一种换流站与交流电网最优无功功率交换量确定方法与流程

1.本发明属于输电优化技术领域，尤其涉及一种换流站与交流电网最优无功功率交换量确定方法。


背景技术：

2.高压直流输电中，实现交直流转换的换流器由于拓扑结构不断发生改变而成为交流系统的非线性负载，无论是整流还是逆变运行，换流器都要消耗大量的无功功率。即对于交流系统而言，直流输电系统是一个无功负荷。额定功率下，通常整流站需要消耗的无功功率占直流输送功率40％～50％，逆变站需要消耗的无功功率巨大，约占50％～60％。为了维持交、直流系统的电压安全，必须要采用合理的换流站无功补偿和电压控制策略，从电网的角度看，换流站的无功调节和控制特性要与全网的无功电压要求相协调；从换流站本身看，无功补偿与平衡要有自己的技术要求，与直流系统的其他技术问题也要协调。
3.配置在换流站交流母线处的交流滤波器不仅能够滤除谐波、提高电能质量，还能够为换流站的正常运行提供大量无功功率。运行人员应根据调度命令投入交流滤波器，通过在不同工况下选择合适的交流滤波器投入数量来维持交、直流系统的安全稳定运行。
4.目前，换流站动态无功控制仅考虑与系统无功交换量为零，未考虑与换流站近区交流电网的无功补偿资源的配合关系。在实际运行过程中能够将换流站内的无功补偿装置与换流站近区的无功补偿装置相互配合，则能通过泛在无功控制措施的调节，在不同功率传输水平下确定换流站内交流滤波器的投入数量及交直流系统之间合适的无功功率交换量，能够增大换流站内交流滤波器的冗余度并优化换流站交流母线电压水平，保证发生扰动时高压直流系统安全稳定运行。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明基于交替求解法进行交直流互联电力系统潮流计算的思想，提出了一种交直流系统解耦后分别求解交流系统注入换流站无功功率对换流站交流母线电压的变化曲线后，分析确定不同控制目标下换流站最优交流滤波器投入组数和交直流系统最优无功功率交换量的方法。
6.本发明所依据的原理及推导过程：
7.交直流混联输电系统是由直流系统和交流系统组成，两个系统之间一般是由换流站来连接。交流部分主要包括动力部分、交流线路、变压器、负荷等，直流部分主要包括换流器、直流线路、平波电抗器、变压器、交流滤波器及投切电容器等，稳态工况下hvdc的特性方程可表示为：
[0008][0009]
式中，v
acr
和v
aci
分别为整流侧和逆变侧交流母线电压幅值；v
dr
和v
di
分别为整流器和逆变器的直流电压；id为直流线路电流；α和γ分别为整流器的超前触发角和逆变器的熄弧角；nr和ni分别为整流侧和逆变侧换流变压器变比；x
cr
和x
ci
分别为整流侧和逆变侧单桥换相电抗；rd为直流线路电阻；和分别为整流器和逆变器的功率因数角。
[0010]
利用上式中引入的5个新变量v
dr
，v
di
，id，和hvdc稳态运行中其它物理量可计算为
[0011][0012]
式中，p
dcr
和q
dcr
分别为整流器吸收的有功和无功功率；p
dci
和q
dci
分别为逆变器注入交流电网的有功功率和从交流电网吸收的无功功率。θ
vr
和θ
vi
分别为整流侧和逆变侧交流母线电压相角；i
acr
和θ
ir
分别为整流侧换流变压器电流幅值和相角；i
aci
和θ
ii
分别为逆变侧换流变压器电流幅值和相角。
[0013]
直流控制系统能够在保持直流线路稳定运行的同时将直流功率、电压、电流以及换流器触发角等被控制量保持在限定的安全范围内。为了实现所要求的控制，分别在整流站和逆变站各配置了多种基本控制装置。整流站包含定电流或定功率控制(cc/cp)、最小触发角α
min
