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摘要:本文主要对直流换流站的低功率无功控制策略进行研究,并且提出了一种以直流电压为控制量,以交直流系统无功交换量为反馈量的“开环+闭环”换流站无功精确控制方法,该方法优先适用于直流低功率工况,也可用于其他直流功率水平。该无功控制方法充分利用直流系统的无功调节能力,对直流换流站无功功率进行精确控制,能有效减少交流系统电压波动。
关键词:高压直流输电;低功率;换流站无功平衡;无功控制策略;
1高压直流输电换流器无功特性分析
对于换流站无功交换情况具体如图1所示。Qs代表为换流站与交流系统间交换的无功功率;Qf主要意识是当前状态下的已经投入到无功补偿设备中所需要提供的一种无功容量;Qd则主要代表的是换流器所消耗的具体无功功率。
图1换流站无功功率交换示意图
根据图1我们可以看出,换流站与交流系统间交换的无功功率为:Qs=Qf-Qd
其中Qs为表示交流系统吸收的无功功率数值,相反情况下则表示交流系统发出的无功功率。对于进行换流站的无功控制主要就是将Qs控制在我们规定的范围内。其中换流站的无功设备的投切是对Qf进行主要的控制,当Qd增大到能够使整个交流系统发出无功功率已经能够超过供给能力时,那么我们就需要投入另外一组无功设备以便能够增大Qf。
换流站中的晶闸管的主要工作特性是决定晶闸管无论处于整流还是逆变的情况下,都能够从交流系统中吸收容性无功功率。其中主要消耗的无功功率Qd可以通过下面的公式进行计算:
其中式中的Pd代表了直流输送的功率;Ud0i则为理想状态下的空载直流电压;Udi则是代表了直流电压;i则分别代表了整流站和逆变站。其中,我们对于单极采用一个12V脉动换流器时,直流电压的理想空载直流电压表达方式主要体现为:
通过上式可以看出,通过调整α,γ和pi可以改变换流阀消耗的无功功率Qd。其中,α和γ的调节速度快并且是连续调节性的,而pi的调节速度慢主要为阶跃式调节,因此我们对于前者的调节为主调节,后者则为辅助调节。
2换流站无功补偿设备多模式协调控制策略
2.1多模式协调控制方案
2.1.1稳态控制模式
当母线电压UPCC∈[0.9,1.1]时,无功补偿设备工作在稳态控制模式。根据控制模式选择模块接收到的fFlag值,无功补偿设备自动选择稳态调压控制模式、恒无功控制模式和AVC模式。在稳态控制模式下,为保证STATCOM在电网故障期间能够向交流系统提供足够的动态无功功率,提高交流系统的暂态电压稳定性和暂态故障恢复能力,STATCOM需保持一定的动态无功储备。综合考虑换流站近区交流系统和站内无功补偿设备的容量配置情况,STATCOM设定无功输出为单台电容器组最大容量的一半,即无功输出上限QSTAmax=0.5Qcmax,无功输出下限QSTAmin=-0.5Qcmax。换流站无功补偿设备多模式控制方案。
2.1.2稳态调压控制模式
实时检测换流母线电压UPCC,当UPCC∈[0.9,1.1],且模式控制指令fFlag=0时,则无功补偿装置进入稳态调压模式。具体控制策略如下。
步骤1:当换流母线电压小于换流站目标控制电压,即UPCC<UPCC_aim时,首先判断STATCOM是否具备足够可用无功容量将换流母线电压抬升1%,即式中:QSTA为当前时刻STATCOM的无功输出;Qm=0.01k,其中k为STATCOM无功功率—电压控制系数。k值可用下述方法获得:在稳态控制模式下,小范围改变STATCOM注入换流母线的无功功率,实时采集无功增量ΔQSTAi与电压增量ΔUPCCi,则k值可以通过式近似计算。
式中:m为采集样本数量。若不等式(10)成立,则优先通过STATCOM控制换流母线电压,电容器组不动作。无功补偿设备指令设定为式经过预设等待时间,进入步骤3。
式中:USTA_ref为STATCOM的电压参考量。若不等式(10)不成立,则判断UPCC<UPCC_aim-ΔU是否成立,其中ΔU=Qcmax/k。若成立,则进入步骤2;若不满足,则进入步骤3。
