HVDC系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法、系统及存储介质与流程

hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法、系统及存储介质
技术领域
1.本发明涉及一种高压直流输电(hvdc)系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调优化控制方法，属于高压直流输电系统技术领域。


背景技术：

2.高压直流输电采用直流方式实现高电压大容量电力的变换与传输，作为一种远距离大容量输电方式，运行时需要消耗大量的无功功率，因此需要配备大量的无功补偿装置。当受端系统很弱时，逆变器容易受到交流系统扰动的影响而发生换相失败故障，不利于受端交流系统的稳定。将同步调相机安装在弱受端系统，提高了交流系统的短路比，从而减小了逆变器换相失败的几率，同时有利于提高交流系统稳定。
3.当交流系统短路水平较低时，同步调相机无功补偿调节与高压直流输电系统则可能存在很强的相互作用。不同的控制器及控制方法应与直流控制系统相协调，但目前缺乏相应的协调优化控制方法，亟需制定一种hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法，以期达到高压直流输电系统的最佳恢复和运行特性，提高系统稳定运行的能力。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于：需要一种hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法，能够抑制逆变侧交流母线过电压，加快逆变侧交流母线电压的恢复速度，增强系统抵抗干扰和恢复能力，避免因控制器参数设置不当而引起的系统振荡，有助于提高系统稳定运行能力。
5.本发明的原理：本发明提供一种hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法，所述方法包括：同步调相机无功调节模块：将逆变侧交流系统电压的偏差量作为同步调相机励磁控制系统的输入，通过同步调相机无功调节控制器、同步调相机励磁机、限幅环节依次对同步调相机励磁控制系统的输入量进行处理，得到同步调相机的励磁电压；直流控制系统中无功功率调节(qpc)模块：经无功功率调节(qpc)控制器调节后的输出是逆变侧关断角的增量δγ，逆变侧关断角的增量δγ经过限幅环节后被送至逆变侧定关断角控制系统，通过增大关断角来增加逆变侧换流站的无功消耗，从而改善系统的无功平衡并稳定电压。由于δγ经限幅环节后下限为0
°
，故不能减少逆变侧换流站的无功消耗。
6.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
7.一种hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法，包括以下步骤：
8.步骤1)建立同步调相机励磁控制系统，当hvdc系统逆变侧换流站出现干扰或者故障时，将逆变侧交流母线电压的偏差量作为输入，经过同步调相机无功调节控制器、同步调相机励磁机、限幅环节，得到同步调相机的励磁电压，通过优化同步调相机无功调节控制器
参数进行无功调节；
9.步骤2)在直流控制系统中逆变侧定关断角控制系统的输入端加入无功功率调节(qpc)模块，将逆变侧交流母线电压的改变量作为输入，将经过无功功率调节(qpc)控制器得到逆变侧关断角的增量δγ送至逆变侧定关断角控制系统；
10.步骤3)通过协调整定同步调相机无功调节控制器参数与直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数，实现同步调相机无功调节与直流控制系统的协调优化控制。
11.进一步的，所述同步调相机励磁控制系统中，
12.逆变侧交流母线电压测量环节的传递函数g
r
(s)表示为：
[0013][0014]
式中：t
r
为终端电压传感器时间常数，s为复数变量。
[0015]
同步调相机无功调节控制器的传递函数g
t
(s)表示为：
[0016][0017]
式中：t
c
、t
b
分别为同步调相机无功调节控制器的超前时间常数和滞后时间常数。
[0018]
