调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法及系统与流程

本发明涉及电力系统运行与控制技术，具体涉及一种调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法及系统，用于实现考虑当前控制现状的特高压换流站内调相机和由直流控制保护系统控制的交流滤波器组之间的电压/无功协调控制。

背景技术：

高压直流输电作为一种远距离大容量输电方式，其在建设经济性及运行损耗方面相较于传统交流输电存在较大优势，但其运行需要消耗大量的无功并产生大量谐波，因此特高压换流站内需配置大量无功设备，一般通过配置交流滤波器、电容器及电抗器组，通过直流控制保护实现对无功补偿设备的投切来满足直流系统不同运行方式下的无功需求。同时，部分换流站还会配置动态无功设备如statcom、调相机等来满足对于交流母线电压动态控制的需求。目前，特高压换流站配备大容量调相机作为直流输电的动态无功支撑源已成为我国直流输电建设的趋势，已投的扎青、祁韶直流换流站均配置了大容量调相机，但调相机的控制与直流输电的无功控制间无任何交互，缺乏协调，调相机挂网后与交流系统无功交换为零，仅在因系统故障造成母线电压出现较大偏差时提供动态无功支撑，未能充分发挥大容量调相机在稳态下的无功支撑能力，其运行经济性不高。

因此，亟需一种综合考虑大容量调相机实际能力的调相机与特高压直流无功协调控制方法以提升调相机运行的经济性。现有涉及调相机与直流输电的无功协调控制方法不多，如申请号为201710307415.7的中国专利文献公开了直流换流站交流滤波器与调相机的无功协调控制方法，通过交流滤波器投切时调相机提前向与滤波器动作方向相反的方向调整无功来减小滤波器投切时的电压冲击，仅仅只考虑了调相机的动态电压平抑能力，未考大容量调相机具备的稳态无功支撑能力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法及系统，本发明基于目前特高压换流站调相机与直流控制保护系统间无控制信息交互的现状，通过构建协控的方式，不需改动现有直流控保及调相机各自的内部控制逻辑，能够简单有效地协调控制调相机与由直流控制保护系统掌控的交流滤波器组、电容器及电抗器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法，实施步骤包括：

1）当直流输电起极运行及调相机投入运行稳定后，跳转执行步骤2）；

2）判断直流输电控制是否有投切滤波器指令，如果有投切滤波器指令则跳转执行步骤3）；

3）判断投切滤波器指令是否为投滤波器指令，如果为投滤波器指令，则跳转执行步骤4）；如果为切滤波器指令，则跳转执行步骤5）；

4）计算一个小组滤波器投入及对应电抗器投切后的预估目标电压与初始电压目标的第一偏差δuc1，获取预估目标电压与初始电压目标的第一偏差δuc1对应的无功量qc1作为调相机的无功控制目标修正量，根据调相机的无功控制目标修正量修正调相机的无功控制目标，并对修正后的调相机的无功控制目标进行限幅处理；跳转执行步骤6）；

5）计算一个小组滤波器切除及对应电抗器投切后的预估目标电压与初始电压目标的第二偏差δuc2，获取预估目标电压与初始电压目标的第二偏差δuc2对应的无功量qc2作为调相机的无功控制目标修正量，根据调相机的无功控制目标修正量修正调相机的无功控制目标，并对修正后的调相机的无功控制目标进行限幅处理；

6）将调相机的无功控制目标更新，本控制周期结束，退出以进入下一个周期。

优选地，步骤4）中预估目标电压与初始电压目标的第一偏差δuc1的函数表达式如式（1）所示；步骤5）中预估目标电压与初始电压目标的第二偏差δuc2的函数表达式如式（2）所示；

δuc1=ug+δu-u0（1）

式（1）中，ug为当前母线电压实际值，δu为根据滤波器投入及电抗器投切对应的总的无功变化量δq折算到交流母线的电压偏差，u0为初始母线电压目标值；交流母线的电压偏差δu的函数表达式如式（3）所示；

