一种高压直流输电送端的电压控制方法和系统

摘要

本发明公开了一种高压直流输电送端的电压控制方法和系统，判断送端是否处于孤岛运行状态，孤岛方式下，基于自适应电压-无功灵敏度和电压-有功灵敏度进行有功无功协同控制，联网方式下，按正常调压系数进行无功电压控制，根据无功功率分配方法计算各个AVC（自动电压控制）机组的无功功率设定值，最后在各个AVC机组励磁调节器根据上述无功功率设定值进行本地闭环控制。本发明根据高压直流输电送端系统的不同运行工况，避免孤岛方式下电厂高压母线电压由于AVC调压系数不匹配以及有功调节引起的大幅波动。本发明可广泛应用于电力系统自动电压控制领域。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统自动电压控制领域，尤其是一种高压直流输 电送端的电压控制方法和系统。

背景技术

南方电网西部的云南、贵州是大型的送端系统，通过距离大容量 特/超高压直流线路将西部水电输送至东部负荷中心。大容量直流输 电系统采用送端孤岛运行方式，可减少直流跳闸后潮流转移对交流系 统的影响，在改善远距离送电系统稳定性，提高送电能力方面有着独 特的优势。

AVC(电厂自动电压控制)是指按预定条件和要求自动控制电厂 母线电压或全电厂无功功率的技术。在保证机组安全运行的条件下， 为系统提供可充分利用的无功功率，减少电厂的功率损耗。电厂AVC 子站系统接收AVC主站系统下发的全厂控制目标(电厂高压母线电 压、全厂总无功等)，按照控制方法(电压曲线、恒母线电压、恒无 功)合理分配给每台机组，通过调节发电机无功出力，达到全厂目标 控制值，实现全厂多机组的电压无功自动控制，整个控制过程如图1 所示。

孤岛运行工况时，系统的短路比较小，即相同的无功变化量将引 起比联网工况更大的电压波动，因此减小AVC系统的调压系数，使相 同电压偏差对应的无功调整幅度减小，达到降低增益，防止电压大幅 振荡的目的。较低的调压系数能够适应稳态调压的需求，但在孤岛稳 态功率升降的过程中，随着孤岛系统输送功率的减少和增加，孤岛电 厂与换流站的电压也会大幅升高或降低。由灵敏度分析可知孤岛系统 电压对有功功率变化的灵敏度较大，因此电厂功率升降会引发电压较 大幅值的波动。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：一种通过在线网络分 析，自适应整定电压-无功灵敏度和电压-有功灵敏度，考虑有功调整 对电压的影响，从而避免电厂及换流站母线电压大幅波动的高压直流 输电送端的电压控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：一种通过在线网 络分析，自适应整定电压-无功灵敏度和电压-有功灵敏度，考虑有功 调整对电压的影响，从而避免电厂及换流站母线电压大幅波动的高压 直流输电送端的电压控制系统。

传统的AVC(自动电压控制)的无功调节无法同步补偿有功功率 引发的电压偏差，需要在AVC无功调节量中引入有功调整信息，将其 改进为能够补偿有功调节的电压控制器。

本发明所采用的技术方案是：一种高压直流输电送端的电压控制 方法，包括有以下步骤：

A、在远距离高压直流输电的送端通过孤岛检测模块检测送端 是否处于孤岛运行状态；

B、若送端处于孤岛运行状态，则根据孤岛系统电压-无功灵敏 度设置发电厂调压系数，并根据孤岛系统自适应电压-有功灵敏度计 算配合有功调节的无功补偿系数，进而进行有功无功协同控制，执行 步骤D；