式(2)中，当分母的滞后时间常数大于分子的超前时间常数，其作用是暂态过程中电压增益减小，提高动态响应时间要求，同时有较高的电压精度。当分母的滞后时间常数小于分子的超前时间常数，提供额外的相位裕量，用于改善动态响应。
[0019]
同步调相机励磁机的传递函数g
e
(s)表示为：
[0020][0021]
式中：k
a
，t
a
分别为同步调相机励磁机的比例系数和时间常数。
[0022]
当k
a
增大时，输出电压调差减小，采用尽可能大的电压增益k
a
来维持输出电压恒定，但是过大的k
a
会使得系统产生振荡型失步，选择适当的k
a
对于干扰稳定有着重要作用。
[0023]
进一步的，所述直流控制系统中无功功率调节(qpc)包括：
[0024]
经无功功率调节(qpc)控制器调节后的输出是逆变侧关断角的增量δγ，逆变侧关断角的增量δγ经过限幅环节后被送至逆变侧定关断角控制系统，通过增大关断角来增加逆变侧换流站的无功消耗，从而改善系统的无功平衡并稳定电压。由于逆变侧关断角的增量δγ经限幅环节后下限为0
°
，故不能减少逆变侧换流站的无功消耗。
[0025]
无功功率调节(qpc)控制器的传递函数g
q
(s)表示为：
[0026]
g
q
(s)＝k
p
+k
i
/s
ꢀꢀꢀ
(4)
[0027]
式中：k
p
，k
i
分别为无功功率调节(qpc)控制器的比例和积分系数。
[0028]
进一步的，所述逆变侧定关断角控制系统包括：
[0029]
将关断角的偏差量作为逆变侧定关断角控制系统的输入量，依次通过关断角控制器、限幅环节、逆变侧换流站、关断角测量环节，通过调节关断角控制器参数来改变逆变侧换流站的无功消耗。
[0030]
关断角控制器的传递函数g0(s)表示为：
[0031]
g0(s)＝k
np
+k
ni
/s
ꢀꢀꢀ
(5)
[0032]
式中：k
np
，k
ni
分别为关断角控制器的比例系数和积分系数；
[0033]
逆变侧换流站的传递函数g1(s)表示为：
[0034][0035]
式中：k1＝sinβ0/sinγ0≈2.389，t1＝0.02/12≈1.667
×
10
‑3s分别为逆变侧换流站的比例系数和时间常数；β0＝38.2
°
，γ0＝15
°
分别为系统稳定时的超前触发角和关断角。
[0036]
关断角测量环节的传递函数g2(s)表示为：
[0037][0038]
式中：k2＝1，t
m
＝0.02s分别为关断角测量环节的比例系数和时间常数。
[0039]
逆变侧定关断角控制系统的传递函数g
n
(s)表示为：
[0040][0041]
进一步的，所述通过协调整定同步调相机无功调节控制器参数与直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数，实现同步调相机无功调节与直流控制系统的协调优化控制。具体包括以下步骤：
[0042]
先根据同步调相机励磁控制系统的频率响应特性，对同步调相机无功调节控制器参数进行优化整定。
[0043]
以同步调相机励磁控制系统开环传递函数表示的频率响应特性评价同步调相机励磁控制系统稳定性，设定相应的指标范围，指标范围的值如下所示：
[0044]
幅值裕度：10db～20db(分贝)；相位裕度：20
°
～80
°
。
[0045]
逆变侧交流母线电压测量环节的时间常数忽略不计时，暂态增益k
t
表示为：
[0046][0047]
暂态增益k
t
与截止频率ω
c
的关系式为：
[0048]
k
t
＝ω
c
×
t
a
ꢀꢀꢀ
(10)
[0049]
比较式(9)、式(10)所求得暂态增益k
t
值，选取暂态增益k
t
的合适值。
[0050]
为了保证系统稳定，中频段对数幅频特性斜率为－20db/dec(分贝/十倍频)，才能保证必要的幅值裕度和相位裕度，校正环节的超前时间常数t
c
值按下式求得：
[0051][0052]
由式(10)、式(11)求得式(2)中同步调相机无功调节控制器的超前时间常数t
c
与滞后时间常数t
b
的比值。
[0053]
再通过优化直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数与逆变侧定关断角控
制系统的关断角控制器参数来调节逆变侧换流站的无功消耗，在多组逆变侧交流母线电压的恢复数据中，筛选出一组最优的同步调相机无功调节控制器参数值与直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数值。