限制(cia)和低压限流控制(vdcol)等；逆变站包含定熄弧角控制(cea)、定电压控制(cv)、最大触发角限制以及低压限流控制等。一般地，在正常运行时，整流侧按定功率或定直流电流控制，逆变侧按定熄弧角或定直流电压控制。直流传输功率和运行状态取决于控制方式和换流母线电压，以常用的定功率-定熄弧角控制方式为例，则直流稳态运行特性
满足：
[0014][0015]
式中，p
order
和γ
order
分别为整流、逆变侧的控制量整定值。
[0016]
同时，在稳态情况下，以逆变站为例，并联在换流站交流母线上的交流滤波器输出的无功功率可由逆变站的交流母线电压与交流滤波器投入组数表示，因此由交流电网注入换流站的无功功率可表示为：
[0017][0018]qex
＝q
dci-q
filt
[0019]
式中，q
filt
和q
filtn
为交流滤波器吸收的无功功率和额定容量；n为交流滤波器投运组数；u
acin
为逆变站交流母线的额定电压；q
ex
由交流电网注入换流站的无功功率。
[0020]
由稳态情况下hvdc系统的特性方程可知，交流系统对直流系统的作用仅仅通过换流变压器一次侧电压v
acr
和v
aci
产生。也就是说，如果hvdc系统中所有换流器所对应的交流电压已知，则直流系统的方程式中共有5个方程，包含5个待求量：v
dr
,v
di
,id,和另外，结合直流系统的控制方程式，可以通过单独求解直流系统方程而获得这5个直流变量。
[0021]
因此，若已知直流系统的参数及控制方式，此时由交流电网注入逆变站的无功功率可由及逆变站交流母线电压唯一确定，用紧凑形式可表示为：
[0022]
f(q
ex
,v
ac
)＝0
[0023]
从换流器交流母线对应的功率方程可知，直流系统对交流系统的作用通过换流站从交流系统抽出功率p
ex
jq
ex
产生。因此，如果每个换流器从交流系统抽出或注入的功率已知，则交流系统每个节点的电压则可直接、独立求解而与直流系统无关，解耦前后的交直流混联系统图由图1所示。
[0024]
上述交流系统和直流系统之间的解耦处理的思路，这也正是基于交替求解法进行交直流互联电力系统潮流计算的基础。通过对于交流系统和直流系统解耦分析，分别作出不同交流滤波器投入组数情况下从换流站交流母线向直流和交流系统看去的q-v变化曲线，既可以清晰的根据得到的得到的交流系统与直流系统q-v变化曲线的交点情况，来确定不同目标下换流站需要投运交流滤波器数量和交直流系统之间最优的无功功率交换量。
[0025]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0026]
一种换流站与交流电网最优无功功率交换量确定方法，包括以下步骤：
[0027]
步骤1：对于解耦后的交流系统，当交流电网向换流站注入不同水平的无功功率q
dci
时，通过潮流计算得到换流站交流母线电压v
aci
，从而得到从换流站交流母线向交流系统看进去时系统的q-v变化曲线；
[0028]
步骤2：换流站投运绝对最小数量的交流滤波器，在换流站交流母线电压允许范围上，选取若干个电压值v
aci
，根据hvdc的特性方程，求解直流系统的5个待求量：整流器的直流电压v
dr
，逆变器的直流电压v
di
，直流线路电流id，整流器的功率因数角和逆变器的功率因数角进而结合换流器的控制特性方程，计算逆变器正常运行时吸收的无功功率q
dci
；同时根据选取的电压值以及此时投运的交流滤波器组数以及交流滤波器的额定容量
计算此时交流滤波器输出的无功功率值q
filt
，继而计算出此时交流电网注入换流站的无功功率值q
ex
；将多个交流电压-无功交换量数据对直接连线或进行插值，得到从换流站交流母线向直流系统看进去时系统的q-v变化曲线；
[0029]
步骤3：在换流站增加投入一组交流滤波器，然后重复步骤2，直至投运全部交流滤波器，从而得到一组q-v变化曲线q
ex,ac,min
，
…
，q
ex,ac,n
，
…
，q
ex,ac,max
；
[0030]
