南橋換流站無(wú)功功率控制功能分析

范業(yè)勛

（武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院,湖北 武漢 430000）

一、換流站無(wú)功功率控制簡(jiǎn)介

換流站無(wú)功功率控制是直流輸電系統(tǒng)中對(duì)換流站無(wú)功功率進(jìn)行控制的環(huán)節(jié)，它通過(guò)調(diào)整換流站裝設(shè)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投入容量或改變換流器吸收的無(wú)功功率，將換流站與交流系統(tǒng)交換的無(wú)功功率控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，或?qū)Q流站交流母線電壓控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。前者便于所連的交流系統(tǒng)無(wú)功功率的平衡，后者有利于弱受端交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。除了通過(guò)投切交流濾波器實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率控制外，還可以通過(guò)改變換流器的觸發(fā)角來(lái)改變換流器吸收的無(wú)功功率進(jìn)行無(wú)功功率控制。

直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，無(wú)論是整流器還是逆變器都要消耗一定的無(wú)功功率，其數(shù)值不但與輸送直流功率的大小有關(guān)，也與運(yùn)行方式、控制方式有關(guān)。通常，在額定負(fù)荷時(shí)，換流器消耗的無(wú)功功率可達(dá)到額定輸送功率的40%-60%，故換流站需投入大量的無(wú)功補(bǔ)償容量。但在輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，換流器消耗的無(wú)功功率迅速減小，如果補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率不變，則換流站過(guò)剩的無(wú)功功率將會(huì)注入所連的交流系統(tǒng)，引起換流站交流母線電壓升高。因此，必須對(duì)投入的無(wú)功功率補(bǔ)償容量進(jìn)行控制。

換流站的無(wú)功功率控制應(yīng)能控制換流站全部發(fā)出無(wú)功的設(shè)備和吸收無(wú)功的設(shè)備，如控制交流濾波器、并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器的投切以及控制換流器吸收的無(wú)功功率等；換流器吸收的無(wú)功功率可以通過(guò)改變其觸發(fā)角來(lái)平滑的進(jìn)行控制。這些控制作用必須相互協(xié)調(diào)，以便保證在任何給定的直流輸送功率下，對(duì)于各種直流系統(tǒng)運(yùn)行方式、投入的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的組合都是最優(yōu)的。為了方便地進(jìn)行無(wú)功功率控制，通常將交流濾波器和并聯(lián)電容器分成若干分組，但濾波器分組不能投切過(guò)多，否則投運(yùn)的濾波器將不能滿足濾波要求。

由于影響無(wú)功及電壓的因素復(fù)雜，無(wú)功功率控制器的所有功能和特性，都應(yīng)先用數(shù)字計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算分析，然后在直流模擬程序上予以驗(yàn)證，以保證其性能滿足要求。

二、南橋換流站無(wú)功功率控制系統(tǒng)介紹

表1

1、南橋換流站交流濾波器組及無(wú)功補(bǔ)償并聯(lián)電容器組配置如表1：

南橋換流站交流濾波器組除了能吸收該次諧波外，還能提供工頻的無(wú)功功率，每組可提供無(wú)功功率約87Mvar，9組共783Mvar。交流濾波器組按調(diào)諧次數(shù)分，有11.8次、24次、11.8/24次、24/36次四種類型，11.8次有3組，24次、11.8/24次、24/36次各有2組。

2 南橋換流站與交流系統(tǒng)無(wú)功交換量的允許范圍

南橋換流站：當(dāng)功率方向?yàn)楦鹬迚嗡湍蠘驎r(shí)：-70～+70Mvar

當(dāng)功率方向?yàn)槟蠘蛩透鹬迚螘r(shí)：-70～+70Mvar

（1）當(dāng)直流系統(tǒng)運(yùn)行在最低功率水平時(shí)，由于最小濾波器組的要求，換流站與系統(tǒng)的無(wú)功交換可能將無(wú)法滿足以上要求，此時(shí)葛洲壩換流站流入系統(tǒng)的無(wú)功不得超過(guò)120Mvar，南橋換流站流入系統(tǒng)的無(wú)功不得超過(guò)150Mvar。