δuc2=u0-(ug-δu)（2）

式（2）中，u0为初始母线电压目标值，ug为当前母线电压实际值，δu为根据滤波器投入及电抗器投切对应的总的无功变化量δq折算到交流母线的电压偏差，交流母线的电压偏差δu的函数表达式如式（3）所示；

δu=δq/(sd-∑q)（3）

式（3）中，δq为当前滤波器投切及对应电抗器投切引起的总的无功变化量，sd为换流站交流母线的短路容量，∑q为含电抗器在内的当前滤波器组提供的总的无功。

优选地，步骤4）中获取预估目标电压与初始电压目标的第一偏差δuc1对应的无功量qc1的函数表达式如式（4）所示，步骤5）中获取预估目标电压与初始电压目标的第二偏差δuc2对应的无功量qc2的函数表达式如式（5）所示；

qc1=δuc1/(sd-∑q)（4）

qc2=δuc2/(sd-∑q)（5）

式（4）和式（5）中，δuc1为预估目标电压与初始电压目标的第一偏差，δuc2为预估目标电压与初始电压目标的第二偏差，sd为换流站交流母线的短路容量，∑q为含电抗器在内的当前滤波器组提供的总的无功。

优选地，步骤4）以及步骤5）中根据调相机的无功控制目标修正量修正调相机的无功控制目标的函数表达式如式（6）所示；

qref(i+1)=qref(i)+δq1（6）

式（6）中，qref(i+1)为修正后的调相机的无功控制目标，qref(i)为修正前的调相机的无功控制目标，δq1为修正量，且步骤4）中根据调相机的无功控制目标修正量修正调相机的无功控制目标时使用的修正量δq1满足δq1=-qc1/2，步骤5）中根据调相机的无功控制目标修正量修正调相机的无功控制目标时使用的修正量δq1满足δq1=qc2/2，其中qc1为预估目标电压与初始电压目标的第一偏差δuc1对应的无功量，qc2为预估目标电压与初始电压目标的第二偏差δuc2对应的无功量。

优选地，步骤4）以及步骤5）中对修正后的调相机的无功控制目标进行限幅处理具体是指：首先判断修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)是否大于预设的无功控制目标上限值qmax，如果大于预设的无功控制目标上限值qmax则将修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)赋值为预设的无功控制目标上限值qmax，否则保持修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)不变；然后判断修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)是否小于预设的无功控制目标下限值qmin，如果小于预设的无功控制目标下限值qmin则将修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)赋值为预设的无功控制目标下限值qmin，否则保持修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)不变。

优选地，预设的无功控制目标上限值qmax为一小组滤波器容量与一组电抗器容量的差值；预设的无功控制目标下限值qmin为调相机根据进相试验确定的当前有功运行点下的允许进相值。

优选地，步骤1）中保持特高压直流控保交流滤波器投切策略不变、调相机工作在无功闭环模式。

优选地，步骤2）还包括判断直流输电控制是否有投切电容器指令，如果有投切电容器指令则跳转执行步骤7）：

7）判断投切电容器指令是否为投电容器指令，如果为投电容器指令，则跳转执行步骤8）；如果为切电容器指令，则跳转执行步骤9）；

8）计算当前实际的第一控制电压偏差为δuc3，将第一控制电压偏差为δuc3对应的无功控制值qc3作为调相机无功控制指令的修正值，根据调相机无功控制指令的修正值修正无功控制目标，然后判断无功控制目标是否大于限幅上限，如果无功控制目标大于限幅上限，则跳转执行步骤4）以按照投入一组滤波器方式调整无功控制指令；否则，跳转执行步骤10）；

9）计算当前实际的第二控制电压偏差为δuc4，将第二控制电压偏差为δuc4对应的无功控制值qc4作为调相机无功控制指令的修正值，根据调相机无功控制指令的修正值修正无功控制目标，然后判断无功控制目标是否小于限幅下限，如果无功控制目标小于限幅下限，则跳转执行步骤5）以按照切除一组滤波器方式修正调相机无功控制目标；否则，跳转执行步骤10）；