C、若送端处于联网状态，则使用联网状态下的正常调压系数 进行无功电压控制，执行步骤D；

D、根据无功功率分配方法计算各个AVC机组的无功功率设定 值；

E、各个AVC机组励磁调节器根据上述无功功率设定值进行本 地闭环控制。

进一步，所述步骤B中基于自适应电压-无功灵敏度和电压-有功 灵敏度进行有功无功协同控制的计算公式为：

$Q_{AVC}=Q_{ACT}+\Delta V·K_{V\_islanded}+\Delta P·K_P-Q_{\overline{AVC}}$

其中，

Q_AVC为全厂无功AVC分配值；

Q_ACT为当前实发无功；

ΔV为实际母线电压与给定电压值偏差；

K_{V_islanded}为孤岛方式下的发电厂调压系数；

ΔP·K_p为孤岛发电机组有功调节的无功补偿量，ΔP为孤岛发电机 组有功调节量，K_P为配合有功调节的无功补偿系数；

为不参加AVC机组所发无功之和。

进一步，所述K_{V_islanded}和K_P值根据潮流方程的电压-有功灵敏度矩 阵和电压-无功灵敏度矩阵确定。

进一步，所述步骤C中使用联网状态下根据正常调压系数进行无 功电压控制的计算公式为：

$Q_{AVC}=Q_{ACT}+\Delta V·K_{V\_networked}-Q_{\overline{AVC}}$

其中，

Q_AVC为全厂无功AVC分配值；

Q_ACT为当前实发无功；

ΔV为实际母线电压与给定电压值偏差；

K_{V_networked}为正常调压系数；

为不参加AVC机组所发无功之和。

进一步，所述步骤D中的无功功率分配方法为根据等功率因素原 则、无功容量成比例原则、相似调整裕度原则或动态优化原则分配各 AVC机组无功值。

进一步，所述步骤D中的无功功率分配方法为根据相似调整裕度 原则分配各AVC机组无功值，分配的计算公式为：

$Q_{iAVC}=Q_{AVC}\times \frac{Q_{iMax}-Q_i}{{\Sigma }_{i=1}^n(Q_{iMax}-Q_i)},(i=1,2,...,n)$

其中，

n为参加AVC的机组数；

Q_iMax-Q_i为参加AVC的第i台机组的无功调整裕度；

为参加AVC机组的当前无功调整裕度之和；

Q_iAVC为AVC分配到第i台参加AVC机组的无功出力。

本发明所采用的另一技术方案是：一种高压直流输电送端的电压 控制系统，包括有：

孤岛检测模块，用于检测在远距离高压直流输电的送端是否处于 孤岛运行状态；

孤岛运行控制模块，用于在送端处于孤岛运行状态时，根据孤岛 系统电压-无功灵敏度在线设置发电厂调压系数，根据孤岛系统自适 应电压-有功灵敏度计算配合有功调节的无功补偿系数，进行有功无 功协同控制；

联网控制模块，用于在送端处于联网状态时，使用联网状态下的 正常调压系数进行无功电压控制；

无功功率分配模块，用于根据无功功率分配方法计算各个AVC机 组的无功功率设定值；

系统中的AVC机组，根据上述无功功率设定值，利用AVC机组励 磁调节器进行本地闭环控制。

本发明的有益效果是：本发明方法根据高压直流输电送端系统的 不同运行工况，在孤岛工况时根据孤岛电压对无功灵敏度计算，采用 较小的调压系数，避免孤岛系统电压周期性振荡；根据孤岛电压对有 功灵敏度，与有功调整信息配合，避免电厂高压母线电压随系统送出 功率的增减而大幅降升。

本发明的另一有益效果是：本发明系统适应高压直流输电送端系 统的不同运行工况，在联网工况时采用正常的调压系数进行无功电压 控制；在孤岛工况，根据孤岛电压-无功灵敏度和电压-有功灵敏度， 将AVC与有功调整信息配合进行有功无功协同控制，避免电厂高压母 线电压随系统送出功率的增减而大幅降升。

附图说明

图1为现有技术电压控制的整体传递函数框图；

图2为本发明方法的步骤流程图；

图3为本发明系统的结构示意图；

图4为本发明实施例中孤岛系统结构示意图；

图5为本发明电压控制的整体传递函数框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图2，一种高压直流输电送端的电压控制方法，包括有以下 步骤：

