CN109755953A - 一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法 - Google Patents

一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法。首先，实时监测特高压输电***的运行状态，当传输功率发生较大变化时，将近区交流电网AVC的定时启动转换为事件驱动机制；其次，启动近区交流电网AVC的第三级控制，根据控制目标获得特高压换流站母线的电压目标值；然后，基于换流站母线电压目标值与当前电压实际值，计算所需无功补偿量；最后，计及大型调相机的稳态无功支撑作用，将特高压换流站站域控制与近区交流电网AVC第二级电压控制协同，获得特高压换流站站域滤波器/电容器的投入/退出情况、受端电网各发电机的无功出力优化值以及调相机的稳态无功出力。本发明保证特高压交直流电力***的安全运行。

Description

一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法
技术领域
本发明属于交直流混联电力***的分析与控制领域，特别涉及了一种大型调相机参与的特高压换流站与近区交流电网的稳态电压协同控制策略。
背景技术
特高压换流站需消耗大量的无功功率，为保证特高压直流输电***的安全可靠运行，现有方法一般基于站域控制，即在特高压换流站配置大容量滤波器和电容器组予以无功补偿。
目前新能源的大量集中并网可能导致特高压联络线功率的频繁波动，当功率波动较大时可能引起特高压换流母线的电压波动，电压较低时甚至可能导致换相失败事故。
随着大型调相机在特高压直流的逐步推广使用，需进一步协调特高压站域无功设备、特高压近区交流电网中发电机无功资源以及大型调相机的稳态无功支撑能力，保证特高压交直流输电***的安全可靠运行。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对大型调相机的逐步推广应用，以及特高压联络线功率频繁波动的背景，提出考虑大型调相机参与的特高压交直流输电***的稳态电压协同控制方法，所提方法能充分挖掘近区电网中发电机以及调相机的无功资源，保证特高压交直流输电***的安全可靠运行，本发明所采用的技术方案如下：
一种大型调相机参与的特高压交直流输电***稳态电压协同控制方法，包含如下步骤：
步骤1：实时监测特高压输电***的运行状态，当特高压***运行方式发生较大变化时，即输电功率发生较大波动，超过所设定的阈值时(该阈值由人工通过经验设定)，将近区交流电网AVC(Automatic Voltage Control，自动电压控制)的定时启动机制转换为事件驱动机制，进入事件驱动状态。
步骤2：当AVC处于事件驱动状态时，启动AVC第三级电压控制，根据其对应控制目标求解，获得直流落点换流站母线的电压目标值。
步骤3：基于换流站母线电压目标值与当前电压实际值，以及无功-电压灵敏度结果，计算所需的无功补偿量。
步骤4：根据计算得到的无功补偿量，计及大型调相机的稳态无功支撑作用下，将特高压换流站站域控制与近区交流电网AVC控制进行协同，获得特高压换流站站域滤波器/电容器的投入/退出量、受端电网各发电机的无功出力优化值以及调相机的稳态无功出力。
在步骤(1)中所述的事件驱动机制，即在常规AVC定时启动的基础上，当检测到特高压直流输电运行方式发生较大变化时，改变为紧急状态下的事件驱动。
在步骤(2)中所述的AVC第三级电压控制，其全局无功优化的目标为：
minf＝PLoss
约束条件为：
式中，f为目标函数，PLoss表示全网的网损；PGi和QGi分别表示第i个节点发电机有功功率及无功功率的注入量；PLi和QLi分别表示第i个节点的有功负荷和无功负荷；Bi和Ti分别为第i个节点的无功补偿量及变比，Ui表示第i个节点的电压幅值；QGimin表示第i个节点发电机的无功功率的注入量的最小值，QGimax表示第i个节点发电机的无功功率的注入量最大值，Uimin表示第i个节点电压幅值的最小值，Uimax表示第i个节点电压幅值的最大值，Bimin表示第i个节点的无功补偿量的最小值，Bimax表示第i个节点的无功补偿量的最大值，Timin表示第i个节点变比的最小值，Timax表示第i个节点变比的最大值；U,θ,B和T分别表示电压幅值、电压相位、无功补偿量和变比的向量；SN为所有节点的集合；SG为无功电源的集合；Sc为无功补偿节点集合；ST为可调变比集合，Pij、Qij分别为节点i和节点j所连支路的有功功率和无功功率。
根据上述目标函数及约束条件，求得换流站域交流母线电压的最优设定值并将其作为目标值下达给特高压交直流电力***的协调控制。
在步骤(3)所述的基于电压目标值与当前电压实际值，以及无功-电压灵敏度结果，计算所需的无功补偿量，具体为：