[0054]
一种hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制系统，包括以下程序模块：
[0055]
同步调相机模块：建立同步调相机励磁控制系统，当hvdc系统逆变侧换流站出现干扰或者故障时，将逆变侧交流母线电压的偏差量作为输入，经过同步调相机无功调节控制器、同步调相机励磁机、限幅环节，得到同步调相机的励磁电压，通过优化同步调相机无功调节控制器参数进行无功调节；
[0056]
无功功率模块：在直流控制系统中逆变侧定关断角控制系统的输入端加入无功功率调节(qpc)模块，将逆变侧交流母线电压的改变量作为输入，将经过无功功率调节(qpc)控制器得到逆变侧关断角的增量δγ送至逆变侧定关断角控制系统；
[0057]
协调整定模块：通过协调整定同步调相机无功调节控制器参数与直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数，实现同步调相机无功调节与直流控制系统的协调优化控制。
[0058]
一种计算机可读取存储介质，用于存储上述hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法。
[0059]
与现有技术相比，本发明提供的hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法所达到的有益效果包括：当hvdc系统逆变侧换流站出现干扰或者故障时，导致逆变侧交流母线电压跌落，通过在逆变侧换流站投入同步调相机，可瞬时提供无功功率支撑，但故障消除后，会出现逆变侧交流母线过电压。本发明提供hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法，通过在直流控制系统中逆变侧定关断角控制系统的输入端加入无功功率调节(qpc)，协调整定同步调相机无功调节控制器参数与直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数，不仅能够抑制逆变侧交流母线过电压，而且加快逆变侧交流母线电压的恢复速度，增强系统抵抗干扰和恢复能力，同时避免因控制器参数设置不当而引起的系统振荡，提高系统稳定运行能力。
附图说明
[0060]
图1是本发明实施例中hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法流程示意图；
[0061]
图2是本发明实施例中同步调相机励磁控制系统框图；
[0062]
图3是本发明实施例中加入无功功率调节(qpc)控制器的直流控制系统框图；
[0063]
图4是本发明实施例中不同工况下逆变侧交流母线电压恢复情况示意图。
具体实施方式
[0064]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0065]
实施例1
[0066]
当交流系统短路水平较低时，同步调相机无功补偿调节与高压直流输电系统则可
能存在很强的相互作用，不同的控制器及控制方法应与直流控制系统相协调，因此，本实施例提供了一种hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法，综合考虑上述各因素，建立同步调相机励磁控制系统，将直流控制系统中加入无功功率调节(qpc)，协调整定同步调相机无功调节控制器参数与直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数，抑制逆变侧交流母线过电压，加快逆变侧交流母线电压的恢复速度，增强系统抵抗干扰和恢复能力，避免因控制器参数设置不当而引起的系统振荡，提高系统稳定运行的能力。
[0067]
如图1所示，本发明实施例提供的一种hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法，具体包括以下步骤：
[0068]
步骤1)建立同步调相机励磁控制系统，当hvdc系统逆变侧换流站出现干扰或者故障时，将逆变侧交流母线电压的偏差量作为输入，经过同步调相机无功调节控制器、同步调相机励磁机、限幅环节，得到同步调相机的励磁电压，通过优化同步调相机无功调节控制器参数进行无功调节。