（2）當(dāng)直流系統(tǒng)運(yùn)行在較高功率水平，除備用無(wú)功設(shè)備外，換流站其他可用無(wú)功設(shè)備均已投入時(shí)，葛洲壩站從系統(tǒng)流入換流站的無(wú)功不得超過(guò)320Mvar，南橋換流站從系統(tǒng)流入換流站的無(wú)功不得超過(guò)120Mvar。超過(guò)上述值時(shí)則應(yīng)限制直流輸送功率的進(jìn)一步增大。

（3）在直流負(fù)荷從最小值（120MW）變到2小時(shí)過(guò)負(fù)荷（1320MW，反送為1056MW），然后再?gòu)?小時(shí)過(guò)負(fù)荷（1320MW，反送為1056MW）變到最小值（120MW）的過(guò)程中，任何濾波器組或電容器組最多只能投入和切除一次。

具體投切邏輯見圖一：

如圖1所示：在Q控制模式下，當(dāng)Q＞Q_ref+時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)切除一組濾波器，當(dāng)Q＜Q_ref+時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)投入一組濾波器。目前，南橋換流 站 Q_ref=0，=70Mvar， 即 當(dāng) Q＞70Mvar時(shí)，會(huì)切除一組濾波器，當(dāng)Q＜-70Mvar時(shí)，會(huì)投入一組濾波器。

3 南橋換流站交流濾波器的投切程序

在直流功率上升和下降的過(guò)程中，投入和切除交流濾波器組將遵循一定的順序，具體順序如表2。

F1（DA12/22/32） 高 通 濾 波 器HP11.8，每組87Mvar

F2（DA13/23）雙調(diào)諧高通濾波器HP24/36，每組87Mvar

F3（DA14/24）雙調(diào)諧高通濾波器HP11.8/24，每組87Mvar

F4（DA15/25）高通濾波器HP24，每組87Mvar

在不同潮流方向、功率大小、運(yùn)行方式下，不同的直流運(yùn)行情況需要的交流濾波器組數(shù)有所不同，當(dāng)該直流運(yùn)行情況下所需的交流濾波器組數(shù)不滿足時(shí)，無(wú)功減載保護(hù)將動(dòng)作，進(jìn)行功率回降，交流濾波器組數(shù)滿足系統(tǒng)要求，或極停運(yùn)。

4 南橋換流站各投切濾波器的優(yōu)先級(jí)

（1）優(yōu)先級(jí)1——AbsMinFiler（絕對(duì)最小濾波器組數(shù)）：是指根據(jù)離線交流濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)果，在對(duì)應(yīng)運(yùn)行方式和輸送水平下必須投入的濾波器組數(shù)和類型組合，少于這一組數(shù)，將使得濾波器運(yùn)行應(yīng)力超

圖1 系統(tǒng)無(wú)功計(jì)算邏輯圖

表2

過(guò)其元件的穩(wěn)態(tài)額定值，并造成濾波器過(guò)負(fù)荷。正常運(yùn)行時(shí)，該條件必須滿足。

（2）優(yōu)先級(jí)2——Umax（最高/最低電壓控制）：除了控制換流站與交流系統(tǒng)的不平衡無(wú)功外，換流站無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備還可以用來(lái)對(duì)換流站交流母線電壓進(jìn)行控制。主要用于監(jiān)視交流母線的穩(wěn)態(tài)電壓，避免穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓引起保護(hù)動(dòng)作。在換流器解鎖前或解鎖過(guò)程中，根據(jù)順序控制要求投入最少濾波器組數(shù)。

（3）優(yōu)先級(jí)3——Qmax（最大無(wú)功交換控制）：根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀況，限制投入濾波器組的數(shù)量，限制穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓。通過(guò)檢測(cè)運(yùn)行方式，Qmax功能限制濾波器或電容器組投入的組數(shù)。如果系統(tǒng)方式有任何變化，無(wú)功功率控制將限制無(wú)功連接以防止電壓升高。對(duì)于南橋站而言，Qlim恒為10000Mvar，這個(gè)永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到，即該功能幾乎沒(méi)有限制，所以Qmax只會(huì)發(fā)增加濾波器的指令，而不會(huì)發(fā)切除濾波器的指令。

