換流站交流濾波器控制模式分析

摘要：分析了換流站無功控制的基本功能、優(yōu)先級(jí)別、動(dòng)作邏輯，并結(jié)合現(xiàn)場對無功控制模塊的實(shí)際作用進(jìn)行了驗(yàn)證，得出換流站交流濾波器操作順序的結(jié)論：優(yōu)先級(jí)最低的無功控制功能在保證其余高優(yōu)先級(jí)控制功能限制的情況下，最先實(shí)現(xiàn)濾波器的投切；人工進(jìn)行切換濾波器時(shí)，需嚴(yán)格遵循一定的操作順序；在使用不同類型濾波器進(jìn)行替換時(shí)應(yīng)最先置無功控制方式手動(dòng)，最后恢復(fù)無功控制方式自動(dòng)。

關(guān)鍵詞：換流站；無功控制；交流濾波器；優(yōu)先級(jí)

作者簡介：錢龍（1980-），男，湖北黃石人，湖南電力公司檢修公司惠州直流分部，工程師。（廣東 惠州 512006）

中圖分類號(hào)：TM477 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）29-0231-02

由于直流換流站運(yùn)行消耗大量無功功率，交流濾波器在換流站中屬于必需的重要設(shè)備，在提供無功的同時(shí)，還兼有濾除換流器所產(chǎn)生的諧波電流的功能，從而避免對交流電網(wǎng)及鄰近通信系統(tǒng)的干擾及影響。[1]交流濾波器的可靠穩(wěn)定運(yùn)行直接影響直流系統(tǒng)的運(yùn)行性能。正常狀態(tài)下濾波器的投退由直流控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，但在交流濾波器出現(xiàn)異常或故障時(shí)需要人工進(jìn)行切換、投退，在一些非典型運(yùn)行方式下可能會(huì)出現(xiàn)意想不到的情況。

一、無功控制功能

1.無功控制優(yōu)先級(jí)

無功控制功能RPC通常集成在換流站站控系統(tǒng)中。無功控制功能分為不同層次的控制子模塊，并具備不同的優(yōu)先級(jí)。控制系統(tǒng)按照實(shí)際工況需求，根據(jù)所選擇的功能的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行投切交流濾波器、并聯(lián)電容器組的操作。優(yōu)先級(jí)1擁有最高優(yōu)先權(quán)。

（1）絕對最少濾波器（ABS min filter）。

（2）最大交流電壓（Umax）。

（3）最大無功功率（Qmax）。

（4）最少濾波器（min filter）。

（5）無功功率控制或交流電壓控制（U Control/Q Control）。

優(yōu)先級(jí)1的絕對最小濾波器規(guī)定了不同功率水平下需求的濾波器數(shù)量。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)——如極解鎖，若無絕對最小濾波器需求類型及數(shù)量的濾波器連接到換流閥側(cè)交流系統(tǒng)，在一定的延時(shí)（換流站常見定值為5s）后將發(fā)出直流閉鎖信號(hào)。極解鎖后，絕對最小濾波器功能立即連接規(guī)定組數(shù)的濾波器，并在整個(gè)功率變化過程中一直保持連接，其余濾波器投切視直流功率而定。絕對最小濾波器通過投入合適的濾波器組數(shù)確保滿足系統(tǒng)及設(shè)備的額定水平。絕對最小濾波器功能也阻止了其他功能切除濾波器，以避免交流濾波器因過負(fù)荷而跳閘。甚至當(dāng)RPC在手動(dòng)模式時(shí)也能夠起作用。

最大交流電壓與最大無功功率功能通過斷開或者連接濾波器保持交流電壓在適當(dāng)水平，但不得超出絕對最小濾波器范圍的限制。

第4等級(jí)的最小濾波器功能在一定直流功率水平、解鎖極的數(shù)量以及直流電壓水平的條件下保證濾波器能夠正常運(yùn)行。[2]它設(shè)置有4個(gè)函數(shù)曲線，對應(yīng)不同的功率值，得出需要投入的不同類型的濾波器數(shù)，若大于已連接的濾波器組數(shù)，則發(fā)出投入濾波器的指令。最小濾波器從不斷開濾波器，但它允許或禁止低優(yōu)先級(jí)的Q control投切濾波器。

2.濾波器投切選擇

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)將會(huì)判斷首先連接哪種類型的濾波器，再進(jìn)行同類型濾波器/并聯(lián)電容器的選擇。交流濾波器的投切也有一定的優(yōu)先級(jí)順序，規(guī)律如下：

