特高壓換流站無功控制策略及問題分析

劉 坤，陳茜茜

（國網江蘇省電力有限公司 檢修分公司，江蘇 南京 211102）

0 引 言

隨著特高壓的快速發(fā)展，直流輸電的優(yōu)勢被廣泛認可，加快發(fā)展特高壓直流輸電成為了趨勢。相對于交流輸電，直流輸電具有輸送距離遠、線路損耗小以及經濟效益好等優(yōu)點[1,2]。同時，由于換流器運行過程中需要消耗大量無功，因此制定并執(zhí)行合理的無功控制策略對換流站的平穩(wěn)運行意義重大[3,4]。

1 特高壓換流站無功需求必要性分析

換流站在運行過程中，由于觸發(fā)角會不斷變化，換流器的拓撲結構也會發(fā)生變化，從而換流器相對于大電網等效于非線性負載，因此會消耗大量無功[5,6]。如果無功需求沒有得到響應，那么交流系統電壓將會快速下降，控制不當將會導致連續(xù)換相失敗，甚至閉鎖，從而給直流輸電的安全性埋下隱患。

特高壓換流站無功控制策略對換流站的正常運行意義重大。通過無功控制策略，特高壓換流站和交流電網系統實現無功交換，達到控制交流母線電壓、濾除諧波以及無功平衡的作用[7,8]。目前，特高壓無功控制主要通過投切濾波器和投切并聯電容器實現，直流輸電工程運行工況及輸送功率達到預先設定值，控制系統投切無功補償裝置，確保系統無功功率滿足工程正常運行要求[9,10]。

2 特高壓換流站無功策略

無功控制采用多個策略，各策略優(yōu)先級不盡相同，以某采用分層接入技術的特高壓換流站舉例分析。

2.1 無功控制策略

2.1.1 交流過電壓控制

該控制策略根據換流站所處大電網的具體情況，設定交流電壓定值，當換流站穩(wěn)態(tài)電壓分別超過1.1 p.u、1.2 p.u以及1.3 p.u時，應采用不同的延時和邏輯切除濾波器，確保換流站穩(wěn)態(tài)電壓處于合理范圍內。該換流站500 kV側取交流電壓基準值為520 kV，1 000 kV側取交流電壓基準值為1 050 kV。

2.1.2 絕對最小濾波器

投入的濾波器數量和直流輸電功率及運行工況相關，該控制策略根據設備額定值投入濾波器，確保無功濾波器數量滿足當前設備運行方式要求。

2.1.3 最大最小交流電壓控制

該控制邏輯通過監(jiān)視交流母線電壓，確保母線電壓不越限，避免保護誤動作。如表1所示，該換流站交流母線電壓超過530/1 100 kV時，控制策略將切除濾波器，避免交流母線電壓超過定值；當交流母線電壓低于500/1 000 kV時，控制策略將投入濾波器組，避免母線電壓低于定值；當交流母線電壓超過524/1 080 kV，尚未達到530/1 100 kV時，該控制策略將禁止交流濾波器投入，防止交流母線電壓進一步抬升；當交流母線電壓低于508/1 015 kV，尚未低于500/1 000 kV時，該控制策略將禁止切除濾波器，避免交流母線電壓進一步下降。

表1 交流電壓控制表

2.1.4 無功限制

監(jiān)視換流站無功，控制濾波器/并聯電容器投切的數量，確保無功功率滿足直流輸電系統運行工況的要求。

2.1.5 最小濾波器

該控制策略主要控制直流輸電系統里面的諧波，通過控制策略確定投入濾波器的數量及類型。該控制策略的基本邏輯如下，當交流濾波器不能滿足濾除諧波的要求時，控制邏輯將下發(fā)命令投入更多的交流濾波器，但該控制邏輯只會下發(fā)投入交流濾波器命令，不會下發(fā)切除交流濾波器命令。

2.1.6 無功功率控制/交流電壓控制

無功功率控制模式用于實現大電網和換流站的無功交換，使電網和換流站的無功交換值盡量接近預先設定值。為避免濾波器的反復投切，控制策略將設置一個死區(qū)值，在死區(qū)值內，濾波器不進行投切。該換流站500 kV無功控制死區(qū)值是190 Mvar，1 000 kV無功控制死區(qū)值是280 Mvar。投切邏輯如下，500 kV側Q＞Qref+190 Mvar，Q＜Qref-190 Mvar；1 000 kV側Q＞Qref+280 Mvar，Q＜Qref-280 Mvar。