步骤4：根据步骤1得到的交流系统q-v变化曲线和根据步骤3得到的直流系统q-v变化曲线的交点情况，来确定换流站需要投运交流滤波器数量和交直流系统之间最优的无功功率交换量。
[0031]
进一步地，步骤2中，根据hvdc的特性方程求解v
dr
，v
di
，id，和的公式为：
[0032][0033]
式中，v
acr
和v
aci
分别为整流侧和逆变侧交流母线电压幅值；α和γ分别为整流器的超前触发角和逆变器的熄弧角；nr和ni分别为整流侧和逆变侧换流变压器变比；x
cr
和x
ci
分别为整流侧和逆变侧单桥换相电抗；rd为直流线路电阻。
[0034]
进一步地，步骤2中，结合换流器的控制特性方程，计算逆变器正常运行时吸收的无功功率q
dci
的公式为：
[0035][0036]
式中，p
dci
为逆变器注入交流电网的有功功率。
[0037]
进一步地，步骤2中，交流滤波器输出的无功功率值q
filt
和交流电网注入换流站的无功功率值q
ex
计算公式为：
[0038][0039]qex
＝q
dci-q
filt
[0040]
式中，q
filtn
为交流滤波器的额定容量；n为交流滤波器投运组数；u
aci
和u
acin
分别为逆变站交流母线的电压和额定电压。
[0041]
进一步地，步骤4中，若选择控制换流站交流母线电压在额定值附近为控制目标，则选择换流站交流母线电压为额定值附近的交点，其对应的无功功率值即为交直流系统之间最优的无功功率交换量，对应投入的交流滤波器组数即为最优组数。
[0042]
本发明的有益效果如下：
[0043]
本发明基于交替求解法进行交直流互联电力系统潮流计算的思想，提出了一种交直流系统解耦后分别求解交流系统注入换流站无功功率对换流站交流母线电压的变化曲线后，分析确定换流站最优交流滤波器投入组数和交直流系统最优无功功率交换量的方法。
[0044]
本发明由于减少了交直流系统耦合计算过程，分别计算计算从换流站交流母线向直流系统看进去时系统的q-v变化曲线，计算快速简便，且在计算得到的q-v变化曲线中可以直观的看到不同的交流滤波器投入组数情况下，换流站交流母线电压及由交流电网注入换流站的无功功率水平，可清晰的根据不同的控制目标确定交流滤波器的最优投入组数及所需交流系统提供的无功功率。
[0045]
本发明提供的计算结果可以作为一种合适的方法来研究换流站在不同输送功率水平下最小滤波器与绝对最小滤波器组交流容量下的冗余度，同时研究在不同输送功率水平下换流站与交流系统之间的最优无功交换量。
附图说明
[0046]
图1是介绍本发明原理时的交直流混联系统(以逆变站为例)解耦前后结构示意图；
[0047]
图2是绍本发明原理时的最优无功功率交换量确定方法示意图；
[0048]
图3是本发明实例直流系统采用整流侧定功率、逆变侧定熄弧角控制方式下单级传输1600mw(0.2pn)有功功率时的q-v曲线；
[0049]
图4是本发明实例直流系统采用整流侧定功率、逆变侧定熄弧角控制方式下单级传输3200mw(0.4pn)有功功率时的q-v曲线。
[0050]
图5是本发明实例直流系统采用整流侧定功率、逆变侧定熄弧角控制方式下双级传输4800mw(0.6pn)有功功率时的q-v曲线。
[0051]
图6是本发明实例直流系统采用整流侧定功率、逆变侧定熄弧角控制方式下双级传输6800mw(0.8pn)有功功率时的q-v曲线。
[0052]
图7是本发明实例直流系统采用整流侧定功率、逆变侧定熄弧角控制方式下双级传输8000mw(pn)有功功率时的q-v曲线。
[0053]
图8是本发明实例直流系统采用整流侧定直流电流、逆变侧定直流电压控制方式下单级传输1600mw(0.2pn)有功功率时的q-v曲线；
[0054]
图9是本发明实例直流系统采用整流侧定直流电流、逆变侧定直流电圧控制方式下单级传输3200mw(0.4pn)有功功率时的q-v曲线；