10）闭锁电容器及电抗器投切指令，将调相机的无功控制目标更新，本控制周期结束，退出以进入下一个周期。

优选地，步骤8）中计算当前实际的第一控制电压偏差为δuc3的函数表达式如式（7）所示；步骤9）中计算当前实际的第二控制电压偏差为δuc4的函数表达式如式（8）所示；

δuc3=u0-ug（7）

δuc4=ug-u0（8）

式（7）和式（8）中，u0为初始母线电压目标值，ug为当前母线电压实际值。

优选地，步骤8）中第一控制电压偏差为δuc3对应的无功控制值qc3的计算函数表达式如式（9）所示；步骤9）中第二控制电压偏差为δuc4对应的无功控制值qc4的计算函数表达式如式（10）所示；

qc3=δuc3/(sd-∑q)（9）

qc4=δuc4/(sd-∑q)（10）

式（9）和式（10）中，δuc3为第一控制电压偏差，δuc4为第二控制电压偏差，sd为换流站交流母线的短路容量，∑q为含电抗器在内的当前滤波器组提供的总的无功。

优选地，步骤8）以及步骤9）中根据调相机无功控制指令的修正值修正无功控制目标的函数表达式如式（11）所示；

qref(i+1)=qref(i)+δq2（11）

式（11）中，qref(i+1)为修正后的调相机的无功控制目标，qref(i)为修正前的调相机的无功控制目标，δq2为修正量，且步骤8）中根据调相机无功控制指令的修正值修正无功控制目标时使用的修正量δq2满足δq2=qc3，步骤9）中根据调相机无功控制指令的修正值修正无功控制目标时使用的修正量δq2满足δq2=-qc4，其中qc3为第一控制电压偏差为δuc3对应的无功控制值，qc4为第二控制电压偏差为δuc4对应的无功控制值。

优选地，步骤8）中的限幅上限为一小组滤波器容量与一组电抗器容量的差值；步骤9）中的限幅下限为调相机根据进相试验确定的当前有功运行点下的允许进相值。

本发明还提供一种调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程以执行本发明调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法的步骤。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1）本发明调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法不改变交流滤波器组投切控制策略（直流控制保护系统无功控制策略）及调相机的控制策略，便于实施。

2）本发明调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法通过协控系统控制调相机的无功输出可以减小滤波器组投切时的电压波动，减少电压冲击。

3）当调相机可用稳态无功足以替代交流电容器组投切所引起的无功变化量时，本发明调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法由调相机代替作为无功输出，可减少电容器、电抗器的投切次数，提升电容器、电抗器运行寿命。

4）本发明调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法对调相机稳态无功输出设置了相应的限值，充分考虑了调相机的动态无功补偿需求及运行的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法的实施步骤包括：

1）当直流输电起极运行及调相机投入运行稳定后，跳转执行步骤2）；

2）判断直流输电控制是否有投切滤波器指令，如果有投切滤波器指令则跳转执行步骤3）；

3）判断投切滤波器指令是否为投滤波器指令，如果为投滤波器指令，则跳转执行步骤4）；如果为切滤波器指令，则跳转执行步骤5）；

4）计算一个小组滤波器投入及对应电抗器投切后的预估目标电压与初始电压目标的第一偏差δuc1，获取预估目标电压与初始电压目标的第一偏差δuc1对应的无功量qc1作为调相机的无功控制目标修正量，根据调相机的无功控制目标修正量修正调相机的无功控制目标，并对修正后的调相机的无功控制目标进行限幅处理；跳转执行步骤6）；

5）计算一个小组滤波器切除及对应电抗器投切后的预估目标电压与初始电压目标的第二偏差δuc2，获取预估目标电压与初始电压目标的第二偏差δuc2对应的无功量qc2作为调相机的无功控制目标修正量，根据调相机的无功控制目标修正量修正调相机的无功控制目标，并对修正后的调相机的无功控制目标进行限幅处理；

6）将调相机的无功控制目标更新，本控制周期结束，退出以进入下一个周期。

本实施例中，步骤4）中预估目标电压与初始电压目标的第一偏差δuc1的函数表达式如式（1）所示；步骤5）中预估目标电压与初始电压目标的第二偏差δuc2的函数表达式如式（2）所示；

