高壓直流輸電系統(tǒng)無功控制策略及建模研究

馮廣濤

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

隨著我國電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電力行業(yè)進入新時期，人們的相關研究成果被大量應用于實踐，提升了行業(yè)中各類用電設備的可靠性和實用性，為我國電力行業(yè)的發(fā)展注入了新活力，也提供了有利的技術支持。高壓直流輸電系統(tǒng)作為電力行業(yè)發(fā)展的重要產(chǎn)物，主要應用于電網(wǎng)企業(yè)。系統(tǒng)運行過程中，借助換流器可以有效減少設備運行過程中無用功率對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性造成的影響。同時，通過在換流站周邊加裝附近無功補償裝置，還能夠?qū)崿F(xiàn)換流站與交流系統(tǒng)之間的無功功率交換。這樣做的好處是能夠有效控制交流電壓的波動幅度，進一步提升系統(tǒng)運行的效率和穩(wěn)定性。通常情況下，高壓直流輸電系統(tǒng)的無功補償容量額定功率要求為35%～50%。近年來，我國高壓直流輸電系統(tǒng)的應用愈發(fā)廣泛，現(xiàn)已建成諸多特高壓直流輸電項目工程。其中，最大的工程項目輸電功率可以達到1 000 MW以上，可有效滿足電力需求。本文主要論述了高壓直流輸電系統(tǒng)無功功率控制策略，并且簡要概述高壓直流輸電系統(tǒng)的RPC建模，最終實現(xiàn)無功功率控制系統(tǒng)的基本功能。

1 高壓直流輸電系統(tǒng)無功功率

1.1 直流系統(tǒng)中的無功功率

眾所周知，無功功率控制是一種低速控制。在直流系統(tǒng)運行過程中，換流器需要吸收系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的無功功率，可表示為：

式中，Qconv、Pconv分別表示高壓直流輸電系統(tǒng)的換流器消耗的無功功率和換流器直流側(cè)有功功率的數(shù)值?？梢钥闯?，高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中，無功率補償總?cè)萘渴亲冾l器在過載條件下進行工作的無功消耗。它的每一個無功消耗的補償小組中的容量，對于建模的影響非常關鍵。因此，在切換容性的濾波器組的過程中，整體交流系統(tǒng)的電壓會隨之發(fā)生變化。無功補償?shù)男〗M容量越大，與之對應的電壓值也會越高。通過對整體電網(wǎng)技術中的內(nèi)容規(guī)范進行觀察和分析能夠發(fā)現(xiàn)，整組設備中電容器的數(shù)值與電壓數(shù)值存在聯(lián)系：

式中：ΔU表示高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中交流母線電壓階躍數(shù)值，ΔQ表示系統(tǒng)運行過程中換流站濾波器小組容量，Sd則表示換流站交流母線短路容量。在實際建模過程中，通過將以上3個公式進行綜合計算，能夠得到交流母線的電壓階躍變化過程中的數(shù)值。

1.2 RPC在HVDC控制系統(tǒng)中的作用

無功控制系統(tǒng)（HVDC）及RPC的應用，可以實現(xiàn)對高壓直流輸電系統(tǒng)的無功補償進行控制。一方面，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)交流、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲涣硪环矫?，能夠?qū)ο到y(tǒng)運行狀態(tài)、運行情況進行控制，有效滿足高壓直流輸電系統(tǒng)的運行需求，同時在很大程度上提升了系統(tǒng)的自動化性能，有效減少了對整體電網(wǎng)的不良影響[1-2]。在高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中，若電壓波動整體的交換量超過要求設定的標準值，無功控制系統(tǒng)將會接收特定信號，并發(fā)送給相關的無功補償子系統(tǒng)，對整體系統(tǒng)的補償容量進行控制。無功功率的控制系統(tǒng)主要對絕對最小濾波器組進行控制。此外，絕對最小濾波器組、最小濾波器之間的主要控制功能，主要局限在諧波或者是忽略諧波的作用上。在實際建模過程中，必須控制此類因素。通過一定的控制類型增大觸發(fā)角，并且通過增大觸發(fā)角增加無功的消耗。還可以根據(jù)調(diào)節(jié)器控制觸發(fā)角，將其控制在一定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，通過升高或者降低熄滅角度的設定值，在準確的時間或者是要求的時間恢復所有的標準值，降低在無功切換設備之間的電壓階躍現(xiàn)象，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2 無功控制功能的建模

2.1 Q控制系統(tǒng)的建模

通過研究高壓直流輸電系統(tǒng)的無功控制功能，在系統(tǒng)運行的穩(wěn)定狀態(tài)下，無功功率的控制目標可以表示為：

式中：ΔQ1表示系統(tǒng)運行過程中換流站從交流系統(tǒng)之間吸收的最大允許無功功率；ΔQ2表示換流站注入交流系統(tǒng)之間的最大允許無功功率。將公式帶入建模軟件，能夠計算最終無功補償裝置中Q的具體數(shù)值。同時，借助監(jiān)控系統(tǒng)能夠搜集高壓直流輸電系統(tǒng)運行時的頻率數(shù)據(jù)、電壓間的數(shù)據(jù)。通過計算換流站與交流系統(tǒng)之間的無功功率，能夠得到所需數(shù)據(jù)值信息，從而為最終的建模提供必要的數(shù)據(jù)支撐。在進行無功功率控制建模時，首先應將其中的模型進行詳細劃分和說明，如圖1所示。針對高壓直流輸電系統(tǒng)無功功率的控制問題，通過對投入和退出的信號進行詳細說明發(fā)出特定信號[3]。以系統(tǒng)運行過程中無功補償設備的信號為例，在信號傳輸過程中，通過延時處理收發(fā)信號，從而進一步提升整體系統(tǒng)建模功能的完整性。

