高压直流输电系统无功功率需求及控制分析

蒲洲

摘要：交流系统的扰动造成交流电压下降得太快以至于控制系统来不及调整触发角或熄弧角来维持稳定运行，这在逆变侧将会引起换相失败，进而导致整个直流系统停运，功率传输停止，直到系统恢复到稳态性能。因此，一个可靠灵活的无功供给子系统对直流/交流功率交换系统的稳定运行是至关重要的。本文分别对高压直流输电系统在稳态、动态运行情况下交直流系统的无功需求和无功控制进行了分析，讨论了低短路比系统对无功控制的要求，简述了无功功率的计算和无功控制技术的发展。

关键词：高压直流输电；无功功率需求；无功功率计算；无功控制

中图分类号： O52 文献标识码： A

0 引言

在“西电东送，南北互供，全国联网”能源发展战略实施过程中，高压直流输电技术体现了其优越性并被广泛采用。在高压直流输电系统中，直流换流器要消耗大量的无功电力，通常是所传输电力的50%~60%。使得所连接的交流系统无法靠自身来供给无功电力并将电压维持在正常范围。大多数直流换流器都是通过装设无功补偿设备来满足无功需求，与此同时，无功补偿设备还必须消耗多余无功以防止持续的高电压损坏换流站设备。因此，一个完整的无功电源子系统和准确的无功控制对于整个直流输电系统的稳定运行来说是至关重要的。

1直流系统无功要求

1.1换流器稳态运行无功需求

在稳态运行中，换流站的无功需求相对于直流输电系统的各变量是比较复杂的，根据整个高压直流系统的控制策略，可以简要分析稳态运行时换流站的无功需求。

图1显示了常见换流站无功功率需求与直流电压、直流电流及控制角的函数关系曲线，无功功率随着输送功率的变化成近似的线性关系，黑粗线为额定曲线，弧形粗线代表了恒定直流电流时的无功需求。对整流侧而言，虚线代表的控制角是触发延迟角α，对于逆变侧，虚线代表的控制角是熄弧角γ。它显示了无功需求随着控制角改变而变化的关系，多数换流器在额定曲线附近一个很小的带宽上，如图2。

图 1换流站无功需求随传输

功率、电流及角度的变化图2换流器的典型无功要求

而在一些背靠背直流工程中，两个换流站之间没有直流线路，采用另一种不同的控制策略，如图3所示，其无功功率对于传输功率的关系曲线就具有相当的非线性，所采用的大角度运行策略只适用于背靠背工程，因为大角度运行策略不仅可以吸收换流站最小滤波器提供的过量的无功功率，还可以降低交流母线侧对感性无功设备的要求。

图3 背靠背换流站无功随传输功率、电流及角度的变化

1.2换流器无功需求的动态变化

对于小电压扰动来说，无功需求的动态变化大致是和触发角α或熄弧角γ的变化成正比的，对于大的电压变化，无功功率需求的变化很剧烈的且大致和有功功率的摇摆成正比的。在两种情况下，特殊的直流控制策略决定了换流器无功需求的动态行为。因为每个系统的控制策略的不同，所以无法对换流器无功需求的暂态变化作一个总结性的预测。

2交流系统无功需求

换流站交流系统无功电力需求一般通过装设电容器等无功补偿设备来满足其无功消耗。其中BP神经网络应用最为广泛，它具有强大的学习功能，可以实现输入到输出的非线性映射。

图4直流输电系统

如图4所示系统，其典型电压调制曲线如图5所示，当潮流增加时，负荷侧的电压将下降到一个临界值，任何企图增加潮流超过这个最大传输功率的行为结果都可能导致系统电压崩溃，这就需要通过增加无功电力以提高其临界运行点，提升传输功率。

图5直流输电系统的电压-功率关系

传输功率的变化使交流系统对无功电力的需求也随之改变，通常由交流系统中的电容器按照一定的控制逻辑来顺序投切以满足交流系统对无功功率的动态需求，确保系统的稳定运行。而实际工程中应用这些方法来投入并联电容器时，还有一定的局限，因为随着功率峰值点的增大，将可能使对于交流小电压扰动的调制超出系统承受范围，如图6。同时，过多的使用电容器还有可能造成一旦系统突然甩负荷，换流站出现严重的过电压，这是对交流系统和整个直流输电系统来说是绝不允许的。

图6负荷母线上加电容器的电压-功率图

此外，交流系统电压可能会由于系统在受到短路或者发电机跳闸等大的扰动时产生的同步功率的变化而变化，如果由于同步功率的摇摆而使换流站母线电压大范围变化，这将对无功补偿设备和无功控制提出更高的要求。