[0055]
图10是本发明实例直流系统采用整流侧定直流电流、逆变侧定直流电圧控制方式下双级传输4800mw(0.6pn)有功功率时的q-v曲线；
[0056]
图11是本发明实例直流系统采用整流侧定直流电流、逆变侧定直流电圧控制方式下双级传输6800mw(0.8pn)有功功率时的q-v曲线；
[0057]
图12是本发明实例直流系统采用整流侧定直流电流、逆变侧定直流电圧控制方式下双级传输8000mw(pn)有功功率时的q-v曲线。
具体实施方式
[0058]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
一种换流站与交流电网最优无功功率交换量确定方法，包括以下步骤：
[0060]
步骤1：对于解耦后的交流系统，当交流电网向换流站注入不同水平的无功功率q
dci
时，通过潮流计算得到换流站交流母线电压v
aci
，从而得到从换流站交流母线向交流系统看进去时系统的q-v变化曲线，如图2中的q
ex,ac
所示。
[0061]
步骤2：换流站投运绝对最小数量的交流滤波器，在换流站交流母线电压允许范围上，如[0.95,1.05]p.u.，选取若干个电压值v
aci
，根据hvdc的特性方程，求解直流系统的5个待求量：整流器的直流电压v
dr
，逆变器的直流电压v
di
，直流线路电流id，整流器的功率因数角和逆变器的功率因数角进而结合换流器的控制特性方程，计算逆变器正常运行时吸收的无功功率q
dci
；同时根据选取的电压值以及此时投运的交流滤波器组数以及交流滤波器的额定容量计算此时交流滤波器输出的无功功率值q
filt
，继而计算出此时交流电网注入换流站的无功功率值q
ex
；将多个交流电压-无功交换量数据对直接连线或进行插值，得到从换流站交流母线向直流系统看进去时系统的q-v变化曲线。当投运n组交流滤波器时，得到的直流系统的q-v变化曲线如图2中的q
ex,ac,n
所示。
[0062]
步骤3：在换流站增加投入一组交流滤波器，然后重复步骤2，直至投运全部交流滤波器，从而得到一组q-v变化曲线q
ex,ac,min
，
…
，q
ex,ac,n
，
…
，q
ex,ac,max
，如图2所示。
[0063]
步骤4：根据步骤1得到的交流系统q-v变化曲线和根据步骤3得到的直流系统q-v变化曲线的交点情况，来确定换流站需要投运交流滤波器数量和交直流系统之间最优的无功功率交换量。若选择控制换流站交流母线电压在额定值附近为控制目标，则选择换流站交流母线电压为额定值附近的交点，其对应的无功功率值即为交直流系统之间最优的无功功率交换量，对应投入的交流滤波器组数即为最优组数。
[0064]
具体地，步骤2中，根据hvdc的特性方程求解v
dr
，v
di
，id，和的公式为：
[0065][0066]
式中，v
acr
和v
aci
分别为整流侧和逆变侧交流母线电压幅值；α和γ分别为整流器的
超前触发角和逆变器的熄弧角；nr和ni分别为整流侧和逆变侧换流变压器变比；x
cr
和x
ci
分别为整流侧和逆变侧单桥换相电抗；rd为直流线路电阻。
[0067]
结合换流器的控制特性方程，计算逆变器正常运行时吸收的无功功率q
dci
的公式为：
[0068][0069]
式中，p
dci
为逆变器注入交流电网的有功功率。
[0070]
交流滤波器输出的无功功率值q
filt
和交流电网注入换流站的无功功率值q
ex
计算公式为：
[0071][0072]qex
＝q
dci-q
filt
[0073]
式中，q
filtn
为交流滤波器的额定容量；n为交流滤波器投运组数；u
aci
和u
acin
分别为逆变站交流母线的电压和额定电压。
[0074]
实施案例
[0075]
天山～中州
±
