直流換流站無功控制問題綜述

計榮榮，周建平，單金華，葉海明，劉永杰，潘成程（國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江杭州 310000）

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直流換流站無功控制問題綜述

計榮榮，周建平，單金華，葉海明，劉永杰，潘成程
（國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江杭州 310000）

摘要：直流輸電無功控制目標是保證交、直流系統(tǒng)的無功交換滿足規(guī)范要求，并對換流器流進交流系統(tǒng)諧波的抑制滿足要求。實際工程中無功控制主要通過對交流濾波器的投切來實現(xiàn)。本文綜合理論及工程要求，對直流系統(tǒng)交流濾波器的設計選擇、無功控制功能和交流濾波器的投切策略進行了全面的分析和研究。

關鍵詞：無功平衡；交流濾波器；濾波器設計；無功控制策略；

本文引用格式：計榮榮，周建平，單金華，等.直流換流站無功控制問題綜述［J］.新型工業(yè)化，2016，6（6）：68-74.

Citation： JI Rong-rong， ZHOU Jian-ping， SHAN Jin-hua， et al.Overview of Reactive Power Controlin HVDC Converter Station［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（6）： 68-74.

0 引言

特高壓直流系統(tǒng)具有遠距離、大容量輸電的優(yōu)勢，對我國能源分配及電力發(fā)展具有重大意義。為保障交、直流系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，特高壓換流站無功控制起著至關重要的作用，濾波器設計也是換流站系統(tǒng)設計的基礎之一。［1］

由于不同的運行方式，換流器在運行中所消耗的無功功率不同，因此控保系統(tǒng)在整個運行過程中都需進行相應的調節(jié)。無功控制就是在各種直流運行工況下，通過對交流濾波器（含并聯(lián)電容器）的優(yōu)化組合和投退，使交、直流系統(tǒng)的無功交換量滿足規(guī)范要求，并將換流器流進交流系統(tǒng)諧波的抑制滿足要求。［2-3］

本文旨在分析換流站無功設備的設計選擇、無功控制功能及交流濾波器的投退策略等問題。

1 換流站無功平衡

換流站內(nèi)換流器（換流閥+換流變）是無功消耗的主要設備。其中換流閥在整流及逆變過程中，都需要消耗無功，以達到交、直流轉換的目的；換流變無功損耗分空載損耗和負荷損耗兩部分，也都需要消耗一定的無功。根據(jù)公式：

式中，Qdc為換流器消耗無功，Pdc為直流輸送功率，?為功率因素角；α為觸發(fā)角，額定運行時約為15°；為換相角，額定運行時約為20°。

根據(jù)目前工程實際，換流站額定運行時功率因數(shù)一般達到0.85～0.9。由此，換流器運行時消耗無功約占輸送功率的30%～60%。所以，從無功角度看，換流器可等效為隨直流輸送功率而變化的無功負荷，且其消耗無功隨直流功率的上升顯著增加。

基于無功功率“就地平衡、不遠距離傳輸”原則，換流器消耗的無功需站內(nèi)交流設備給予平衡，以保證交流系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。交流系統(tǒng)除本身的容納能力外（其提供容性無功約占10%），配置的交流濾波器是容性無功的主要發(fā)生者。［4-5］

因此，交流濾波器的合理布置及準確投切是直流輸電系統(tǒng)乃至整個電力系統(tǒng)正常運行的重要條件。

2 換流站濾波要求

換流器在運行中主要產(chǎn)生11、13、23、25（12k±1）等次特征諧波（k為正整數(shù)），以及各次非特征諧波，這些諧波絕大部分都注入交流系統(tǒng)，影響交流系統(tǒng)的電能質量。因此，通過交流濾波器濾除各次諧波是極為重要的。

由于完全濾除換流器產(chǎn)生的各次諧波較為困難，故工程上采用將系統(tǒng)諧波控制在可接受的范圍內(nèi)為原則。

目前，我國直流工程普遍采用總諧波電壓畸變率Deff不大于1.75%、電話諧波波形系數(shù)THFF不大于1%、單次諧波電流含有率Dn不大于1.25%等諧波指標作為濾波設計指標。［6］

3 交流濾波器選擇

3.1 型式選擇

交流濾波器有雙調諧、三調諧及單調諧三種類型。雙調諧濾波器對兩種諧波都具有較好的吸收效果，且便于備用和維護，其主要缺點是對失諧較為敏感。三調諧濾波器投資及損耗較低，但易失諧且調諧困難。單調諧濾波器結構簡單、單次諧波吸收效果好，但濾波單一，需配置組數(shù)多，進而投資大。

因此，目前直流輸電工程普遍采用雙調諧濾波器。由于12脈動換流器產(chǎn)生特征諧波主要為12、13、23、25次，故換流站多采用HP11/13、HP12/24或HP24/36等類型濾波器，同時配以SC電容器組進行高次濾波。

此外，3次諧波屬于換流器產(chǎn)生的非特征諧波。工程上，3次諧波濾波器是否裝設取決于交流母線處短路容量與濾波器總容量之比Sk/ Qc，當比值小于12時，認為濾波器與交流電網(wǎng)產(chǎn)生3次諧波諧振可能性較大，需考慮裝設HP3；反之則可不裝設。［7］