3交流和直流无功的综合要求

换流器的无功需求是决定无功补偿子系统的主要因素，但是交流系统的无功需求也是不能忽略的，必须考虑到满足直流电压运行的交流电压的要求，如果直流换流站有暂时过负荷能力，那么也要考虑暂时过负荷时的无功支持。交流系统和直流换流器的总的无功要求如图7所示。

图7换流站总的无功需求随传输功率的变化

除非特殊的情况下需要静止无功补偿设备或同步调相机来控制电压，一般情况下换流站就使用可投切的电容器和电抗器。谐波滤波器在基频下就是一个电容器，所以它可以提供直流系统正常运行所必需的无功功率。

4无功功率计算

换流站无功补偿计算须结合一定的交直流系统参数条件。交流系统条件包括两端换流站接入点的电压等级、电压运行范围、短路容量、最小绝对滤波器组容量等，直流系统条件包括直流电压、直流电流、运行方式以及直流线路参数和接地极参数等。

换流站消耗的无功功率：

(1)

式中：

-直流空载电压；

-直流电流

-触发角

-叠弧角

上中α 的换成γ 即为逆变器Q的计算公式。

可以看出换流站消耗的无功功率与传输功率、触发角及熄弧角等参数有关。在传输功率确定的情况下，可以通过改变触发角来进行无功控制。

5无功控制

无功控制通常是直流系统和交流系统连接处的交流电压的控制手段，除非交流系统本身很稳定，因此实际无功交换控制对维持整个交直流系统稳定运行的意义举足轻重，而其实现方式通常包括按逻辑顺序投切电容器、转换控制模式改变运行方式等。

5.1稳态无功控制

在直流系统功率提升和下降的过程中，当直流系统无功要求和传输功率成正比地增加或减少时，要同步顺序投切相应的无功补偿设备以满足交流电压带宽的控制准则。

对于一些高压直流输电工程，如当地发电机维持着一个稳态的交流电压时，无功交换带宽准则可能更适用一些。如果交直流的连接处距离大的发电厂很远，就有可能产生电压不稳定，当无功交换增加时电压-功率变化不稳定性增加的可能性很大，交流系统可能需要交流电压控制，此时根据换流站的小组无功值和交流场母线电压，确定需要投切的无功补偿设备小组数目。

5.2动态无功控制

交流系统对交流电压的动态控制可以在很大范围内变化，这要求必须在换流站内具备动态无功控制功能。当交流电压突升时，换流站采用定功率控制模式或是采用定电流控制模式，换流站的无功需求都会增加；对于交流电压的突然下降，如果换流器是处于定电流控制模式，或是定功率控制与定熄弧角控制模式无功需求都要降低。这就需要根据系统电压和控制模式的选择相应地投入或切除滤波器小组来进行无功调节。

当然，如果为了支持交流系统而要在换流站内实施幅度更大、持续时间更长的无功变化，那么控制必须涉及到无功电源子系统的元件，通过按系统运行策略要求来投切无功补偿设备的方式以调整无功发出或吸收。

5.3低短路比系统的无功控制

近年来，一般都是通过对静止无功补偿设备发出或吸收无功的精确控制来使直流系统运行于低短路比的交流系统。一般通过设计无功电源子系统增加短路比或者设计控制方式使换流站在低短路比的情况下能够运行。

图8显示了在背靠背连接两个相对较弱的交流系统时是如何影响无功需求的行为，当功率传输较低时，大范围的无功变化就需要大调节范围的γ角，这可以避免为了吸收无功而过于频繁地投切电抗器、交流系统产生的大量的充电功率以及由于滤波的要求而投入的大量的滤波电容器。

图8低短路比系统中换流站的无功消耗

然而大控制角的极端用处是在背靠背直流工程上，在长距离直流输电系统中，大运行角度会造成低的直流电压、大的直流电流和附加损耗的增加，因此这项直流控制技术在长距离直流输电工程上一般很少采用。

6无功控制发展趋势

可预期的未来，在低短路比的情况下的换流站换相失败的情况将成为历史，随着电力电子技术和强制换相技术的发展，传统直流所采用的换相技术将被取代。

强制换相的换流器并不像普通换流器那样总是吸收无功，选择适当的控制方式，采用门极可关断的换流器可在很高的功率因数下运行，甚至可以发出无功，在电流控制方面的灵活性可以使它在短路比很低的条件下运行。短路容量的极限可以达到零，这种条件下普通换流器的许多限制条件也就不存在了。

强制换相技术现已被成熟应用于柔性直流输电和加装STATCOM设备的工程建设中，它将对传统无功控制和直流输电技术的发展将带来颠覆性的变革。

7结束语

无功补偿在直流输电系统中是一个重要部分，无功子系统的正确设计和利用是高压直流输电系统成功运行的关键，现阶段的直流输电工程中通常利用谐波滤波器来提供系统对无功电力的需求。随着电力电子技术的发展，快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿将成为无功补偿设备的主要发展方向。