指令值以及所述直流功率指令值获取所述换流站的直流电流指令值，按照所述直流电压指令值和所述直流电流指令值对所述换流站进行控制；由于是按照所述直流电压指令值和所述直流电流指令值对所述换流站进行控制，而所述直流电压指令值和所述直流电流指令值是基于实时采集的换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值、以及预设的无功功率期望值、预设的直流功率指令值获得的，可以确保输送有功功率不变的同时实现对换流站与交流***交换无功功率控制的目的，充分发挥换流器动态无功功率调节能力。

附图说明

图1为本发明实施例一换流站无功功率控制方法的实现流程示意图；

图2为本发明的整流站与交流***交换无功功率的“开环+闭环”控制流程示意图；

图3为一个示例中的CIGRE直流输电标准测试***的直流***模型结构示意；

图4为未使用本发明实施例方案时的交直流***无功交换情况；

图5为仅使用本发明实施例中“开环”部分方案时的交直流***无功交换情况；

图6为使用本发明实施例中“开环+闭环”方案时的交直流***无功交换情况；

图7为本发明实施例二换流站无功功率控制***的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

参见图1所示，为本发明实施例一的换流站无功功率控制方法的实现流程图。如图1所示，本实施例中的换流站无功功率控制方法包括如下步骤：

步骤S101：采集换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值，并获取预设的所述换流站和交流***交换的无功功率期望值；

这里，所述换流站包括整流站、或者逆变站，整流站内设有设有整流器，逆变站内设有逆变器；

这里，所述无功功率期望值是指期望所述换流站与交流***交换的无功功率的大小，可以根据实际需要设定；

具体地，可以实时采集换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值；

步骤S102：对所述总无功功率值和所述无功功率期望值求和得到所述换流站内的换流器消耗的无功功率指令值；

步骤S103：根据所述无功功率指令值以及预设的所述换流站的直流功率指令值获取所述换流站的直流电压指令值；

具体地，可以根据获取直流电压指令值；

其中，U_{dcR_ord}表示所述直流电压指令值，P_{dcR_ord}表示所述直流功率指令值，Q_{dcR_ord}表示所述无功功率指令值，U_dc0R表示所述换流器的理想直流空载电压值，I_{dc_ord}表示直流电流指令值；

步骤S104：根据所述直流电压指令值以及所述直流功率指令值获取所述换流站的直流电流指令值；

具体地，可以根据获取直流电流指令值；

其中，U_{dcR_ord}表示所述直流电压指令值，P_{dcR_ord}表示所述无功功率指令值，I_{dc_ord}表示所述直流电流指令值；

步骤S105：按照所述直流电压指令值和所述直流电流指令值对所述换流站进行控制；

具体地，可以控制所述换流站，以使所述换流站的直流电压与所述直流电压指令值一致，并使所述换流站的直流电流与所述直流电压指令值一致。

据此，依据上述本实施例的方案，其是采集换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值，并获取预设的所述换流站和交流***交换的无功功率期望值，对所述总无功功率值和所述无功功率期望值求和得到所述换流站内的换流器消耗的无功功率指令值，根据所述无功功率指令值以及预设的所述换流站的直流功率指令值获取所述换流站的直流电压指令值，根据所述直流电压指令值以及所述直流功率指令值获取所述换流站的直流电流指令值，按照所述直流电压指令值和所述直流电流指令值对所述换流站进行控制；由于是按照所述直流电压指令值和所述直流电流指令值对所述换流站进行控制，而所述直流电压指令值和所述直流电流指令值是基于实时采集的换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值、以及预设的无功功率期望值、预设的直流功率指令值获得的，可以确保输送有功功率不变的同时实现对换流站与交流***交换无功功率控制的目的，充分发挥换流器动态无功功率调节能力，本实施例方案利用开环控制保证了换流站与交流***交流无功功率的快速控制。

此外，进一步地，还可以包括步骤：以所述无功功率指令值为参考量，所述换流站与交流***实际交换无功功率值为反馈量，经过用比例-积分算法计算所述直流电压指令值的改变量，根据该改变量修正所述直流电压指令值；