（1）不同類型的濾波器優(yōu)先級(jí)順序?yàn)镠P11/13、HP24/36、SC。

（2）高優(yōu)先級(jí)的濾波器首先連接，不可用時(shí)將投入低一級(jí)的濾波器。

（3）同類型的濾波器優(yōu)先級(jí)的順序在程序中循環(huán)選擇，先投先退。

3.濾波器的可用性

當(dāng)出現(xiàn)異常故障信號(hào)或人為退出濾波器進(jìn)行檢修試驗(yàn)均會(huì)影響交流濾波器的可用性，控制系統(tǒng)在需要投入濾波器時(shí)則會(huì)忽略經(jīng)判斷屬于不可用的濾波器。交流濾波器/并聯(lián)電容器SC可用性條件大致如下：

（1）沒有設(shè)置交流濾波器保護(hù)動(dòng)作矩陣（NO Setting PAM）。

（2）交流濾波器母線充電。

（3）對應(yīng)濾波器交流開關(guān)無三相不一致現(xiàn)象，刀閘和地刀分合閘指示清晰明確。

（4）對應(yīng)濾波器刀閘在合上位置，交流開關(guān)允許合上（開關(guān)三相可用，無Lockout，彈簧儲(chǔ)能正常，SF6壓力正常）。

（5）對應(yīng)濾波器的交流開關(guān)能夠正確動(dòng)作。

二、無功控制策略

1.無功控制目的

按照調(diào)度規(guī)程的規(guī)定，為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定，無功需求應(yīng)按照分層分區(qū)、就地平衡的原則進(jìn)行管理，換流站無功控制主要面對兩個(gè)主要參數(shù)，換流站與交流系統(tǒng)交換的無功以及所連交流系統(tǒng)的電壓。通過計(jì)算，無功控制功能得出應(yīng)當(dāng)投入的無功設(shè)備組數(shù)，防止過多的諧波進(jìn)入交流系統(tǒng)，且兼顧交流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平。具體實(shí)現(xiàn)手段則為投切不同種類及組數(shù)的濾波器。

2.無功需求

直流系統(tǒng)不同運(yùn)行工況對無功需求不同，因而會(huì)采用不同的控制模式與定值。[3]本文的討論以雙極常壓正常運(yùn)行方式作為默認(rèn)條件。此外，在某一固定工況下計(jì)算無功需求，當(dāng)前輸送的直流功率值將作為對比判斷依據(jù)，但系統(tǒng)中的直流功率值并非整流站或逆變站在軟件界面中整定的直流功率值，而是通過各站測量的直流電流Iord與閥直流側(cè)電壓Udio綜合計(jì)算得出的計(jì)算值。

換流站內(nèi)無功補(bǔ)償設(shè)備不僅包括交流濾波器和并聯(lián)電容器提供的固有無功，還應(yīng)考慮提供部分無功的PLC區(qū)電容器組，控制系統(tǒng)還引入了一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)K。在此基礎(chǔ)上，RPC控制功能將比較換流器無功損耗（Q-Conv）和無功投入量（Q_Calc_FLT），從而決定投入或切除濾波器的類型和組數(shù)。[4]

三、實(shí)際工況分析

1.不同優(yōu)先級(jí)功能的實(shí)際控制

以某換流站設(shè)定值為例，按照優(yōu)先級(jí)順序及控制系統(tǒng)設(shè)置可以得出隨功率上升由某個(gè)控制模塊投入的濾波器及對應(yīng)功率點(diǎn)的表格。

實(shí)際工況表明優(yōu)先級(jí)最高的功能最容易被滿足，在不違反高優(yōu)先級(jí)功能限制的情況下都是低優(yōu)先級(jí)功能在進(jìn)行濾波器的控制。以實(shí)際工況為例，某日0點(diǎn)之前功率為1205MW，投入濾波器為2組HP11/13、1組HP24/36 ACF。00：03調(diào)整功率至1455 MW，期間由Q control控制投入1組HP11/13 ACF；00：18調(diào)整功率至 1705 MW，期間由Q control控制投入1組HP24/36 ACF。

對照表1可以發(fā)現(xiàn)除極解鎖時(shí)投入的2組HP11/13及HP24/36絕對最小濾波器外，之后的功率上升投入的濾波器都是由Q control控制投入而非最小濾波器功能投入。直流系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，換流閥消耗的無功較小，而當(dāng)直流功率上升時(shí)無功需求將急劇增加。因此在不影響交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的情況下，Q control將先于最小濾波器功能發(fā)揮作用，同樣，從需求上看，除解鎖的首先投入的濾波器外，最小濾波器也是先于絕對最小濾波器發(fā)揮作用的。

