永富直流輸電三種運行方式下無功控制

王世標(biāo)　孫巍峰　戴國安　姚　沫

（1. 許繼集團直流輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌 461000；2. 新鄉(xiāng)供電公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

永富直流輸電三種運行方式下無功控制

王世標(biāo)1孫巍峰1戴國安1姚沫2

（1. 許繼集團直流輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌 461000；2. 新鄉(xiāng)供電公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

首先介紹了永富高壓直流工程富寧換流站3種不同的功率輸送方式的交流場配置，其次介紹了3種不同的功率輸送方式下，無功控制配置策略、諧波性能控制、低負(fù)荷無功優(yōu)化功能，最后基于RTDS進行仿真，并給出了RTDS仿真的功率曲線。

高壓直流輸電；三種運行方式；無功控制；交流濾波器；諧波性能

永仁至富寧±500kV直流輸變電工程（觀音巖直流輸電工程）起點位于云南省永仁縣永仁換流站，直流落點為云南省文山州富寧換流站。直流輸電容量3000MW，直流額定電壓等級±500kV，直流額定電流3000A，線路長度約577km。

永富直流為了電能傳輸?shù)撵`活性，富寧換流站交流側(cè)主接線同時適應(yīng)全送云南、全送廣西和分送云南和廣西3種運行方式，并能通過開關(guān)刀閘的操作進行方式的切換。

這3種功率輸送方式的切換運行，以及所匹配的無功控制策略切換都是首次在世界范圍內(nèi)應(yīng)用，具備了世界領(lǐng)先水平。

下面針對富寧站3種運行方式和無功控制功能進行分析和探討。

1　三種運行方式

永富工程富寧站有3種運行方式，方式一：功率全送廣西；方式二：功率全送云南；方式三：極1送廣西，極2送云南。富寧站交流場接線如圖1所示。

圖1　富寧換流站500kV交流場配置

交流場3種運行方式的判別邏輯如圖2所示。

方式一：當(dāng)直流功率需要全部送廣西靖西側(cè)時，500kV交流母線分段斷路器1#、2#閉合，3#、4#斷開，廣西側(cè)出線靖西1、靖西2連接。

圖2　交流場三種運行方式的判別邏輯

圖3　功率全送廣西方式下交流場配置

方式二：當(dāng)直流功率需要全部送云南硯山側(cè)時，500kV交流母線分段斷路器1#、2#、3#、4#閉合，廣西側(cè)出線靖西1和靖西2斷開。

方式三：當(dāng)直流要向云南硯山側(cè)、廣西靖西側(cè)各送單極直流功率時，即極1送廣西，極2送云南，則500kV交流母線分段斷路器1#、2#斷開，3#、4#閉合，廣西側(cè)出線靖西1、靖西2連接。

圖4　功率全送云南方式下交流場配置

交流母線配置：通常兩個換流器極和所有大組濾波器是電氣連接的，也就是說，它們相當(dāng)于一個電氣節(jié)點。富寧站的交流母線配置會存在“一極送云南，一極送廣西”的特殊方式，此時極1和第一、二大組交流濾波器組成一個電氣節(jié)點，極2和第三、四大組交流濾波器組成一個電氣節(jié)點，這兩個電氣節(jié)點相互獨立。相應(yīng)的，基于以上交流母線配置的富寧站無功控制也分為單極分送的控制策略和雙極全送的控制策略，用于控制不同運行工況下的母線電壓、無功功率、有功功率也從各自的電氣節(jié)點采集。

圖5　功率“極1送廣西，極2送云南”方式下交流場配置

無功功率控制主要通過投切濾波器小組來實現(xiàn)。濾波器小組的投切由直流站控來完成。投切的原則如下：

（1）交流母線電壓在運行人員設(shè)定值范圍內(nèi)。

（2）濾波器小組的組合根據(jù)濾波性能決定。

（3）全站總的無功功率在運行人員設(shè)定的范圍內(nèi)。

功率全送轉(zhuǎn)分送前，需要由運行人員確認(rèn)：

（1）富寧站功率控制模式為單極功率控制模式。

（2）雙極功率已平衡。

（3）無功控制為手動模式。

（4）手動平衡極1、極2的濾波器小組。

2　無功控制

高壓直流輸電系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)中的整流器和逆變器都要消耗一定的無功功率，并且隨著運行方式的不同和直流輸送功率的大小而發(fā)生變化，換流器運行時產(chǎn)生的各次諧波還會對交流系統(tǒng)造成污染。一般情況下，在系統(tǒng)滿載運行時，換流器所消耗的無功功率可達到額定輸送功率的40%～60%，但當(dāng)?shù)拓?fù)荷運行時，換流器消耗的無功功率又急劇減小。此時，如果補償?shù)臒o功功率不變，則換流站過剩的無功功率將注入其所連接的交流系統(tǒng)，引起換流站交流母線電壓升高，因此，必須實時有效地投切濾波器，以保障交流母線電壓和換流站與系統(tǒng)交換的無功功率在規(guī)定的范圍。