根据灵敏度计算法可得所需的无功功率补偿量其中，S为直流落点无功电压灵敏度，Usation为直流落点的实际电压，ΔQ为将直流落点的电压Usation调整至最优设定值所需要的无功补偿。
在步骤(4)中所述的计及大型调相机的稳态无功支撑作用下，将特高压换流站站域控制与近区交流电网AVC的第二级电压控制协同，获得特高压换流站站域滤波器/电容器的投入/退出情况、受端电网各发电机的无功出力优化值以及调相机的稳态无功出力。具体过程如下：
(a)换流站离散无功设备优化
根据上述求取的无功补偿量ΔQ，首先利用特高压换流站站域的滤波器/电容器等离散无功控制设备进行调整，目标是特高压直流与近区交流电网交换的无功功率达到最小。控制策略为：
当ΔQ＞0时，说明要增加无功补偿。设滤波器/电容器的控制带宽为Qband；如果ΔQ＞Qband且还有可投入的无功设备时，投入一组滤波器/电容器；如果ΔQ＞Qband但无功设备已达到最大时，则不控制。
当ΔQ＜0，说明要减少无功补偿。当|ΔQ|＞Qband且无功设备的投入未达到最小要求时，切除一组滤波器/电容器；如果|ΔQ|＞Qband但无功设备的投入已达到最小要求时，则不控制。
(b)AVC第三级电压控制重新优化
上述换流站无功设备优化后，***的运行状态发生了变化，重新计算潮流获得换流站的母线电压实际值在此基础上重新进行AVC的第三级电压控制，据此获得特高压换流站交流母线电压更新的最优设定值并将其作为目标值下达给AVC的第二级电压控制。
(c)计及大型调相机稳态无功支撑的近区交流电网AVC第二级电压控制
在现有AVC三级电压控制目标的基础上，加入调相机的稳态无功支持。第二级电压控制目标为：
且满足如下约束：
式中，ΔQG为发电机的无功出力调节量；Qt为调相机的无功出力；Ustation.max、Ustation.min和ΔUstation.max分别表示特高压直流落点母线的电压上限、电压下限以及单步最大调整量；Wp和Wq分别为权重系数，α和Ct分别为电压增益和调相机增益；Sg和St分别为各发电机节点及调相机节点的无功电压灵敏度系数。
根据上述特高压交直流电力***的无功电压协调控制策略，可获得特高压换流站站域的滤波器/电容器调节量、受端电网各发电机的无功出力优化值以及调相机的稳态无功出力。
有益效果：与现有技术比，本发明提出的大型调相机参与的特高压交直流电力***的稳态电压协同控制新策略，除基于特高压站域的无功设备外，还可充分利用特高压近区的无功资源，以及大型调相机的稳态无功支撑能力，保证特高压交直流电力***的安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本实施例CEPRI-36节点***图；
图3为特高压换流站站域的无功设备投切仿真图；
图4为本发明与不考虑协调控制下近区电网发电机的无功裕度对比图；
图5为本发明与不考虑协调控制下的***网损对比图；
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法，如图1-5所示，包括以下步骤：
步骤1：实时监测特高压输电***的运行状态，当特高压***运行方式发生较大变化时，即输电功率发生较大波动，超过所设定的阈值时(该阈值由人工通过经验设定)将近区交流电网AVC的定时启动机制转换为事件驱动机制。
本发明的实施例是以图2所示的CEPRI-36节点***为例，直流输电位于BUS33和BUS34节点之间，直流线路双极运行，直流输电的额定有功功率为500MW，额定有功功率下消耗的无功功率约250Mvar。将直流落点近区交流电网(即区域2)作为AVC调度中心，将区域1与区域3看作对区域2以外电网的等值；在对区域2进行无功优化时，能控制无功功率的发电机节点为区域2内的发电机节点，即BUS4、BUS5、BUS6和BUS53。设一组交流滤波器的无功补偿容量Qc＝25Mvar，则直流线路无功补偿差额的最大值Qlackmax＝+Qc，无功补偿差额的最小值Qlackmin＝-Qc，控制带宽取Qband＝30Mvar，最小滤波器投入为2组，即50Mvar。
如图2所示，实时监测特高压输电线路BUS33-BUS34上的功率，当功率发生较大波动时，将近区交流电网AVC的定时启动机制转换为事件驱动机制。
步骤2：当AVC处于事件驱动状态时，启动AVC第三级电压控制。其第三级电压控制的全局无功优化目标为：
minf＝PLoss
约束条件为：
