特高壓直流無功后備控制功能策略研究

李金安 姚言超 嚴(yán)海健 廖聰

摘 要：針對直流運行時可能存在的特殊情況，后續(xù)新建直流工程引入了無功后備控制功能，現(xiàn)針對某特高壓直流無功后備控制功能的策略開展了研究，發(fā)現(xiàn)無功后備控制功能在實際運行過程中可能導(dǎo)致交流電壓畸變、不能可靠切除交流濾波器、交流電壓異常升高等風(fēng)險，并針對風(fēng)險提出了預(yù)控措施，對后續(xù)直流工程無功后備控制的設(shè)計具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：無功后備控制;交流濾波器;過電壓

0??? 引言

傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)，直流站控系統(tǒng)通過與交流濾波器就地控制單元的現(xiàn)場總線通信進行交流濾波器的投切控制，同時監(jiān)視投入的交流濾波器組數(shù)是否滿足最小濾波器（1A+1B）要求[1]。如果當(dāng)前投入的交流濾波器組數(shù)小于1A+1B的要求，將觸發(fā)直流系統(tǒng)換流器快速停運。因此，當(dāng)雙套直流站控系統(tǒng)故障或直流站控系統(tǒng)連接濾波器就地控制單元的現(xiàn)場總線均故障時，直流站控系統(tǒng)無法獲取投入的濾波器組數(shù)，判定此時投入的交流濾波器組數(shù)為零，將導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運。為避免上述情況的出現(xiàn)，后續(xù)新建直流工程配置了無功后備控制功能。本文以某特高壓直流工程為例，對無功后備控制策略展開了研究，然后分析了無功后備功能運行期間的風(fēng)險，并提出了相應(yīng)的改進建議。

1??? 無功后備控制功能策略分析

當(dāng)所有與直流站控系統(tǒng)連接的交流濾波器就地控制接口單元現(xiàn)場總線通信發(fā)生故障，或直流站控系統(tǒng)判斷內(nèi)部程序故障時，無功后備控制功能激活，其中，直流站控系統(tǒng)內(nèi)部軟件程序故障因素包括初始化過程系統(tǒng)閉鎖、CPU系統(tǒng)故障、參數(shù)狀態(tài)無效、冗余系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新故障、外部時鐘對時故障等，其激活邏輯如圖1所示。

無功后備功能激活后，極控系統(tǒng)立刻將極的功率傳輸模式強制切換至定電流控制模式。同時，投入的交流濾波器組數(shù)通過各交流濾波器間隔單元與極控接口屏間的IRC（Inter-Relay Communication）總線通信，上傳至雙極極控接口屏，雙極極控接口屏再將該信息通過現(xiàn)場總線傳送給各自的極控系統(tǒng)。極1、2極控系統(tǒng)分別根據(jù)所投入交流濾波器的數(shù)目計算出直流系統(tǒng)可傳輸直流電流限定值，同時極控通過比較確定優(yōu)先需要切除的濾波器類型，具體關(guān)斷順序為：優(yōu)先從第一大組到第n大組逐個切除C型濾波器（若配置D型濾波器，則優(yōu)先切除），再比較A、B型的交流濾波器投入數(shù)量，先切除投入數(shù)量較多類型的交流濾波器，若投入的A、B型的交流濾波器數(shù)目相等，則先切除B型，依次類推，直到只剩下最小濾波器組合1A+1B。隨后，特高壓直流系統(tǒng)將極控系統(tǒng)計算出的直流電流維持運行2 h。如果2 h內(nèi)直流站控系統(tǒng)相關(guān)故障排除，系統(tǒng)將恢復(fù)正常運行方式;如果故障短時間內(nèi)無法排除，2 h后極控系統(tǒng)會將直流電流強制設(shè)定至直流系統(tǒng)額定電流的10%，并以10%的額定直流電流繼續(xù)保持平穩(wěn)運行[2]。

直流電流的降低，可能會導(dǎo)致交流濾波器投入過剩，而此時由于直流站控系統(tǒng)無功控制功能失效，無法切除過剩的交流濾波器，只能由交流濾波器就地控制單元自行完成交流濾波器切除的任務(wù)。過剩的交流濾波器投入會造成交流電壓升高，交流濾波器就地控制單元通過檢測交流濾波器大組母線過電壓水平完成切除交流濾波器的控制，其邏輯如圖2所示。

如果監(jiān)測到本大組交流濾波器母線任一線電壓高于電壓設(shè)定值且接收到極控接口屏下發(fā)的切除交流濾波器的命令，則會經(jīng)過相應(yīng)延時切除一組交流濾波器，同時啟動切除下一組交流濾波器的延時定時器。交流濾波器母線過電壓切除交流濾波器分為3段，Ⅰ段定值為577 kV，Ⅱ段定值為632 kV，Ⅲ段定值為676 kV，其延時時間不同。若交流濾波器切除一組后，母線電壓能夠回落并低于電壓設(shè)定值，將會停止切除交流濾波器，否則繼續(xù)切除下一組交流濾波器。