A、在远距离高压直流输电的送端通过孤岛检测模块检测送端 是否处于孤岛运行状态；

B、若送端处于孤岛运行状态，则根据孤岛系统自适应电压- 无功灵敏度设置发电厂调压系数，并根据孤岛系统自适应电压-有功 灵敏度计算配合有功调节的无功补偿系数，进行有功无功协同控制， 执行步骤D；

C、若送端处于联网状态，则使用联网状态下的正常调压系数 进行无功电压控制，执行步骤D；

D、根据无功功率分配方法计算各个AVC机组的无功功率设定 值；

E、各个AVC机组励磁调节器根据上述无功功率设定值进行本 地闭环控制。

进一步作为优选的实施方式，在孤岛工况定值方式下，电厂AVC 按照给定的母线电压值，计算全厂无功出力，目标是使电厂母线电压 维持在给定水平；所述步骤B中基于自适应电压-无功灵敏度和电压- 有功灵敏度进行有功无功协同控制的计算公式为：

$Q_{AVC}=Q_{ACT}+\Delta V·K_{V\_islanded}+\Delta P·K_P-Q_{\overline{AVC}}$

其中，

Q_AVC为全厂无功AVC分配值；

Q_ACT为当前实发无功；

ΔV为实际母线电压与给定电压值偏差；

K_{V_islanded}为孤岛方式下的发电厂调压系数；

ΔP·K_p为孤岛发电机组有功调节的无功补偿量，ΔP为孤岛发电机 组有功调节量，K_P为配合有功调节的无功补偿系数；

为不参加AVC机组所发无功之和。

进一步作为优选的实施方式，所述K_{V_islanded}和K_P值根据潮流方程 的电压-无功灵敏度矩阵和电压-有功灵敏度矩阵确定。

对于配合有功调节的无功补偿系数K_P，需要通过状态估计获取 的系统运行状态，进行在线计算得到自适应的参数值。由于 计算K_P要首先获得电压-有功灵敏度矩阵和电压-无功灵 敏度矩阵。具体过程如下。

列出拓展的潮流方程，

$\left(\begin{array}{c}{P}_i=V_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\delta }}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\delta }}_{in})\\ Q_i=V_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\delta }}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\delta }}_{in})\end{array}\right)$

求有功和无功对节点电压和相角的偏导数，可以得到灵敏度矩 阵，

$\left(\begin{array}{c}\Delta P\\ \Delta Q\end{array}\right)=-\left(\begin{array}{cc}H& N\\ K& L\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\Delta \delta \\ V^{-1}\Delta V\end{array}\right)=S\left(\begin{array}{c}\Delta \delta \\ V^{-1}\Delta V\end{array}\right)$

为了表示PV节点和平衡节点如下特征，

${\theta }_{slack}={\theta }_{slack}^0$

$v_G=v_G^0$

对S进行以下操作：表示关于参考相角的灵敏度的列向量置零； 表示关于PV节点和平衡节点电压的灵敏度的列向量置零；表示平衡 节点有功灵敏度的行向量置零；表示PV节点和平衡节点无功灵敏度 的行向量置零；以上行向量和列向量相交的对角线元素置为1。功率 向量中，PV节点无功功率和平衡节点有功功率、无功功率对应的元 素置零。

通过以上操作，再对S求逆，得

$\left(\begin{array}{c}\Delta \delta \\ V^{-1}\Delta V\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{S}_{\delta P}& S_{\delta Q}\\ S_{VP}& S_{VQ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\Delta P\\ \Delta Q\end{array}\right)$

其中，从S_VP和S_VQ可以分别获取电压-有功灵敏度和电压-无功灵 敏度信息。

进一步作为优选的实施方式，联网工况电压-有功灵敏度可以忽 略，不考虑与有功调节的配合，且电压-无功灵敏度随功率调整变化 不大，所述步骤C中使用联网状态下的正常调压系数进行无功电压控 制的计算公式为：