式中，f为目标函数，PLoss表示全网的网损；PGi和QGi分别表示第i个节点发电机有功功率及无功功率的注入量；PLi和QLi分别表示第i个节点的有功负荷和无功负荷；Bi和Ti分别为无功补偿量及变比,Ui表示第i个节点的电压幅值；下标i表示第i个节点，QGimin、QGimax分别表示第i个节点发电机的无功功率的注入量的最小值和最大值，Uimin、Uimax分别表示第i个节点电压幅值的最小值和最大值，Bimin、Bimax分别表示第i个节点的无功补偿量的最小值和最大值，Timin、Timax分别表示第i个节点变比的最小值和最大值；U,θ,B和T分别表示电压幅值、电压相位、无功补偿量和变比的向量；SN为所有节点的集合；SG为无功电源的集合；Sc为无功补偿节点集合；ST为可调变比集合；Pij、Qij分别为节点i和节点j所连支路的有功功率和无功功率。
根据上述目标函数及约束条件，获得换流站域交流母线电压的最优设定值并将其作为目标值下达给特高压交直流电力***的协调控制。
步骤3：基于换流站母线电压目标值与当前电压实际值，以及无功-电压灵敏度结果，计算所需的无功补偿量。具体为：根据灵敏度计算方法可得所需的无功功率补偿量其中，S为直流落点无功电压灵敏度，Usation为直流落点的实际电压，ΔQ为将直流落点的电压Usation调整至最优设定值所需要的无功补偿。
步骤4：计及大型调相机的稳态无功支撑作用下，将特高压换流站站域控制与近区交流电网AVC控制进行协同，获得特高压换流站站域滤波器/电容器的投入/退出量、受端电网各发电机的无功出力优化值以及调相机的稳态无功出力。
具体过程如下：
(a)换流站离散无功设备优化
根据上述求取的无功补偿量ΔQ，首先利用特高压换流站站域的滤波器/电容器等离散无功控制设备进行调整，目标是特高压直流与近区交流电网交换的无功功率达到最小。控制策略为：
当ΔQ＞0时，说明要增加无功补偿。设滤波器/电容器的控制带宽为Qband；如果ΔQ＞Qband且还有可投入的无功设备时，投入一组滤波器/电容器；如果ΔQ＞Qband但无功设备已达到最大时，则不控制。
当ΔQ＜0，说明要减少无功补偿。当|ΔQ|＞Qband且无功设备的投入未达到最小要求时，切除一组滤波器/电容器；如果|ΔQ|＞Qband但无功设备的投入已达到最小要求时，则不控制。
(b)AVC第三级电压控制重新优化
上述换流站离散无功设备优化后，***的运行状态发生了变化，重新计算潮流获得换流站的母线电压实际值在此基础上重新进行AVC的第三级电压控制，据此获得特高压换流站交流母线电压更新的最优设定值并将其作为目标值下达给AVC的第二级电压控制。
(c)计及大型调相机稳态无功支撑的近区交流电网AVC第二级电压控制
在现有AVC三级电压控制目标的基础上，加入调相机的稳态无功支持。第二级电压控制目标为：
且满足如下约束：
式中，ΔQG为发电机的无功出力调节量；Qt为调相机的无功出力；Ustation.max、Ustation.min和ΔUstation.max分别表示特高压直流落点母线的电压上限、电压下限以及单步最大调整量；Wp和Wq分别为权重系数，α和Ct分别为电压增益和调相机增益；Sg和St分别为各发电机节点及调相机节点的无功电压灵敏度系数。
根据上述特高压交直流电力***的无功电压协调控制策略，可获得特高压换流站站域的滤波器/电容器调节量(见图3)、近区电网各发电机的无功出力优化值以及调相机的稳态无功出力。
根据近区电网各发电机的无功出力优化值，计算近区电网发电机的无功裕度平方和以及全网网损。无功裕度平方和的计算式为
其中，QGi.min和QGi.max分别为第i个节点发电机的无功功率的注入量的最小值和最大值，Gi表示第i个节点的发电机。将本发明结果与不考虑大型调相机作用下的控制结果进行对比，分别见图4和图5。从图4和图5结果可以看出：本发明考虑大型调相机参与下的无功裕度更大，网损更小，说明了本发明的优越性。
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。

Claims (8)

1.一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1：实时监测特高压输电***的运行状态，当特高压输电***的输电功率波动超过阈值时，将近区交流电网AVC的定时启动机制转换为事件驱动机制，即进入事件驱动状态；
步骤2：当AVC处于事件驱动状态时，启动AVC第三级电压控制，根据其对应控制目标求解，获得直流落点换流站母线的电压目标值；
步骤3：基于换流站母线电压目标值与当前电压实际值，以及无功-电压灵敏度结果，计算所需的无功补偿量；
步骤4：根据得到的无功补偿量，计及大型调相机的稳态无功支撑作用，将特高压换流站站域控制与近区交流电网AVC控制进行协同，获得特高压换流站站域滤波器/电容器的投入/退出量、受端电网各发电机的无功出力优化值以及调相机的稳态无功出力。
2.根据权利要求1所述的一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法，其特征在于：在步骤(1)中所述的事件驱动机制，即在常规AVC定时启动的基础上，当检测到特高压输电***的输电功率波动超过阈值时，改变为紧急状态下的事件驱动。