3.2 容量及組數(shù)選擇

濾波器配置總容量應滿足直流輸電各種工況下系統(tǒng)對無功的需求，并滿足設備故障情況下的冗余度及交流系統(tǒng)電壓波動對容量的影響等多種因素。

根據(jù)研究，交流濾波器總容量由下式確定：

式中，Qc為濾波器總容量，Qex為換流站與交流系統(tǒng)允許交換的無功總容量，Qdc為換流器消耗的無功總容量，Up.u.為運行時交流母線電壓標幺值，Nb為備用濾波器冗余組數(shù)，△Q為濾波器單組容量。

交流濾波器單組容量越大，則組數(shù)越少，經(jīng)濟性越好，但投切單組濾波器引起的交流母線電壓差及無功變化量就越大，有時不滿足控制要求。工程上，交流濾波器單組容量由下式確定：

式中，△U為交流母線電壓偏差允許值，一般小于2%，Sk為交流母線處短路容量。

由于各型號交流濾波器無功補償量基本一致，故其總組數(shù)Ns由可由下式確定：

同時，無功大組的選擇應根據(jù)交流系統(tǒng)強弱及交流斷路器遮斷容量確定，一般保證其被切除時，交流母線電壓變化率不超過5～6 %。［8］

3.3 最后確定

經(jīng)過上述計算后，一般可得出幾種配置方案，然后經(jīng)過測試計算滿足以下幾個要求。

1）將主要諧波控制在可接受范圍內(nèi)。

2）允許故障情況下設備的冗余。

3）直流輕載無功投切需求。

4）滿足濾波器失諧要求。

最后，根據(jù)經(jīng)濟壽命周期及設備制造規(guī)范等因素，優(yōu)化選擇出濾波器類型、單組容量及組數(shù)參數(shù)。［9］

4 換流站無功控制策略

換流站無功控制主要是通過對濾波器的精準投切來實現(xiàn)的。其功能由多個子功能組成，每個子功能按設定的優(yōu)先級和判據(jù)條件實現(xiàn)其應有功能，按照優(yōu)先級一般包括：［10-11］

圖1 換流站各無功控制功能圖Fig.1 Schematic diagram of reactive power control forHVDC converter station

優(yōu)先級1（最高）：絕對最小濾波器控制（Abs Min Filter）；

優(yōu)先級2：最高/最低電壓限制（U-max/ min）；

優(yōu)先級3：最大無功交換限制（Q-max）；

優(yōu)先級4：最小濾波器組控制（Min Filter）；

優(yōu)先級5（最低）：無功判據(jù)/交流電壓判據(jù)控制（Q-control/U-control）。

以及過電壓快切控制（Over Voltage Control）、QPC控制等，如圖1所示。

4.1 Over Voltage Control功能

Over Voltage Control功能通過快速切除濾波器來保護交流設備免于過電壓危害。是新建工程中電壓無功控制要求更精準的方式。根據(jù)過電壓幅值，采取不同延時的快切方法，如圖2所示。該功能主要配合故障情況時的無功控制。

4.2 Abs Min Filter功能

Abs Min Filter功能優(yōu)先級最高，主要防止濾波器受到過應力損壞。在換流器解鎖前，Abs Min Filter功能即按照預先確定的濾波器組（即絕對最小濾波器投切表）投入相應濾波器。并在系統(tǒng)運行中，對絕對最小濾波器條件進行持續(xù)監(jiān)視，閉鎖其他子功能導致不滿足Abs Min Filter條件的切除命令執(zhí)行。若經(jīng)過一段延時，Abs Min Filter條件仍不滿足，則執(zhí)行功率回降或閉鎖命令，如圖3所示。

圖2 Over Voltage Control功能邏輯框圖Fig.2 The logical frame of Over Voltage Control

圖3 Abs Min Filter功能邏輯框圖Fig.3 The logical frame of Abs Min Filter

進行RUNBACK時，將當前功率水平和預設的多級功率水平比較，確定功率回降等級后，程序將該功率定值送至極功率控制執(zhí)行。

4.3 U-max/min功能

U-max/min功能是保障換流站交流系統(tǒng)電壓不超過其最大和最小限制值，維持交流電壓在過電壓保護動作水平以下，如圖4所示。同時也是其它低優(yōu)先級子功能的電壓限制條件，決定它們對濾波器的投切是否執(zhí)行。

4.4 Q-max功能

Q-max功能以交流系統(tǒng)提供總無功與換流器消耗無功之差為判據(jù)，當超過設定值時則切除濾波器，主要用于防止直流功率速降時過電壓動作事件的發(fā)生，如圖5所示。同時決定低優(yōu)先級的無功投入命令是否執(zhí)行。在暫態(tài)過程中閉鎖該功能。