交流電壓控制用于控制換流站交流母線電壓盡量接近預先設定的交流母線電壓。同理，為了避免濾波器組的反復投切，控制策略將設置一個死區(qū)值，在死區(qū)值內，濾波器不進行投切。某換流站500 kV交流電壓控制死區(qū)值是5 kV，1 000 kV交流電壓控制死區(qū)值是10 kV。投切邏輯如下，500 kV側U＞Uref+5 kV，U＜Uref-5 kV；1 000 kV側U＞Uref+10 kV，U＜Uref-10 kV。

2.2 無功控制優(yōu)先級

該站無功控制包含6個優(yōu)先級，按優(yōu)先級別執(zhí)行邏輯，如圖1所示。

圖1 無功優(yōu)先級

無功控制策略中，交流過電壓控制優(yōu)先級最高，隨后依次為絕對最小濾波器控制、最大最小交流電壓控制、最大無功功率控制、最小濾波器控制、無功功率控制以及交流電壓控制，執(zhí)行投切交流濾波器組的操作時需根據各功能的優(yōu)先級進行。

3 案例分析

3.1 工程參數

某換流站采用分層接入技術，高端接入500 kV電網，低端接入1 000 kV電網，兩者無功控制策略相同。該換流器所處的500 kV交流電網在500～530 kV浮動，換流站無功配置如表2所示。

表2 容性無功配置方案

3.2 故障異常及處理

2020年11月29日04時21分該換流站輸送功率為2 044 MW，OWS后臺報56511刀閘，合位消失，從（A）系統報500 kV Q控投入濾波器，未有濾波器投入。對該部分進行現場檢查，發(fā)現換流站出現了反復禁切和禁投現象，給電路帶來了安全隱患。為了排除隱患，檢查換流站發(fā)現存在接線頭松動的現象，松動位置在56511隔離開關B相操作箱X2:4端口。對故障進行處理，采用螺絲刀緊固，報警復歸。

3.3 隱患分析

過電壓禁切邏輯如圖2所示，濾波器現場由于端子接線出現松動，從（A）系統合閘位置丟失，根據無功控制策略，從（A）系統發(fā)出Q控投入濾波器信號。由于A系統為從系統，且主（B）未發(fā)出相同信號，因此Q控投入濾波器命令未執(zhí)行。

圖2 過電壓禁切邏輯

通過分析投切表和邏輯圖，該站無功控制邏輯存在隱患。結合上述故障進行排查和分析，若出現500 kV交流電網電壓高于524 kV或主系統現場信號端子松動，合位信號消失等現象，則Q控投入濾波器命令將會下達。由于500 kV交流電網電壓高于524 kV，Q控投入濾波器命令無法執(zhí)行，根據控制策略，濾波器條件不滿足，因此直流輸電系統將下達降低功率命令。

3.4 策略優(yōu)化

在發(fā)現隱患后，對邏輯進行分析并采取針對性措施，避免直流降功率運行。在邏輯中取消禁投濾波器邏輯，如圖3所示，按照工程設計要求，確保絕對最小濾波器功能優(yōu)先于交流母線電壓限制。

圖3 修改后的過電壓禁切邏輯

根據該換流站所處的實際大電網電壓，修改無功電壓控制策略中電壓控制要求，避免交流母線電壓限制接近實際運行電壓的情況。優(yōu)化后的交流電壓控制表如表3所示。由表3可知，系統優(yōu)化后，必切小幅度電壓增大，有利于換流站的無功控制。

表3 優(yōu)化后的交流電壓控制表

4 結 論

特高壓直流輸電快速發(fā)展的今天，對特高壓直流工程無功控制策略進行研究意義重大，在本文中，以一換流站為例介紹了無功控制功能以及各功能的優(yōu)先級，并結合具體的案例分析了無功控制過程中存在的隱患以及具體的應對措施，為后續(xù)特高壓工程的無功策略設計提供了思路。