δuc1=ug+δu-u0（1）

式（1）中，ug为当前母线电压实际值，δu为根据滤波器投入及电抗器投切对应的总的无功变化量δq折算到交流母线的电压偏差，u0为初始母线电压目标值；交流母线的电压偏差δu的函数表达式如式（3）所示；

δuc2=u0-(ug-δu)（2）

式（2）中，u0为初始母线电压目标值，ug为当前母线电压实际值，δu为根据滤波器投入及电抗器投切对应的总的无功变化量δq折算到交流母线的电压偏差，交流母线的电压偏差δu的函数表达式如式（3）所示；

δu=δq/(sd-∑q)（3）

式（3）中，δq为当前滤波器投切及对应电抗器投切引起的总的无功变化量（投滤波器视为增无功、投电抗器视为减无功），sd为换流站交流母线的短路容量，∑q为含电抗器在内的当前滤波器组提供的总的无功。

本实施例中，步骤4）中获取预估目标电压与初始电压目标的第一偏差δuc1对应的无功量qc1的函数表达式如式（4）所示，步骤5）中获取预估目标电压与初始电压目标的第二偏差δuc2对应的无功量qc2的函数表达式如式（5）所示；

qc1=δuc1/(sd-∑q)（4）

qc2=δuc2/(sd-∑q)（5）

式（4）和式（5）中，δuc1为预估目标电压与初始电压目标的第一偏差，δuc2为预估目标电压与初始电压目标的第二偏差，sd为换流站交流母线的短路容量，∑q为含电抗器在内的当前滤波器组提供的总的无功。

本实施例中，步骤4）以及步骤5）中根据调相机的无功控制目标修正量修正调相机的无功控制目标的函数表达式如式（6）所示；

qref(i+1)=qref(i)+δq1（6）

式（6）中，qref(i+1)为修正后的调相机的无功控制目标，qref(i)为修正前的调相机的无功控制目标，δq1为修正量，且步骤4）中根据调相机的无功控制目标修正量修正调相机的无功控制目标时使用的修正量δq1满足δq1=-qc1/2，步骤5）中根据调相机的无功控制目标修正量修正调相机的无功控制目标时使用的修正量δq1满足δq1=qc2/2，其中qc1为预估目标电压与初始电压目标的第一偏差δuc1对应的无功量，qc2为预估目标电压与初始电压目标的第二偏差δuc2对应的无功量。

本实施例中，步骤4）以及步骤5）中对修正后的调相机的无功控制目标进行限幅处理具体是指：首先判断修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)是否大于预设的无功控制目标上限值qmax，如果大于预设的无功控制目标上限值qmax则将修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)赋值为预设的无功控制目标上限值qmax，否则保持修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)不变；然后判断修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)是否小于预设的无功控制目标下限值qmin，如果小于预设的无功控制目标下限值qmin则将修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)赋值为预设的无功控制目标下限值qmin，否则保持修正后的调相机的无功控制目标qref(i+1)不变。

本实施例中，步骤8）中计算当前实际的第一控制电压偏差为δuc3的函数表达式如式（7）所示；步骤9）中计算当前实际的第二控制电压偏差为δuc4的函数表达式如式（8）所示；

δuc3=u0-ug（7）

δuc4=ug-u0（8）

式（7）和式（8）中，u0为初始母线电压目标值，ug为当前母线电压实际值。

本实施例中，预设的无功控制目标上限值qmax为一小组滤波器容量与一组电抗器容量的差值（即qmax=q电容-q电抗）；预设的无功控制目标下限值qmin为调相机根据进相试验确定的当前有功运行点下的允许进相值（即qmin=q进相）。