3.根据权利要求1所述的一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法，其特征在于：在步骤(2)中所述的AVC第三级电压控制，其对应的控制目标为：
minf＝PLoss
约束条件为：
式中，f为目标函数，PLoss表示全网的网损；PGi和QGi分别表示第i个节点发电机的有功功率及无功功率的注入量；PLi和QLi分别表示第i个节点的有功负荷和无功负荷；Bi和Ti分别为第i个节点的无功补偿量及变比，Ui表示第i个节点的电压幅值；QGimin表示第i个节点发电机的无功功率的注入量的最小值，QGimax表示第i个节点发电机的无功功率的注入量最大值，Uimin、Uimax分别表示第i个节点电压幅值的最小值和最大值，Bimin、Bimax分别表示第i个节点的无功补偿量的最小值和最大值，Timin、Timax分别表示第i个节点变比的最小值和最大值；U,θ,B和T分别表示电压幅值、电压相位、无功补偿量和变比的向量；SN为所有节点的集合；SG为无功电源的节点集合；Sc为无功补偿节点集合；ST为可调变比集合；Pij、Qij分别为节点i和节点j所连支路的有功功率和无功功率；
根据上述目标函数及约束条件，求得换流站域交流母线电压的最优设定值并将其作为目标值下达给AVC的第二级电压控制。
4.根据权利要求1所述的一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法，其特征在于：在步骤(3)所述的基于电压目标值与当前电压实际值，以及无功-电压灵敏度结果，计算所需的无功补偿量具体为：
根据灵敏度计算法可得所需的无功功率补偿量其中，S为直流落点无功电压灵敏度，Usation为直流落点的实际电压，ΔQ为将直流落点的电压Usation调整至最优设定值所需要的无功补偿。
5.根据权利要求1所述的一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法，其特征在于：在步骤(4)中所述根据得到的无功补偿量，计及大型调相机的稳态无功支撑作用，将特高压换流站站域控制与近区交流电网AVC的第二级电压控制协同，获得特高压换流站站域滤波器/电容器的投入/退出情况、受端电网各发电机的无功出力优化值以及调相机的稳态无功出力包括：
a)优化换流站的离散无功设备；
b)AVC第三级电压控制重新优化；
c)计及大型调相机稳态无功支撑的近区交流电网AVC第二级电压控制；
6.根据权利要求5所述的一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法，其特征在于，所述步骤a)优化换流站离散无功设备具体为：
根据求取的无功补偿量ΔQ，利用特高压换流站站域的离散无功控制设备进行调整，使得特高压直流与近区交流电网交换的无功功率达到最小，控制策略为：
当ΔQ＞0时，说明要增加无功补偿，设滤波器/电容器的控制带宽为Qband；如果ΔQ＞Qband且还有可投入的无功设备时，投入一组滤波器/电容器；如果ΔQ＞Qband但无功设备已达到最大时，则不控制；
当ΔQ＜0，说明要减少无功补偿，当|ΔQ|＞Qband且无功设备的投入未达到最小要求时，切除一组滤波器/电容器；如果|ΔQ|＞Qband但无功设备的投入已达到最小要求时，则不控制。
7.根据权利要求6所述的一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法，其特征在于，所述b)AVC第三级电压控制重新优化具体为：
在换流站离散无功设备优化后，***的运行状态发生了变化，重新计算潮流获得换流站的母线电压实际值在此基础上重新进行AVC的第三级电压控制，据此获得特高压换流站交流母线电压更新的最优设定值并将其作为目标值下达给AVC的第二级电压控制。
8.根据权利要求7所述的一种调相机参与的交直流输电***稳态电压协同控制方法，其特征在于，所述c)计及大型调相机稳态无功支撑的近区交流电网AVC第二级电压控制具体为：
在现有AVC三级电压控制目标的基础上，加入调相机的稳态无功支持，第二级电压控制目标为：
且满足如下约束：
式中，ΔQG为发电机的无功出力调节量；Qt为调相机的无功出力；Ustation.max、Ustation.min和ΔUstation.max分别表示特高压直流落点母线的电压上限、电压下限以及单步最大调整量，QGimin表示第i个节点发电机无功功率注入量的最小值，QGimax表示第i个节点发电机无功功率注入量的最大值；Wp和Wq分别为权重系数，α和Ct分别为电压增益和调相机增益；Sg和St分别为各发电机节点及调相机节点的无功电压灵敏度系数。
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