（4）優(yōu)先級(jí)4——MinFilter（最小濾波器組數(shù)限制）：是指根據(jù)離線交流濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)果，在對(duì)應(yīng)運(yùn)行方式和運(yùn)行功率水平下所必須投入的濾波器組數(shù)及其組合形式，否則將不能保證濾波效果，以達(dá)到工程規(guī)范中所規(guī)定的濾波性能要求?？傊?，最大無(wú)功交換控制是為了滿足濾除諧波的要求需投入的最少濾波器組個(gè)數(shù)及其類型。

（5）優(yōu)先級(jí)5——Qcontrol（無(wú)功交換控制）：用于控制換流站與交流系統(tǒng)的無(wú)功交換量為設(shè)定的參考值。一般情況下，整流站選擇控制電壓，逆變站選擇控制無(wú)功。南橋站運(yùn)行時(shí)采用Q控制模式，將與交流系統(tǒng)交換的無(wú)功功率控制在參考值，將交流母線電壓控制在參考值。在投入時(shí)必須滿足最大交流電壓和最大無(wú)功功率對(duì)濾波器的要求；在切除時(shí)，必須滿足絕對(duì)最小濾波器、最大交流電壓和最小濾波器對(duì)濾波器的要求。

以上5項(xiàng)無(wú)功控制子功能依次具有以下優(yōu)先級(jí)，其中優(yōu)先級(jí)1為最高優(yōu)先級(jí)，某項(xiàng)子功能發(fā)出的投切指令僅在不與更高優(yōu)先級(jí)的限制條件沖突時(shí)才有效。

三、南橋換流站無(wú)功功率控制系統(tǒng)控制模式

1 ON模式：系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入手動(dòng)模式。此時(shí)，運(yùn)行人員可選擇自動(dòng)模式。

2 手動(dòng)模式：僅高優(yōu)先級(jí)的交流濾波器投/切由無(wú)功控制自動(dòng)完成。Minfilter和Qcontrol的交流濾波器組投切操作由運(yùn)行人員手動(dòng)完成。當(dāng)需要投入交流濾波器組以滿足Minfilter時(shí)，或需要切除的交流濾波器滿足Qcontrol時(shí)，無(wú)功控制應(yīng)發(fā)送信號(hào)至SCADA系統(tǒng)通知運(yùn)行人員投/切交流濾波器組，并顯示將被投/切的濾波器組。在手動(dòng)控制時(shí)，絕對(duì)最小濾波器控制、最高/最低電壓控制、最大無(wú)功交換控制仍起作用，實(shí)現(xiàn)交流濾波器的投切。

3 自動(dòng)模式：所有需要的交流濾波器投/切都應(yīng)由無(wú)功控制自動(dòng)完成。運(yùn)行人員僅需設(shè)定相關(guān)的與交流系統(tǒng)無(wú)功交換參考值。

4 OFF模式：無(wú)功控制不自動(dòng)進(jìn)行任何投/切交流濾波器的操作，也不會(huì)對(duì)運(yùn)行人員給出任何提示，但運(yùn)行人員可進(jìn)行手動(dòng)投/切操作。

四、南橋換流站投切交流濾波器的選擇

直流極控系統(tǒng)從站控系統(tǒng)獲得關(guān)于交流濾波器組的狀態(tài)信號(hào)，使得無(wú)功控制能夠根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況以及交流濾波器組的狀態(tài)確定哪一類型的濾波器以及該類型中哪一組交流濾波器將被投入/切除。同一類型的交流濾波器組按循環(huán)方式投入、按先進(jìn)先出原則切除，保證所有可用的無(wú)功設(shè)備的投切任務(wù)盡可能相等。

五、南橋換流站交流濾波器組的狀態(tài)

無(wú)功控制將從站控系統(tǒng)獲得來(lái)自交流場(chǎng)的以下相關(guān)信息：已經(jīng)投入的交流濾波器組、被切除的交流濾波器組、可投入的交流濾波器組。