本实施例中，步骤1）中保持特高压直流控保交流滤波器投切策略不变、调相机工作在无功闭环模式。

本实施例中，步骤2）还包括判断直流输电控制是否有投切电容器指令，如果有投切电容器指令则跳转执行步骤7）：

7）判断投切电容器指令是否为投电容器指令，如果为投电容器指令，则跳转执行步骤8）；如果为切电容器指令，则跳转执行步骤9）；

8）计算当前实际的第一控制电压偏差为δuc3，将第一控制电压偏差为δuc3对应的无功控制值qc3作为调相机无功控制指令的修正值，根据调相机无功控制指令的修正值修正无功控制目标，然后判断无功控制目标是否大于限幅上限，如果无功控制目标大于限幅上限，则跳转执行步骤4）以按照投入一组滤波器方式调整无功控制指令；否则，跳转执行步骤10）；

9）计算当前实际的第二控制电压偏差为δuc4，将第二控制电压偏差为δuc4对应的无功控制值qc4作为调相机无功控制指令的修正值，根据调相机无功控制指令的修正值修正无功控制目标，然后判断无功控制目标是否小于限幅下限，如果无功控制目标小于限幅下限，则跳转执行步骤5）以按照切除一组滤波器方式修正调相机无功控制目标；否则，跳转执行步骤10）；

10）闭锁电容器及电抗器投切指令，将调相机的无功控制目标更新，本控制周期结束，退出以进入下一个周期。

本实施例中，步骤8）中第一控制电压偏差为δuc3对应的无功控制值qc3的计算函数表达式如式（9）所示；步骤9）中第二控制电压偏差为δuc4对应的无功控制值qc4的计算函数表达式如式（10）所示；

qc3=δuc3/(sd-∑q)（9）

qc4=δuc4/(sd-∑q)（10）

式（9）和式（10）中，δuc3为第一控制电压偏差，δuc4为第二控制电压偏差，sd为换流站交流母线的短路容量，∑q为含电抗器在内的当前滤波器组提供的总的无功。

本实施例中，步骤8）以及步骤9）中根据调相机无功控制指令的修正值修正无功控制目标的函数表达式如式（11）所示；

qref(i+1)=qref(i)+δq2（11）

式（11）中，qref(i+1)为修正后的调相机的无功控制目标，qref(i)为修正前的调相机的无功控制目标，δq2为修正量，且步骤8）中根据调相机无功控制指令的修正值修正无功控制目标时使用的修正量δq2满足δq2=qc3，步骤9）中根据调相机无功控制指令的修正值修正无功控制目标时使用的修正量δq2满足δq2=-qc4，其中qc3为第一控制电压偏差为δuc3对应的无功控制值，qc4为第二控制电压偏差为δuc4对应的无功控制值。

本实施例中，步骤8）中的限幅上限为一小组滤波器容量与一组电抗器容量的差值（即qmax=q电容-q电抗）；步骤9）中的限幅下限为调相机根据进相试验确定的当前有功运行点下的允许进相值（即qmin=q进相）。

本实施例中，具体是通过构建一直流换流站与调相机协调无功控制系统（以下简称协控系统），保持直流控制保护系统交流滤波器组投切策略不变，由协控系统获取直流控保的滤波器、电抗器组投切指令、运行方式及相关控制参数和调相机的运行状态，根据直流控制保护的投切指令调整调相机的控制目标，并对直流控保输出的交流电容器、电抗器投切指令进行干预。本实施例调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法由于不改变交流滤波器组投切控制策略（直流控制保护系统无功控制策略）及调相机的控制策略，便于实施；通过协控系统控制调相机的无功输出可以减小滤波器组投切时的电压波动，减少电压冲击；当调相机可用稳态无功足以替代交流电容器组投切所引起的无功变化量时，由调相机代替作为无功输出，可减少电容器、电抗器的投切次数，提升电容器、电抗器运行寿命；调相机稳态无功输出设置了相应的限值，充分考虑了调相机的动态无功补偿需求及运行的安全性。

本实施例调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法基于特高压直流输电无功控制及调相机现有控制模式，能够减少交流滤波器组投切时带来的母线电压波动并能在一定工况下减少电容器、电抗器组的投切次数，延长交流电容器、电抗器使用寿命，同时无需更改直流控保及调相机内部控制逻辑，便于实施。

此外，本实施例还提供一种调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程以执行本实施例前述调相机与特高压直流换流站电压无功协调控制方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。