具体地，可以根据ΔU_{dcR_ord}＝K_P(Q_{sysR_ord}-Q_sysR)+K_I∫(Q_{sysR_ord}-Q_sysR)获取所述直流电压指令值的改变量；

其中，Q_{sysR_ord}表示所述无功功率指令值，Q_sysR表示所述际交换无功功率值，K_P表示所述比例-积分算法中的比例系数，K_I表示所述比例-积分算法中的积分系数。

本实施例方案中，用反馈对直流电压指令值进行修正，可以达到对换流站与交流***交换的无功功率精确控制。

为了便于理解本发明的方案，以下以整流站为例，对本发明的换流站无功功率控制方法的原理进行阐述。

整流站与交流***交换的无功功率表示为：

Q_sysR＝Q_dcR-Q_fcR(1)

式中，Q_dcR表示整流站内的换流器(具体指整流器)消耗的无功功率；Q_fcR表示整流站内投入的交流滤波器输出的无功功率；Q_sysR-整流站与交流***交换的无功功率。

整流站内的换流器消耗的无功功率Q_dcR可用下式计算：

式中，P_dcR表示整流侧直流输送功率；表示整流站内的换流器的功率因数角。

整流站内的换流器的功率因数为：

式中，U_dcR表示整流站直流电压；U_dc0R表示整流站内的换流器的理想直流空载电压。

整流站的有功功率为：

P_dcR＝U_dcRI_d(4)

式中，U_dcR表示整流站的直流电压，I_d表高压直流输电***的直流电流。

直流电流I_d

$I_d=\frac{U_{dcR}-U_{dcI}}{R_d}---\left(5\right)$

式中，U_dcR表示整流站的直流电压，U_dcI表示逆变站的直流电压，R_d为直流回路线路电阻。

整流站换流器消耗的无功功率Q_dcR可进一步表示为：

其中，表示整流站内的换流器的功率因数角。

若期望整流站与交流***交换的无功功率为Q_{sysR_ord}，通过测量已投入的交流滤波器所提供的总无功功率Q_fcR，调节换流器的无功消耗量Q_dcR即可改变整流站与交流***交换的无功功率，即整流站内的换流器消耗的无功功率指令值为：

Q_{dcR_ord}＝Q_{sysR_ord}+Q_fcR(7)

当给定直流功率指令值为P_{dc_ord}时，直流电压指令值U_{dcR_ord}为

$U_{dcR\_ord}=U_{dc0R}\sqrt{\frac{P_{dcR\_ord}^2}{P_{dcR\_ord}^2+Q_{dcR\_ord}^2}}---\left(8\right)$

直流电流指令值I_{dc_ord}为

$I_{dc\_ord}=\frac{P_{dcR\_ord}}{U_{dcR\_ord}}---\left(9\right)$

高压直流输电***分别按照式(8)和(9)进行控制所述换流站的直流电压、直流电流，就可以实现确保输送有功功率不变的同时实现对整流站与交流***交换无功功率控制的目的，充分发挥换流器动态无功功率调节能力_o

在公式(8)的基础上，以整流站与交流***交换无功功率指令值为参考量，整流站与交流***实际交换无功功率为反馈量，经过用比例-积分(PI)算法可以计算直流电压指令值的改变量：

ΔU_{dcR_ord}＝K_P(Q_{sysR_ord}-Q_sysR)+K_I∫(Q_{sysR_ord}-Q_sysR)(10)

式中，ΔU_{dcR_ord}为直流电压指令值的改变量，其中，该改变量的输出范围为额定直流电压的±5％-±10％；K_P为比例系数；K_I为积分系数。

上述实施例中的方案，可以较佳的应用于高压直流输电***(HVDC)、特高压直流输电***(UHVDC)、背靠背直流输电***(backtobackDCtransmissionsystem))，具有较好的应用前景。一般地，高压直流输电***、特高压直流输电***、背靠背直流输电***也被统称为高压直流输电***。

具体示例

利用PSCAD/EMTDC中的CIGRE直流输电标准测试***的直流***模型，可参见图3所示，对本发明提出方案进行测试，增加本发明提出的公式(8)和(10)，以验证本发明提出的无功控制优化方法。