2??? 無功后備控制功能風(fēng)險分析

2.1??? 風(fēng)險1：無功后備控制功能未考慮交流濾波器的類型，可能引起系統(tǒng)中諧波增加

為了向直流系統(tǒng)提供無功功率和濾除由于直流換相進入交流系統(tǒng)的諧波，特意在換流站內(nèi)配置了交流濾波器?？紤]到無功補償方案、無功平衡條件、濾除諧波性能要求、損耗費用和換流器的諧波等，換流站內(nèi)配置了多種型號的濾波器[3]。正常運行時，無功控制會根據(jù)直流場配置模式（雙極或單極）和直流電壓（降壓或正常電壓）情況，根據(jù)不同電流級別配置所要求不同型號的最少濾波器個數(shù)，從而滿足無功功率要求和交流側(cè)諧波濾除要求。當(dāng)濾波器數(shù)量減少到低于濾波器諧波額定要求時，無功控制會根據(jù)當(dāng)前交流濾波器配置將直流功率降低到相應(yīng)的級別。但無功后備控制功能僅通過小組濾波器組數(shù)來確定直流功率允許運行值，這樣計算未考慮交流濾波器的類型，違背了換流站中設(shè)計交流濾波器的初衷，即交流濾波器的配置不僅為直流系統(tǒng)提供無功功率，還為交流系統(tǒng)濾除諧波。在實際運行中可能導(dǎo)致交流系統(tǒng)中諧波增加，引起交流電壓畸變。

2.2??? 風(fēng)險2：無功后備控制功能切除濾波器電壓參考值選取單一，冗余度不足

根據(jù)章節(jié)1的分析，當(dāng)無功后備控制功能起作用時，主要通過就地控制單元的過壓判斷邏輯來切除交流濾波器。判斷邏輯中的電壓實時值為每一大組交流濾波器母線電壓。但交流濾波器就地控制單元僅通過硬接線實時接收母線電壓，未對本大組交流濾波器母線電壓有效性進行判斷。同時，當(dāng)極控接口屏發(fā)出降電流信號后，若此時本大組交流濾波器母線PT空開跳開或本大組交流濾波器母線電壓傳輸回路出現(xiàn)異常，引起電壓測量偏低，則由于測量電壓低于過壓保護定值，小組交流濾波器就地控制單元將不會下發(fā)切除交流濾波器的命令，交流濾波器將保持運行，最終可能導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓異常升高。

2.3??? 風(fēng)險3：無功后備控制功能濾波器切除電壓定值選取不合理

無功后備控制功能運行2 h后，交流濾波器將通過濾波器就地控制單元過電壓邏輯切除。但當(dāng)前過壓Ⅰ段的動作閾值設(shè)定過高，在交流濾波器被切除后，交流母線電壓降至577 kV后低于過電壓Ⅰ段閾值，下一組濾波器的切除指令被釋放，濾波器切除不到位使得交流母線電壓無法繼續(xù)下降，最終系統(tǒng)的交流母線電壓便停留在577 kV。而按照運規(guī)交流系統(tǒng)的持續(xù)最高電壓是550 kV，所以當(dāng)前無功后備控制策略動作后交流母線電壓過高，不符合電網(wǎng)安全運行要求。

3??? 無功后備控制功能風(fēng)險預(yù)控措施

無功后備控制功能啟動可以維持直流系統(tǒng)繼續(xù)運行，但由于當(dāng)前無功后備控制功能設(shè)計不足，運行過程中可能出現(xiàn)大量諧波、抬升交流母線電壓等隱患，因此，若短時間內(nèi)無法排除直流站控系統(tǒng)故障，現(xiàn)場應(yīng)及時處置，避免造成惡劣后果。針對風(fēng)險1和風(fēng)險2，當(dāng)直流無功后備功能啟動時，加強對一、二次設(shè)備運行情況的檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時對異常展開排查，消除隱患;在直流電流降低過程中關(guān)注交流濾波器是否正常切除，交流母線電壓是否偏高，若切除異常，通過現(xiàn)場就地方式切除多余的交流濾波器，待直流電流下降至額定電流的10%后，手動停運直流系統(tǒng)。針對風(fēng)險3，正常運行方式下，電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的-5%～+5%，即500～550 kV;發(fā)生系統(tǒng)異?；蚓o急事故后，電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的-10%～+5%，即475～550 kV，建議根據(jù)當(dāng)前正常運行和緊急事故要求，開展過壓定值優(yōu)化。

4??? 結(jié)語

無功功率控制功能是高壓直流系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而該功能主要在直流站控系統(tǒng)實現(xiàn)。當(dāng)直流站控系統(tǒng)或其相關(guān)回路發(fā)生故障時，將無法對無功功率進行控制，最終可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)發(fā)生閉鎖。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，后續(xù)新建直流工程增加了無功后備控制邏輯。本文針對某特高壓直流無功后備控制功能開展了研究，分析發(fā)現(xiàn)其在運行中可能存在風(fēng)險，并針對相關(guān)風(fēng)險提出了預(yù)控措施，為后續(xù)直流工程無功后備功能的設(shè)計提供了參考。

[參考文獻]

[1] 宋述波，袁鵬，吳宏波.貴廣直流系統(tǒng)無功功率控制小結(jié)[J].繼電器，2007，35（11）：69-71.

[2] 劉茂濤，張志朝，宋述波，等.±800 kV云廣特高壓直流輸電無功后備控制功能改進[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（19）：93-96.

[3] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004.

收稿日期：2021-07-29

作者簡介：李金安（1982—），男，廣東廣州人，工程師，主要從事高壓直流技術(shù)運行維護工作。