800kv直流输电工程是国家实施“疆电外送”战略的第一个特高压直流输电工程，也是西北地区大型火电、风电基地电力打捆送出的首个特高压工程。工程西起新疆维吾尔自治区哈密天山换流站，东至河南省郑州中州换流站，额定电压
±
800kv，额定直流电流5ka，额定输送功率8000mw。
[0076]
特高压中州换流站为双极运行，每极由两组十二脉动换流器串联而成。交流滤波器分为wa.z1、wa.z2、wa.z3、wa.z4共4个大组19个小组，包括交流滤波器10小组，并联电容器9小组，每组提供260mvar无功，共4940mvar，大组设置独立的滤波器母线，小组可单独投退。为保证哈郑直流工程的安全稳定运行，交流滤波器投切必须考虑投切后交流过电压限制、绝对滤波器最小组数、交流母线电压限制、无功限制等要求。
[0077]
河南电网步入到省级特高压交直流混联区域电网的格局下，电网电压安全形势面临新的挑战。目前，换流站动态无功控制仅考虑与系统无功交换量为零，未考虑与换流站近区交流电网的无功补偿资源的配合关系。若在实际运行过程中能够将换流站内的无功补偿装置与换流站近区的无功补偿装置相互配合，则能通过泛在无功控制措施的调节，在不同功率传输水平下确定换流站内交流滤波器的投入数量及交直流系统之间合适的无功功率交换量，能够增大换流站内交流滤波器的冗余度并优化换流站交流母线电压水平，保证发生扰动时高压直流系统安全稳定运行。
[0078]
本发明的验证实例以天山～中州
±
800kv直流输电工程为背景，采用中州换流站及河南电网实际模型实施本发明提出的方法，实例通过本发明提出的方法给出了当天山～中州
±
800kv直流输电工程分别采用整流侧定功率、逆变侧定熄弧角控制和整流侧定直流电流、逆变侧定直流电压控制两种常用的控制方式时不同的有功功率传输水平下三种控制目标下中州换流站内交流滤波器的最优投入数量及交直流系统之间的最优无功功率交换量。
[0079]
在利用本发明提出的方法确定直流系统分别采用两种常用的控制方式时中州换
流站内交流滤波器的最优投入数量及交直流系统之间的最优无功功率交换量，具体应包括以下步骤：
[0080]
步骤1：对于解耦后的河南电网交流系统，当河南交流电网向中州换流站注入不同水平的无功功率q
ex
时，通过潮流计算得到换流站交流母线电压v
aci
，本实例中潮流计算采用牛顿-拉夫逊法潮流计算，从而得到从换流站交流母线向交流系统看进去时系统的q-v变化曲线。
[0081]
步骤2：中州换流站投运满足最小滤波容量的3组交流滤波器，在换流站交流母线电压允许范围上，本实例中为[0.95,1.05]p.u.，选取若干个电压值v
aci
，同时分别结合整流侧定功率、逆变侧定熄弧角控制以及整流侧定直流电流控制、逆变侧定直流电压控制方式时的直流控制方程，求解直流系统的5个待求量：v
dr
,v
di
,id,φr和φi，结合直流系统的控制特性方程计算逆变器正常运行时吸收的无功功率q
dci
。同时根据选取的电压值以及此时投运的交流滤波器组数以及交流滤波器的额定容量可以计算此时交流滤波器输出的无功功率值，继而计算出此时交流电网注入换流站的无功功率值q
ex
。将多个交流电压-无功交换量数据对直接连线或进行插值，得到从换流站交流母线向直流系统看进去时系统的q-v变化曲线。
[0082]
步骤3：在中州换流站增加投入一组交流滤波器，然后重复步骤2，直至投运全部19组交流滤波器，从而得到一族q-v变化曲线q
ex,ac,min
，
…
，q
ex,ac,n
，
…
，q
ex,ac,max
。
[0083]
步骤4：根据步骤1得到的河南电网交流系统q-v变化曲线和根据步骤3得到的中州换流站q-v变化曲线的交点情况，来确定中州换流站需要投运交流滤波器数量和交直流系统之间最优的无功功率交换量。若选择控制换流站交流母线电压在额定值附近为控制目标，则选择换流站交流母线电压为额定值附近的交点，其对应的无功功率值即为交直流系统之间最优的无功功率交换量，对应投入的交流滤波器组数即为最优组数。