CIGRE直流输电标准测试***中换流母线各配置三组交流滤波器，在不同的直流功率水平下，需投入不同的交流滤波器组数，以保证交流***的电压稳定性。直流功率水平在300MW以下时，只投入一组双调谐滤波器(250Mvar)；直流功率水平在300MW以上时，多投入一组二阶高通滤波器(250Mvar)；直流功率水平在700MW以上时，再投入一组电容器(125Mvar)。

在未使用本发明提出的换流站无功控制优化方法时，整流侧和逆变侧的交直流***无功交换情况如图4所示。

在仅使用本发明提出的无功控制方法的开环部分时，整流侧和逆变侧交直流***的无功交换情况如图5(a)和图5(b)所示。由图5可知，本发明的无功控制优化方法的效果良好，通过降低直流电压的方式，可以减少换流站与交流***的无功交换量，但并未达到目标值(整流站目标值设置为零)，主要原因是两端交流***均为弱交流***，降低直流电压的同时，交流电压也随之降低，因而出现稳态偏差量，整流侧的偏差量达到30～50Mvar。

图6(a)和图6(b)为分别使用本发明提出具有闭环控制功能的无功功率控制方法后，整流侧和逆变侧交直流***的无功交换情况。由图6可知，使用闭环控制功能的无功控制优化方法可以使换流站与交流***的无功交换量基本为零，达到目标要求，其中，闭环控制环节是输出一个直流电压参考值的微调量，对换流器的无功消耗量进行微调，从而最终实现控制无功交换量的目的。

实施例二

根据上述本发明实施例的换流站无功功率控制方法，本发明实施例还提供一种换流站无功功率控制***。

图7为本发明实施例二的换流站无功功率控制***的组成结构示意图。图7中示出了本发明的换流站无功功率控制***的一个较佳示例的结构示意图。依据不同的考虑因素，在具体实现本发明的换流站无功功率控制***时，可以包含图7中所示的全部，也可以只包含图7中所示的其中一部分。

在其中一个实施例的换流站无功功率控制***，包括图7中的采集模块201、求和模块202、第一处理模块203、第二处理模块204、控制模块205，其中：

采集模块201，用于采集换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值，并获取预设的所述换流站和交流***所交换的无功功率期望值；

求和模块202，用于对所述总无功功率值和所述无功功率期望值求和得到所述换流站内的换流器消耗的无功功率指令值；

第一处理模块203，用于根据所述无功功率指令值以及预设的直流功率指令值获取直流电压指令值；

第二处理模块204，用于根据所述直流电压指令值以及所述直流功率指令值获取直流电流指令值；

控制模块205，用于按照所述直流电压指令值和所述直流电流指令值对所述换流站进行控制。

在其中一个实施例中的换流站无功功率控制***，还可以包括图7中的修正模块206，其中：

修正模块206，用于以所述无功功率指令值为参考量，所述换流站与交流***实际交换无功功率值为反馈量，经过用比例-积分算法计算所述直流电压指令值的改变量，根据该改变量修正所述直流电压指令值。

在其中一个实施例中，第一处理模块203可以根据获取直流电压指令值；第二处理模块204可以根据获取直流电流指令值；

其中，U_{dcR_ord}表示所述直流电压指令值，P_{dcR_ord}表示所述直流功率指令值，Q_{dcR_ord}表示所述无功功率指令值，U_dc0R表示所述换流器的理想直流空载电压值，I_{dc_ord}表示所述直流电流指令值。

在其中一个实施例中，修正模块206根据ΔU_{dcR_ord}＝K_P(Q_{sysR_ord}-Q_sysR)+K_I∫(Q_{sysR_ord}-Q_sysR)获取所述直流电压指令值的改变量；该改变量的输出范围为额定直流电压的±5％-±10％；

其中，Q_{sysR_ord}表示所述无功功率指令值，Q_sysR表示所述际交换无功功率值，K_P表示所述比例-积分算法中的比例系数，K_I表示所述比例-积分算法中的积分系数。

本发明实施例提供的换流站无功功率控制***，需要指出的是：以上对换流站无功功率控制***的描述，与上述换流站无功功率控制方法的描述是类似的，并且具有上述换流站无功功率控制方法的有益效果，为节约篇幅，不再赘述；因此，以上对本发明实施例提供的换流站无功功率控制***中未披露的技术细节，请参照上述提供的换流站无功功率控制方法的描述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种换流站无功功率控制方法，其特征在于，包括：