[0069]
如图2所示，同步调相机励磁控制系统主要包括：
[0070]
逆变侧交流母线电压测量环节的传递函数g
r
(s)表示为：
[0071][0072]
式中：t
r
为终端电压传感器时间常数，s为复数变量。
[0073]
同步调相机无功调节控制器的传递函数g
t
(s)表示为：
[0074][0075]
式中：t
c
，t
b
分别为同步调相机无功调节控制器的超前时间常数和滞后时间常数。
[0076]
当分母的时间常数大于分子的时间常数，其作用是暂态过程中电压增益减小，提高动态响应时间要求，同时有较高的电压精度。当分母的时间常数小于分子的时间常数，提供额外的相位裕量，用于改善动态响应。
[0077]
同步调相机励磁机的传递函数g
e
(s)表示为：
[0078][0079]
式中：k
a
，t
a
分别为同步调相机励磁机的比例系数和时间常数。
[0080]
当k
a
增大时，输出电压调差减小，采用尽可能大的电压增益k
a
来维持输出电压恒定，但是过大的k
a
会使得系统产生振荡型失步，选择适当的k
a
对于干扰稳定有着重要作用。
[0081]
步骤2)在直流控制系统中逆变侧定关断角控制系统的输入端加入无功功率调节(qpc)模块，将逆变侧交流母线电压的改变量作为输入，将经过无功功率调节(qpc)控制器得到逆变侧关断角的增量δγ送至逆变侧定关断角控制系统。
[0082]
如图3所示，直流控制系统中无功功率调节(qpc)包括：
[0083]
经无功功率调节(qpc)控制器调节后的输出是逆变侧关断角的增量δγ，逆变侧关断角的增量δγ经过限幅环节后，送至逆变侧定关断角控制系统，通过增大关断角来增加逆变侧换流站的无功消耗，从而改善系统的无功平衡并稳定电压。由于逆变侧关断角的
增量δγ经限幅环节后下限为0
°
，故不能减少逆变侧换流站的无功消耗。
[0084]
无功功率调节(qpc)控制器的传递函数g
q
(s)表示为：
[0085]
g
q
(s)＝k
p
+k
i
/s
ꢀꢀꢀ
(4)
[0086]
式中：k
p
，k
i
分别为无功功率调节(qpc)控制器的比例和积分系数。
[0087]
逆变侧定关断角控制系统包括：
[0088]
将关断角的偏差量作为逆变侧定关断角控制系统的输入量，依次通过关断角控制器、限幅环节、逆变侧换流站、关断角测量环节，通过调节关断角控制器参数来改变逆变侧换流站的无功消耗。
[0089]
关断角控制器的传递函数g0(s)表示为：
[0090]
g0(s)＝k
np
+k
ni
/s
ꢀꢀꢀ
(5)
[0091]
式中：k
np
，k
ni
分别为关断角控制器的比例和积分系数。
[0092]
逆变侧换流站的传递函数g1(s)表示为：
[0093][0094]
式中：k1＝sinβ0/sinγ0≈2.389，t1＝0.02/12≈1.667
×
10
‑3s分别为逆变侧换流站的比例系数和时间常数；β0＝38.2
°
，γ0＝15
°
分别为系统稳定时的超前触发角和关断角。
[0095]
关断角测量环节的传递函数g2(s)表示为：
[0096][0097]
式中：k2＝1，t
m
＝0.02s分别为关断角测量环节的比例系数和时间常数。
[0098]
逆变侧定关断角控制系统的传递函数g
n
(s)表示为：
[0099][0100]
步骤3)通过协调整定同步调相机无功调节控制器参数与直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数，实现同步调相机无功调节与直流控制系统的协调优化控制。
[0101]
先对同步调相机励磁控制系统中同步调相机无功调节控制器参数进行优化整定，再通过优化直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数及逆变侧定关断角控制系统的关断角控制器参数来调节逆变侧换流站的无功消耗，经过反复实验，在多组逆变侧交流母线电压的恢复数据中，筛选出一组最优的同步调相机无功调节控制器参数值与直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数值。从而抑制逆变侧交流母线过电压，加快逆变侧交流母线电压恢复速度，避免因控制器参数设置不当而引起的系统振荡。
[0102]