$Q_{AVC}=Q_{ACT}+\Delta V·K_{V\_networked}-Q_{\overline{AVC}}$

其中，

Q_AVC为全厂无功AVC分配值；

Q_ACT为当前实发无功；

ΔV为实际母线电压与给定电压值偏差；

K_{V_networked}为正常调压系数；

为不参加AVC机组所发无功之和。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D中的无功功率分配方法 为根据等功率因素原则、无功容量成比例原则、相似调整裕度原则或 动态优化原则分配各AVC机组无功值。

进一步作为优选的实施方式，以相似调整裕度原则为例，所述步 骤D中的无功功率分配方法为根据相似调整裕度原则分配各AVC机组 无功值，分配的计算公式为：

$Q_{iAVC}=Q_{AVC}\times \frac{Q_{iMax}-Q_i}{{\Sigma }_{i=1}^n(Q_{iMax}-Q_i)},(i=1,2,...,n)$

其中，

n为参加AVC的机组数；

Q_iMax-Q_i为参加AVC的第i台机组的无功调整裕度；

为参加AVC机组的当前无功调整裕度之和；

Q_iAVC为AVC分配到第i台参加AVC机组的无功出力。

以图4的孤岛系统为例，说明本发明方法应用于该孤岛系统的具 体实施例，图示为南方电网西电东送的楚穗直流送端系统，送端的金 安桥和小湾水电厂分别经双回线与楚雄换流站相连，另外，联网时和 平站经单回线路并联在小湾电厂和楚雄站之间，和平站和同步电网相 连。楚穗直流孤岛判别系统由楚雄站、小湾电厂、和平站的孤岛判别 装置组成。

联网方式下，根据电压-无功灵敏度的计算结果，小湾电厂的 AVC调压系数为K_{V_networked}＝6MVar/kV，即电压偏差1kV，无功应调 整6MVar，有功对电压灵敏度在大电网中可近似忽略。联网工况电 厂AVC按下式计算无功：

$Q_{AVC}=Q_{ACT}+\Delta V·K_{V\_networked}-Q_{\overline{AVC}}$

孤岛方式下，根据电压对无功灵敏度计算结果，实际调压系数 K_{V_islanded}＝2MVar/kV，如果仍然用联网工况的恒定调压系数调节，会出 现超调导致的波动，必须根据网络状态进行自适应调整。

孤岛方式下，电压对有功灵敏度显著增大，电厂有功的连续上 升或下降对发电厂高压母线电压幅值造成明显的影响，AVC在制定无 功调整量时可以补偿下一控制周期有功调整对电压的影响，使母线电 压更加稳定。

根据灵敏度计算的结果，在孤岛系统2500MW功率水平下，有功 功率增加1MW，为维持电压恒定无功功率必须相应增加0.25MVar， 在线计算K_P＝0.25，则计算公式采用：

$Q_{AVC}=Q_{ACT}+\Delta V·K_{V\_islanded}+\Delta P·K_P-Q_{\overline{AVC}}$

孤岛方式下AVC控制的整体传递函数框图如图5所示。

参照图3，一种高压直流输电送端的电压控制系统，包括有：

孤岛检测模块，用于检测在远距离高压直流输电的送端是否处于 孤岛运行状态；

孤岛运行控制模块，用于在送端处于孤岛运行状态时，根据孤岛 系统自适应电压-无功灵敏度设置发电厂调压系数，并根据孤岛系统 自适应电压-有功灵敏度计算配合有功调节的无功补偿系数，进行有 功无功协同控制；

联网控制模块，用于在送端处于联网状态时，使用联网状态下的 正常调压系数进行无功电压控制；

无功功率分配模块，用于根据无功功率分配方法计算各个AVC机 组的无功功率设定值；

系统中的AVC机组，根据上述无功功率设定值，利用AVC机组励 磁调节器进行本地闭环控制。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不 限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提 下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含 在本申请权利要求所限定的范围内。