步骤2:判断换流站无功电容器组工作状态,若还有未投的无功电容器组,即Ncremain≥1,则投入一组。同时,为保证无功电容器组投入后换流母线稳态电压幅值变化不超过1%,故无功补偿控制指令设置为式
经过预设的等待时间,进入步骤4。
若换流站无可用无功电容器组,则无功电容器组不进行投/切动作,STATCOM将保持在QSTAmax的无功输出限值,形成对换流母线电压的有限程度调节,故STATCOM和无功电容器组的控制指令设置为式。经过预设等待时间,进入步骤5。
步骤3:判断抬升换流母线电压到目标值所需的无功功率Qlack是否小于STATCOM可用无功容量,即QSTAmax-QSTA<Qlack式中:Qlack=(UPCC_aim-UP
CC)k若成立,则转入步骤2;反之,无功电容器小组不进行投/切动作。由STATCOM控制换流母线电压到目标值,相应的STATCOM和无功电容器组的控制指令设置。经过预设的等待时间,进入步骤4。
步骤4:判断换流母线电压UPCC是否等于目标电压UPCC_aim,若UPCC≠UPCC_aim,则转入步骤1;若UPCC=UPCC_aim,则转入步骤5。
步骤5:结束。换流母线电压高于换流站目标控制电压时的控制策略与换流母线电压低于目标控制电压时类似。
2.2恒无功控制模式
恒无功控制模式是换流站无功补偿设备参与电网无功电压控制的一种方式。当换流母线电压,且无功补偿设备协调控制系统接收恒无功指令,则无功电容器组进入恒无功控制模式。无功电容器组根据恒无功指令信号发出相应的无功功率。
2.3暂态控制模式
暂态控制模式主要工作于换流母线电压出现大幅跌落的工况。如果任意相电压快速跌落满足dUiN/dt>Kth(其中UiN为i相电压有效值,i取A,B,C;Kth为门槛值),则进入暂态控制模式。在暂态控制模式下,实现最大无功出力,以提高系统的暂态电压稳定性和暂态故障恢复能力。
2.4闭锁模式
实时检测换流母线三相电压,如果UiN跌落到0.3(标幺值)以下,可认为换流站发生近端短路故障,无功补偿设备进入闭锁模式。闭锁模式下无功输出指令为0,为防止投切无功电容器组引起短路电流大幅振荡,无功电容器组不允许动作。
3高压直流输电换流站无功精确控制策略
换流站当前运行状态下已投入无功补偿设备的无功容量Qf已知,通过调节换流器消耗的无功功率Qd可使换流站与交流系统的无功交换量Qs保持在期望值Qs_ref附近。令Qs_ref=0,则对于整流站有:
Qd1=Qf1
整流站直流参考电压Ud1_ref为:
式中:Pd_ref为直流功率指令。整流侧直流参考电流Id1_ref、逆变侧直流参考电压Ud2_ref分别为:
式中:n为直流输电系统的运行级数;Rd为直流回路电阻。
整流侧定电流控制、逆变侧定电压控制是直流输电系统的一种常规控制方式。由推导过程可知,上述公式确定的整流侧直流电流、逆变侧直流电压参考值是在不改变直流输送有功的条件下得出的,因此按照换流器无功控制方法不会对有功输送造成影响。但此无功控制方法对于控制目标Qs_ref而言只是开环控制,控制结果与期望值可能有一定的差距。为使控制目标进一步接近期望值,本文提出在上述开环控制的基础上,将换流站与交流系统的无功交换量Qs反馈到无功优化控制输入端,与其期望值进行比较,其偏差经过比例—积分(PI)调节器和限幅环节(±0.1(标幺值))后再对直流电压参考值进行修正。整流侧无功功率优化控制框图如图3所示。控制目标Qs_ref可以根据系统的运行情况,由运行人员进行设置。此处取Qs_ref=0。
结论
对于直流换流站的研究发现,当输送的有功功率需要进行消耗大量的无功功率时,就会导致交流电压受到影响产生严重的波动,从而影响到整个电网的运行质量。因此,经过研究发现,当交流滤波器设备受到了谐波性能的限制时,我们必须投入一定组数的交流滤波器才能够保证高压直流输电系统运行的稳定性。
参考文献:
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