[0084]
图3～图7分别表示了天中直流输电工程采用整流侧定功率、逆变侧定熄弧角控制方式时，直流传输功率从单极1600mw(0.2pn)上升至双极8000mw(pn)过程中，不同功率水平下利用本方法步骤1作出的河南电网交流系统q-v变化曲线和根据步骤2及步骤3得到的中州换流站q-v变化曲线。图8～图12分别表示了天中直流输电工程采用整流侧定直流功率、逆变侧定直流电压控制方式时，直流传输功率从单极1600mw(0.2pn)上升至双极8000mw(pn)过程中，不同功率水平下利用本方法步骤1作出的河南电网交流系统q-v变化曲线和根据步骤2及步骤3得到的中州换流站q-v变化曲线。
[0085]
根据步骤1得到的河南电网交流系统q-v变化曲线和根据步骤3得到的中州换流站q-v变化曲线的交点情况，来确定中州换流站需要投运交流滤波器数量和交直流系统之间最优的无功功率交换量。本实例分析中分别对按照如下三种交流滤波器投切目标：(1)换流站交流母线电压在额定值附近；(2)交流电网与换流站之间的无功功率交换量在0mvar附近；(3)交流滤波器投入组数最少，来确定交流滤波器最优投切组数、交流电网注入换流站的无功以及此时换流站交流母线的电压水平，得到的结果入下表1～表3所示。
[0086]
表1交流滤波器投切目标(1)下滤波器投入数及系统运行状况
[0087][0088]
表2交流滤波器投切目标(2)下滤波器投入数及系统运行状况
[0089][0090]
表3交流滤波器投切目标(3)下滤波器投入组数及系统运行状况
[0091][0092]
对于本发明提出的方法实例验证得出的结果进行分析，可得出如下结论：随着直流传输有功功率的增加，在满足3组绝对最小滤波要求的前提下，为维持种中州换流站交流母线电压稳定所需要投入的交流滤波器组数不断增加。在相同的有功功率传输水平下，两种控制方式下中州换流站吸收的无功功率值不同，各种投切目标下其交流滤波器最优投切组数不同。针对三种不同的交流滤波器投切目标，采用整流侧定电流逆变侧定电圧的直流控制方式相对于整流侧定功率逆变侧定熄弧角控制方式所需要投入的交流滤波器数量少，特别当换流站在较高有功功率传输水平下，采用整流侧定电流逆变侧定电圧的直流控制方式所需投入的交流滤波器数量明显更少，换流站内无功补偿冗余度大。
[0093]
在以换流站交流母线电压最接近额定值为交流滤波器投切目标时，相对于其他两
种控制目标，不同功率水平下所需要投入的交流滤波器数量最多，换流站交流母线电压水平控制效果最好，但个别功率传输水平下对需要交流电网注入换流站无功功率值要求较大，因此需要换流站近区交流电网具有充足的无功备用以满足交直流系统无功交换量要求，对换流站交流近区电网的无功补偿能力要求较高；在以交流电网与换流站之间的无功功率交换量在0mvar附近为交流滤波器投切目标时，交直流系统之间交换的无功功率的绝对值最小，此时对于交流电网的无功补偿能力没有过高的要求，但换流站交流母线电压与其额定值具有一定的偏差；在以交流滤波器投入组数最少为目标时，此时为使换流站内交流滤波器冗余度最大，不同有功功率传输水平下需要交流电网始终向换流站注入无功功率，需要换流站近区交流电网对换流站具有一定的无功支撑能力。
[0094]
在本实施案例中，利用本发明确定了不同功率传输水平下中州换流站需要投运交流滤波器数量和交直流系统之间最优的无功功率交换量。
[0095]
本发明提供了一种换流站最优交流滤波器投入组数和交直流系统最优无功功率交换量的确定方法，实现该方法需要按照上述步骤。本领域内的技术人员应明白，本发明提供的方法可用于实例分析、或设计计算机程序产品。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。