雖然實(shí)際連接濾波器時(shí)是由不同優(yōu)先級(jí)的功能在不同情況下發(fā)出的指令，但最后還是歸口至同一選擇濾波器類型及同類型濾波器組中進(jìn)行選擇的程序，因此還是同樣可以參考表1的順序?qū)V波器進(jìn)行監(jiān)控。

2.鵝城站濾波器替換中的一些問題

以某直流系統(tǒng)一工況為例，直流功率值在1500MW附近時(shí)，投入3組HP11/13及2組HP24/36 ACF共五組濾波器。由于故障處理需要退出1組HP11/13濾波器，而現(xiàn)場已無同類型HP11/13可供替換，只能投入等級(jí)較低的HP24/36濾波器，由于手動(dòng)投切濾波器時(shí)RPC必須置MANUAL模式，出現(xiàn)的一個(gè)問題是，在沒有將退出的HP11/13濾波器通過改變交流開關(guān)控制方式轉(zhuǎn)至不可用狀態(tài)下，恢復(fù)RPC自動(dòng)控制會(huì)否導(dǎo)致該組HP11/13濾波器交流開關(guān)自動(dòng)合上，且投入的HP24/36濾波器會(huì)自動(dòng)退出。

通過以上對濾波器投切功能的分析與濾波器可用狀態(tài)的闡述，至少可以得出結(jié)論，在當(dāng)時(shí)的功率水平下不包括備用濾波器，已投入的4組濾波器已滿足RPC絕對最小濾波器至最小濾波器功能的需求，在手動(dòng)將1組HP11/13 與HP24/36濾波器切換后也不存在無功差額的需求，Q control不會(huì)導(dǎo)致濾波器的反復(fù)切換。

四、濾波器控制的相關(guān)結(jié)論

在理解濾波器控制模式及邏輯的基礎(chǔ)上能夠提高對于濾波器相關(guān)操作的把握，降低不可控因素的出現(xiàn)，尤其需要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的運(yùn)行規(guī)定并注意以下幾點(diǎn)：

1.濾波器投切的操作步驟

由于直流系統(tǒng)工況多變，在某個(gè)時(shí)刻順利的操作流程可能在一個(gè)條件改變后就無法實(shí)施。在使用不同類型濾波器進(jìn)行替換時(shí)應(yīng)做到最先置RPC控制方式手動(dòng)，最后恢復(fù)RPC控制方式自動(dòng)，即要在改變?yōu)V波器開關(guān)控制方式，拉開對應(yīng)刀閘后使濾波器狀態(tài)變?yōu)椴豢捎茫娇苫謴?fù)RPC的自動(dòng)控制。

2.濾波器的先投后切原則

在進(jìn)行交流濾波器的替換操作時(shí)要嚴(yán)格遵循先投后退的原則，將RPC打至MANUAL位置，先投入備用濾波器再切除要替換的濾波器。若有相同類型的濾波器，優(yōu)先使用同類型的進(jìn)行替換。

3.不同類型濾波器的替換

在沒有備用交流濾波器的情況下，可以用并聯(lián)電容器替換運(yùn)行中的交流濾波器，但前提是要滿足絕對最小濾波器組數(shù)的要求。若不滿足絕對最小濾波器組數(shù)要求，此操作很可能會(huì)引起功率回降。

4.參與交流系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的無功控制

當(dāng)直流系統(tǒng)所連接的交流電網(wǎng)電壓超出調(diào)度規(guī)定的電壓曲線范圍時(shí)，在系統(tǒng)工況允許的情況下向調(diào)度提出申請，手動(dòng)投切一組交流濾波器/電容器，前提是滿足最小濾波器優(yōu)先級(jí)要求。

5.切除濾波器的事故預(yù)想

在手動(dòng)切除濾波器時(shí)，必須考慮對運(yùn)行濾波器的影響，尤其是考慮濾波器過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)的影響。[5]在手動(dòng)進(jìn)行濾波器切換時(shí)要預(yù)先對比分析，防止保護(hù)動(dòng)作，對操作中可能出現(xiàn)的問題全面分析考慮。嚴(yán)密監(jiān)視是否會(huì)出現(xiàn)“Min filter not fulfilled”、“Reference not fulfilled”、“Filter disconnected on overvoltage”、“QPC active”等信號(hào)，必要時(shí)采取手動(dòng)投入濾波器等措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]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.

[2]ABB.1JNL100050-296 Rev. 01，AC Filter Performance[R].Sweden：ABB，2001.

[3]李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[4]ABB.1JNL100046-015 Rev. 02， Reactive Power Compensation[R].Sweden：ABB，2001.

[5]ABB.1JNL100050-134， DC System Protection[R].Sweden：ABB，2001.

（責(zé)任編輯：王祝萍）