圖1 無功功率控制

2.2 電壓控制功能建模

在交流電壓的控制模式中，通過投切濾波小組可以控制換流站交流母線電壓波值，使之保持在合理的范圍內(nèi)。隨著直流電的輸入，電功率也在不斷增加。在整體的交流母線電壓下降時，一定要滿足[4]：

式中3項依次代表交流母線基準電壓、換流站測量電壓和電壓控制區(qū)，三者集中表示無功補償裝置。交流母線基準電壓減去換流站的母線測量電壓，兩者差值需大于或等于電壓的控制區(qū)。隨著直流系統(tǒng)的傳輸功率或者其他運行方式的改變，交流母線基準電壓隨之升高，滿足[4]：

根據(jù)高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中對電壓整體控制功能的實際要求，當投入一組無功補償設備信號時，必須合理設置并調(diào)整延長時間和發(fā)送時間，才能保證對電壓整體的控制功能模型做出最準確的設計和分析，確保直流輸電系統(tǒng)無功率控制內(nèi)容的完整性。圖2為交流電源控制示意圖。

圖2 交流電源控制示意圖

2.3 UMAX控制功能建模

通過對UMAX控制功能模塊進行設計，可以有效保證高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中交流母線電壓值維持在一個正常的范圍內(nèi)。眾所周知，在高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中，若交流母線電壓超過一定標準，會阻止一組無功補償設備。在系統(tǒng)的正常運行過程中，交流母線的電壓數(shù)值始終在控制中。當該數(shù)值出現(xiàn)偏低情況時，達到一定標準系統(tǒng)能夠自動化做出反應，給予適當?shù)臒o功補償。這一整套的流程實現(xiàn)了對系統(tǒng)運行轉(zhuǎn)臺的控制，因此綜合考慮后，需要對控制模型進行區(qū)別設計。針對最小的交流電壓，應對其進行合理管理，區(qū)別于企業(yè)的交流電壓。因此，通過使用滯環(huán)進行控制，能夠有效阻止快速或者經(jīng)常切換無功功率的補償設備，確保UMAX控制功能建模的完美設計和正常運行。

2.4 QMAX控制功能建模

通過對系統(tǒng)運行過程中換流站和交流系統(tǒng)之間的主要變化進行研究和分析能夠發(fā)現(xiàn)：當換流站的輸入值到交流系統(tǒng)中的無功率超過一定標準時，系統(tǒng)的控制功能會被阻斷。為了能夠防止此類情況產(chǎn)生，必須采取QMAX控制功能進行建模設計。通過應用QMAX控制功能模塊，當無功率補償超過一定標準時，會投入到一組無功率的補償裝置中，并不會影響系統(tǒng)的正常功能。

2.5 切換功能的建模

在濾波器或者電容器的開關之間，應該按照一定的順序進行無功功率的控制，且對于交流電壓的控制和最大無功率控制模塊之間的內(nèi)容產(chǎn)生聯(lián)系，從而進一步處理它們的無功功率補償子組。具體模型如圖3所示。

圖3 切換功能示意圖

2.6 仿真分析

仿真分析技術在建模領域中應用廣泛。根據(jù)相關的仿真分析軟件，對高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中各個電力系統(tǒng)部分之間的無功功率進行分析和計算時，需要建立主電路、換流觸發(fā)控制之間的建模。根據(jù)一定的直流輸電工程，需對主電路之間的參數(shù)進行研究和分析。同時，通過研究高壓直流輸電和無功補償子電路間的內(nèi)容，可以得到無功控制模型系統(tǒng)仿真性的分析報告，從而為后續(xù)工作提供重要的理論支持。對直流輸電系統(tǒng)和交流輸電系統(tǒng)的無功功率的轉(zhuǎn)變進行控制，加入無功功率控制并對其設定范圍。整體的仿真分析研究發(fā)現(xiàn)，由于高壓直流輸電系統(tǒng)在運行過程中無功控制系統(tǒng)之間使用的延遲環(huán)節(jié)較多，因此整體的控制速度較為緩慢，在整體系統(tǒng)恢復到穩(wěn)定前，所有的容波器還有電容都會保持連接在交流母線上。也就是說，針對高壓直流系統(tǒng)，系統(tǒng)整體動態(tài)不會受到RPC的影響，具有良好的應用效益。

3 結(jié) 論

綜上所述，通過分析高壓直流輸電無功功率控制功能，論述了高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中無功控制系統(tǒng)的基本內(nèi)容，對高壓直流輸電系統(tǒng)無功控制系統(tǒng)之間的無功調(diào)節(jié)能力、故障恢復等方面有一定的幫助作用。此外，還提出了高壓直流輸電系統(tǒng)無功功率控制的建模，希望能夠為相關技術人員提供思考和幫助，進一步完善高壓直流輸電系統(tǒng)無功功率控制。