采集换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值，并获取预设的所述换流站和交流***交换的无功功率期望值；

对所述总无功功率值和所述无功功率期望值求和得到所述换流站内的换流器消耗的无功功率指令值；

根据所述无功功率指令值以及预设的所述换流站的直流功率指令值获取所述换流站的直流电压指令值；

根据所述直流电压指令值以及所述直流功率指令值获取所述换流站的直流电流指令值；

按照所述直流电压指令值和所述直流电流指令值对所述换流站进行控制。

2.根据权利要求1所述的换流站无功功率控制方法，其特征在于，还包括：

以所述无功功率指令值为参考量，所述换流站与交流***实际交换无功功率值为反馈量，经过用比例-积分算法计算所述直流电压指令值的改变量，根据该改变量修正所述直流电压指令值。

3.根据权利要求1所述的换流站无功功率控制方法，其特征在于：

根据获取直流电压指令值；

根据获取直流电流指令值；

其中，U_{dcR_ord}表示所述直流电压指令值，P_{dcR_ord}表示所述直流功率指令值，Q_{dcR_ord}表示所述无功功率指令值，U_dc0R表示所述换流器的理想直流空载电压值，I_{dc_ord}表示所述直流电流指令值。

4.根据权利要求2所述的换流站无功功率控制方法，其特征在于：

根据ΔU_{dcR_ord}＝K_P(Q_{sysR_ord}-Q_sysR)+K_I∫(Q_{sysR_ord}-Q_sysR)获取所述直流电压指令值的改变量；

其中，Q_sysR__ord表示所述换流站和交流***交换无功功率指令值，Q_sysR表示所述换流站和交流***实际交换无功功率值，K_P表示所述比例-积分算法中的比例系数，K_I表示所述比例-积分算法中的积分系数。

5.根据权利要求1所述的换流站无功功率控制方法，其特征在于，将所述换流站无功功率控制方法应用于高压直流输电***、特高压直流输电***、背靠背直流输电***。

6.一种换流站无功功率控制***，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集换流站内投入的交流滤波器所提供的总无功功率值，并获取预设的所述换流站和交流***所交换的无功功率期望值；

求和模块，用于对所述总无功功率值和所述无功功率期望值求和得到所述换流站内的换流器消耗的无功功率指令值；

第一处理模块，用于根据所述无功功率指令值以及预设的直流功率指令值获取直流电压指令值；

第二处理模块，用于根据所述直流电压指令值以及所述直流功率指令值获取直流电流指令值；

控制模块，用于按照所述直流电压指令值和所述直流电流指令值对所述换流站进行控制。

7.根据权利要求6所述的换流站无功功率控制***，其特征在于，还包括：

修正模块，用于以所述无功功率指令值为参考量，所述换流站与交流***实际交换无功功率值为反馈量，经过用比例-积分算法计算所述直流电压指令值的改变量，根据该改变量修正所述直流电压指令值。

8.根据权利要求6所述的换流站无功功率控制***，其特征在于：

所述第一处理模块根据获取直流电压指令值；

所述第二处理模块根据获取直流电流指令值；

其中，U_{dcR_ord}表示所述直流电压指令值，P_{dcR_ord}表示所述直流功率指令值，Q_{dcR_ord}表示所述无功功率指令值，U_dc0R表示所述换流器的理想直流空载电压值，I_{dc_ord}表示所述直流电流指令值。

9.根据权利要求7所述的换流站无功功率控制***，其特征在于：

所述修正模块根据ΔU_{dcR_ord}＝K_P(Q_{sysR_ord}-Q_sysR)+K_I∫(Q_{sysR_ord}-Q_sysR)获取所述直流电压指令值的改变量；该改变量的输出范围为额定直流电压的±5％-±10％；

其中，Q_{sysR_ord}表示所述换流站和交流***交换无功功率指令值，Q_sysR表示所述换流站和交流***实际交换无功功率值，K_P表示所述比例-积分算法中的比例系数，K_I表示所述比例-积分算法中的积分系数。