在富寧站3種不同的運行方式下，可用的交流濾波器小組的數(shù)目與類型有所不同，無功控制邏輯考慮不同的運行方式下諧波性能與限電流控制的濾波器配置表的切換選擇。計算不同工況下的系統(tǒng)無功，考慮無功裕度，決定無功控制模式下的濾波器投切。在不同的運行方式下，選擇相應(yīng)的濾波器大組母線電壓與交流場母線電壓經(jīng)過合適的有效性選擇判斷后作為無功控制中交流電壓的判斷基準(zhǔn)值。

在運行方式一和運行方式二下，4個交流濾波器大組與兩個換流器極仍然可以視作連接在同一個交流網(wǎng)絡(luò)上，無功控制策略與常規(guī)運行方式基本相同。

運行方式三下，由于極1送廣西，極2送云南，極1與交流濾波器大組ACF1、ACF2在同一個交流網(wǎng)絡(luò)，極2與交流濾波器大組ACF3、ACF4在一個交流網(wǎng)絡(luò)。此時直流站控軟件中需要根據(jù)實際可用的交流濾波器和并聯(lián)電容器的類型和數(shù)目，分別為極1和極2選擇不同運行模式（全壓與降壓）下的諧波性能和限電流無功配置表；以及根據(jù)無功控制的需求和過電壓的情況來決定相應(yīng)的濾波器投切。

2.1觀音巖直流工程交流濾波器配置

表1給出了永富直流工程永仁站和富寧站（包含功率全送和功率分送）交流濾波器的配置和容量。

表1　交流濾波器配置

2.2無功控制配置策略

無功控制有兩種基本控制模式：Q控制模式和U控制模式，兩者只能二選一。在實際工程應(yīng)用中，一般只選用Q控制模式，控制換流站與交流網(wǎng)的無功交換量在設(shè)定的參考值范圍內(nèi)。

換流站與交流系統(tǒng)的無功交換由以下公式計算得到

式中，convQ為閥組消耗的無功；filtQ 為濾波器提供的無功。

如果運行人員調(diào)整的設(shè)定值高于換流器無功功率值，無功功率范圍可能與標(biāo)稱范圍不同，在此情況下，任何運行條件下的總無功功率都不能維持在設(shè)定范圍之內(nèi)。此時由于諧波性能控制器的“投入”（濾波器）請求具有更高的優(yōu)先權(quán)，使無功功率控制器的“退出”（濾波器）請求被禁止，總的無功功率就會降到Qmin_ref設(shè)定值以下。

換流站交流母線電壓為設(shè)定的參考值時用U控制模式。當(dāng)Uac＜Umin_ref時，延時發(fā)出命令，投入一個濾波器或并聯(lián)電容器組；當(dāng)Uac＞Umax_ref時，延時發(fā)出命令，切除一個濾波器或并聯(lián)電容器組。其中Umin_ref為最小參考值，Umax_ref為最大參考值，為了抑制濾波器頻繁投切，Umax_ref和Umin_ref的電壓差設(shè)定為10kV。

過電壓控制分為4個級別，并且與手動、自動模式無關(guān)。當(dāng)Uac高于過電壓水平，經(jīng)過短暫延時后切除一個電容器或濾波器，甚至是同時切除一個濾波器大組，電壓水平級別越高，延時越短。但是要保證最小濾波器不能被切除，這樣有利于功率的恢復(fù)提升。

功率全送方式下，Uac的選?。簭腢ac（ACF4、ACF3、ACF2、ACF1、BB2、BB1）4個交流濾波器大組電壓和兩個母線電壓中選取。

功率分送方式下，極1 Uac的選取：從Uac（ACF2、ACF1、BB1）兩個交流濾波器大組電壓和一個母線電壓中選取；極2 Uac的選取：從Uac（ACF4、ACF3、BB2）兩個交流濾波器大組電壓和一個母線電壓中選取。