（1）可投入的交流濾波器組的隔離開關(guān)和地刀必須在適當(dāng)?shù)奈恢茫议]鎖繼電器未被置1。如果交流濾波器組被保護(hù)跳閘，它的閉鎖繼電器被置1。只有在閉鎖繼電器被手動(dòng)清0后，交流濾波器組才有可能被再次投入。

（2）交流濾波器組被切除，必須在一定的放電時(shí)間（7分鐘）后才能被再次投入運(yùn)行。如果在一定的時(shí)間（1分鐘）內(nèi)，交流濾波器組未能對(duì)指令作出響應(yīng)，那么認(rèn)為該交流濾波器組不可用。

（3）當(dāng)一組交流濾波器從不可用轉(zhuǎn)為可用時(shí)，無(wú)功控制不應(yīng)改變已經(jīng)投入的交流濾波器組，（如果諧波濾波特性未提出要求），但是，在接下來(lái)的投切過(guò)程中該組交流濾波器將參與投切交流濾波器的選擇。

六、南橋換流站交流濾波器防振蕩措施

為了防止交流濾波器組/并聯(lián)電容器組的反復(fù)投/切，無(wú)功控制具有防振蕩功能?？蓪?duì)預(yù)定時(shí)間（1分鐘）內(nèi)的交流濾波器組/并聯(lián)電容器組的投/切次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果投/切次數(shù)超過(guò)了一定值（6次），無(wú)功控制將自動(dòng)轉(zhuǎn)入手動(dòng)控制模式，防止更多的交流濾波器/并聯(lián)電容器組的投/切操作。

七、南橋換流站無(wú)功功率控制系統(tǒng)運(yùn)行注意事項(xiàng)

1 交流濾波器組替換的原則為：當(dāng)一組交流濾波器由保護(hù)跳閘后，根據(jù)AbsMinFilter或MinFilter的要求，該交流濾波器將由另一組交流濾波器來(lái)替代。如果跳閘的交流濾波器組屬于AbsMinFilter控制范圍內(nèi)，那么無(wú)功控制功能將在1秒鐘內(nèi)投入另一組交流濾波器。如果屬于MinFilter控制范圍內(nèi)，那么無(wú)功控制功能將在5秒鐘內(nèi)投入另一組交流濾波器。

2 當(dāng)系統(tǒng)頻率低于49.5Hz以下時(shí)，應(yīng)及時(shí)向調(diào)度匯報(bào)，加強(qiáng)對(duì)交流濾波器組電流的監(jiān)視，加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行工況監(jiān)視，以防失諧。

3 對(duì)各交流濾波器組、并聯(lián)電容器組切除后（即隔離刀閘拉開后），必須超過(guò)7分鐘以上才能合電容側(cè)接地刀閘，以保證電容有足夠的放電時(shí)間。

4 交流濾波器組發(fā)生故障跳閘后，應(yīng)及時(shí)改為冷備用狀態(tài)，在改為冷備用前不得將開關(guān)解鎖，以防止無(wú)功控制功能再次誤投該組濾波器。

5 交流濾波器組的手動(dòng)切換，在交流系統(tǒng)電壓未達(dá)到允許的最高電壓時(shí)，應(yīng)按照“先投后切”的原則，投入一組，再切除一組。

6 交流濾波器組在電容器檢修或部件更換后，在試運(yùn)行后，應(yīng)有檢修人員在對(duì)應(yīng)的交流濾波器組保護(hù)屏上對(duì)初始不平衡電流進(jìn)行補(bǔ)償，并做好記錄。

[1]張望，郝俊芳，曹森，李延龍，直流輸電換流站無(wú)功功率控制功能設(shè)計(jì)，電力系統(tǒng)保護(hù)與控制。

[2]張萌永，曹繼豐，高壓直流輸電換流站無(wú)功控制系統(tǒng)分析，電力設(shè)備。

[3]趙婉君，高壓直流輸電工程技術(shù)。

[4]朱韜析，王超，直流輸電系統(tǒng)無(wú)功功率的控制原理及存在的問(wèn)題分析，系統(tǒng)分析。