hvdc系统运行2s时，在hvdc系统的逆变侧交流母线处设置单相短路故障，并在故障后0.2s清除故障，图4所示为逆变侧交流母线处发生单相短路故障时未投入同步调相机、只投入同步调相机、同步调相机与直流控制系统协调控制3种工况下逆变侧交流母线电压恢复情况。从图4可进一步得到表1，逆变侧交流母线电压u
s
＝1p.u.(230kv)。
[0103]
表1不同工况下逆变侧交流母线电压恢复情况
[0104][0105]
结合图4和表1可以看出，当逆变侧交流母线电压降落到0.7p.u.时，投入调相机后，逆变侧交流母线最低电压为0.85p.u.,逆变侧交流母线恢复时间为140ms，说明逆变侧交流母线电压补偿效果明显，缩短了逆变侧交流母线的恢复时间。但故障消除后的逆变侧交流母线最高电压为1.19p.u.。将同步调相机无功调节与直流控制系统的协调优化控制后，逆变侧交流母线恢复时间缩短为80ms，相比较只投入调相机，采用同步调相机无功调节与直流控制系统的协调优化控制方法不仅抑制了逆变侧交流母线电压的过电压，而且加快逆变侧交流母线电压的恢复速度，避免因控制器参数设置不当而引起的系统振荡，从而达到系统的最佳恢复和运行特性，提高系统的稳定运行能力。
[0106]
一种hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制系统，包括以下程序模块：
[0107]
同步调相机模块：建立同步调相机励磁控制系统，当hvdc系统逆变侧换流站出现干扰或者故障时，将逆变侧交流母线电压的偏差量作为输入，经过同步调相机无功调节控制器、同步调相机励磁机、限幅环节，得到同步调相机的励磁电压，通过优化同步调相机无功调节控制器参数进行无功调节；
[0108]
无功功率模块：在直流控制系统中逆变侧定关断角控制系统的输入端加入无功功率调节(qpc)模块，将逆变侧交流母线电压的改变量作为输入，将经过无功功率调节(qpc)控制器得到逆变侧关断角的增量δγ送至逆变侧定关断角控制系统；
[0109]
协调整定模块：通过协调整定同步调相机无功调节控制器参数与直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数，实现同步调相机无功调节与直流控制系统的协调优化控制。
[0110]
一种计算机可读取存储介质，用于存储上述hvdc系统中调相机无功调节与直流控制系统的协调控制方法。
[0111]
实施例2
[0112]
在步骤3)中，具体包括以下步骤：
[0113]
步骤301：先根据同步调相机励磁控制系统的频率响应特性，对同步调相机无功调节控制器参数进行优化整定。
[0114]
以同步调相机励磁控制系统开环传递函数表示的频率响应特性评价同步调相机励磁控制系统稳定性：
[0115]
幅值裕度：10db～20db(分贝)；相位裕度：20
°
～80
°
。
[0116]
逆变侧交流母线电压测量环节的时间常数忽略不计时，暂态增益k
t
表示为：
[0117][0118]
暂态增益k
t
与截止频率ω
c
的关系式为：
[0119]
k
t
＝ω
c
×
t
a
ꢀꢀꢀ
(10)
[0120]
比较式(9)、式(10)所求得暂态增益k
t
值，选取暂态增益k
t
的合适值。
[0121]
为了保证系统稳定，中频段对数幅频特性斜率为－20db/dec(分贝/十倍频)，才能保证必要的幅值裕度和相位裕度，t
c
值按下式求得：
[0122][0123]
由式(10)、式(11)求得式(2)中同步调相机无功调节控制器的超前时间常数t
c
与滞后时间常数t
b
的比值。
[0124]
步骤302：通过优化直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数与逆变侧定关断角控制系统的关断角控制器参数来调节逆变侧换流站的无功消耗，在多组逆变侧交流母线电压的恢复数据中，筛选出一组最优的同步调相机无功调节控制器参数值与直流控制系统中无功功率调节(qpc)控制器参数值。
[0125]
其它技术特征与实施例1相同。
[0126]
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。
[0127]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。