圖6　電壓選取邏輯

2.3諧波性能

根據(jù)觀音巖工程交流濾波器的研究報告，提供了15種不同運行模式下的諧波性能配置表，見表2。

表2　15種不同運行方式

當(dāng)直流運行在一定功率時，諧波性能要求按一定的濾波器類型的組合投入相應(yīng)數(shù)量的濾波器，如果此時投入的濾波器由運行人員手動切除或由保護跳閘，而其他處于熱備用的濾波器小組又處于不可用（比如正在放電等）狀態(tài)，直流站控經(jīng)過一定延時就會將當(dāng)前的濾波器組合所允許的直流運行功率最大值送給極控系統(tǒng)，將功率限制下來。

表3　雙極分送全壓下的諧波性能配置表

2.4低負(fù)荷無功優(yōu)化功能

低負(fù)荷無功優(yōu)化功能按極單獨配置，功能可投退，默認(rèn)為退出狀態(tài)。

在直流低功率范圍內(nèi)，直流電壓參考值隨直流功率按照一定斜率變化，增加換流器的無功消耗，減少直流系統(tǒng)注入到交流系統(tǒng)的無功，減輕交流系統(tǒng)低負(fù)荷水平下的調(diào)壓難度。低負(fù)荷無功優(yōu)化功能如圖7所示。

圖7　低負(fù)荷無功優(yōu)化功能

直流電壓參考值隨直流功率變化曲線如圖8所示。

富寧站3種不同的運行方式下運行時，由于3種運行方式下可用的濾波器和無功補償裝置也有所不同，對站控系統(tǒng)的功能配置影響比較大。

圖8　低負(fù)荷無功優(yōu)化功能直流電壓參考值變化曲線

3　RTDS仿真功率曲線

3.1功率為300MW

圖9　全送云南轉(zhuǎn)全送廣西

圖10　全送云南轉(zhuǎn)分送

圖11　全送廣西轉(zhuǎn)全送云南

圖12　全送廣西轉(zhuǎn)分送

圖13　分送轉(zhuǎn)全送云南

圖14　分送轉(zhuǎn)全送廣西

3.2功率為3000MW

圖15　全送云南轉(zhuǎn)全送廣西

圖16　全送云南轉(zhuǎn)分送

圖17　全送廣西轉(zhuǎn)全送云南

圖18　全送廣西轉(zhuǎn)分送

圖19　分送轉(zhuǎn)全送云南

圖20　分送轉(zhuǎn)全送廣西

由以上仿真曲線可以看出，在3種運行方式相互轉(zhuǎn)換瞬間有突變，但很快又恢復(fù)平穩(wěn)，良好地實現(xiàn)了功率輸送方式的轉(zhuǎn)換。

4　結(jié)論

本文對富寧換流站3種運行方式交流場配置和無功控制的原理及方法進行的介紹，并列出了針對不同運行功率3種運行方式轉(zhuǎn)換進行的RTDS系統(tǒng)仿真結(jié)果。

［1］ SIEMENS. Software of DC station control of XJ/ GGII［Z］. 2007.

［2］ 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.

［3］ 張望， 郝俊芳， 曹森， 等. 直流輸電換流站無功功率控制功能設(shè)計［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2009，37（14）： 72-76.

［4］ 戴國安， 周君文， 王亞非. 特高壓直流無功控制策略研究［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2008， 36（14）：48-51.

［5］ 涂仁川， 王勝， 關(guān)紅兵， 等. 糯扎渡特高壓直流輸電工程無功控制策略研究［J］. 南方電網(wǎng)技術(shù)， 2013，7（6）： 31-36.

Reactive Power Control under Three Operation Modes in Yongfu HVDC Project

Wang Shibiao1Sun Weifeng1Dai Guoan1Yao Mo2
（1. HVDC Electric Power Transmission Department of XJ Group， Xuchang， He'nan 461000；2. Xinxiang Power Supply Co.， Xinxiang， He'nan 453000）

First， the AC field configuration of YF HVDC projec funing converter station three different kinds of power transmission mode is introduced.Secondly， several issues which are related to three different kinds of power transmission mode are introduced， including the allocation strategy of reactive power control， harmonic control performance， low load reactive power optimization function. Finally， simulation is carried out based on RTDS，and the power curve of RTDS simulation is given.

HVDC； three operation mode； reactive power control； AC filter；harmonic performance

王世標(biāo)（1990-），男，碩士，從事高壓直流輸電控制系統(tǒng)的研究工作。