圖4 U-max/min功能邏輯框圖Fig.4 The logical frame of U-max/min

4.5 Min Filter功能

Min Filter功能以系統(tǒng)是否滿足換流站的濾波特性為判據(jù)，以Min Filter表為依據(jù)，對最小濾波器組投切進行控制，如圖6所示。同時對Q-control/U-control功能造成不滿足最小濾波器組條件時，限制其濾波器切除操作。并具有防止功率變動導致濾波器頻繁投切的遲滯作用。

圖5 Q-max功能邏輯框圖Fig.5 The logical frame of Q-max

4.6 Q-control/U-control功能

Q-control/U-control功能是通過、的參考值的設置，投退濾波器來控制換流器與交流系統(tǒng)的無功交換量、穩(wěn)態(tài)運行時的交流母線電壓，以使直流系統(tǒng)處于較好的運行狀態(tài)，如圖7所示。正常運行時，Q-control和U-control控制選擇一種。

同時，為避免在臨界區(qū)無功設備頻繁投切，程序設置死區(qū)，死區(qū)值大于最大濾波器分組投切引起的電壓波動的50%。

圖6 Min Filter功能邏輯框圖Fig.6 The logical frame of Min Filter

4.7 其他功能

為了獲得更好的無功控制效果，同時減輕濾波器投切對電力系統(tǒng)的擾動，無功控制還包含一些輔助的控制功能，如QPC和Gamma kike功能等。這些功能在控保系統(tǒng)中通過迅速增加觸發(fā)角的方式來快速提高換流器無功的消耗水平，從而在極短期內(nèi)配合換流站無功平衡問題，也可消除功率突變時濾波器頻繁投退缺陷。

圖7 Q-control/U-control功能邏輯框圖Fig.7 The logical frame of Q-control/U-control

同時，換流站還采用換流變分接頭控制TCC，其目標是控制觸發(fā)角、熄弧角和直流電壓在給定的參考值范圍內(nèi)。TCC每次調節(jié)換流變的1個分接頭，步進約1.25%，調節(jié)時間為5-10s，動作響應較慢。換流變之間具備分接頭同步調節(jié)功能，一般檔差不超過3。

此外，為適應多種運行方式，整流站還可配置多組低抗設備進行輔助無功調節(jié)。［12-13］

5 濾波器投切問題

5.1 投切均衡性

保障同種類型的濾波器投運時間一致，程序設置循環(huán)選擇，先投先退。

5.2 投入順序

不同類型的濾波器優(yōu)先級順序為HP11/13、HP24/36、HP12/24、HP3、SC。高優(yōu)先級的濾波器優(yōu)先連接，當不可用時將投入低一級的濾波器，保證投入的濾波器具備優(yōu)化的濾波能力。

5.3 狀態(tài)標識

根據(jù)運行情況，將濾波器分置多種狀態(tài)：已投入、已退出、允許投入、允許退出，作為控保系統(tǒng)投切判據(jù)。特別當出現(xiàn)濾波器保護跳閘、異常故障以及檢修退出時，控保系統(tǒng)在需要投入濾波器時會跳過不可用的濾波器。

5.4 同類替換

當某一組濾波器由其他原因（如濾波器保護動作）退出系統(tǒng)后，需投入另一組同類型的濾波器替代失去的濾波器功能，減少系統(tǒng)濾波差異。

5.5 防振蕩措施

為防止交流電網(wǎng)較弱時濾波器連續(xù)投切，程序中設置振蕩檢測邏輯。在預定時間內(nèi)計算投切濾波器的次數(shù)，如連續(xù)投切超過了限定值（如3次），系統(tǒng)將自動模式改為手動模式，以阻止更多的濾波器頻繁投切。［14-15］

6 結語

直流輸電系統(tǒng)中，換流站無功平衡、諧波合規(guī)是系統(tǒng)正常運行的重要條件，通常通過交流濾波器（含電容器）設備進行控制處理。

工程上根據(jù)相關系統(tǒng)參數(shù)，設計出交流濾波器的類型、容量及組數(shù)，以滿足各項要求。同時，無功控制設計有多項不同優(yōu)先級的子功能，通過子功能不同判據(jù)的緊密配合實現(xiàn)對交流濾波器的精準投切，進而保障直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

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DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.06.008

作者簡介：計榮榮（1985-），男，碩士研究生，浙江大學，國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，工程師，研究方向為直流系統(tǒng)輸電；周建平，男，高級工程師；單金華，男，高級工程師；葉海明，男，高級工程師；劉永杰，男，高級工程師；潘成程，男，高級技師

Overview of Reactive Power Controlin HVDC Converter Station

JI Rong-rong， ZHOU Jian-ping， SHAN Jin-hua， YE Hai-ming， LIU Yong-jie， PAN Cheng-cheng
（State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Maintenance Branch， HangZhou 310000， China）

ABSTRACT：The target of reactive power control of HVDC transmission system is to ensure the reactive power exchange of AC and DC system to meet the requirements of specification， and to meet the requirements of the suppression of the harmonic in the AC system.In the actual engineering， the reactive power control is realized by the switching of AC filter.According to theory and engineering requirements， a comprehensive analysis and research on the design of AC filter， reactive power control function and the switching strategy for HVDC system is carried out in this paper.

KEyWORDS：Reactive power balance； AC filter； AC filter design； Reactive power control strategy