交流滤波器无功功率有效性监视电路设计

梁天明，赖皓

(中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州 510405)

0 引言

交流滤波器是高压直流输电系统的重要组成部分。通过在换流站配置一定数目的交流滤波器，消除换流器产生的交流侧特征谐波，防止其进入交流系统。同时产生一定的无功功率输出到交流系统，补偿换流器工作过程中消耗的无功功率。直流站控系统根据换流站与交流系统的无功功率交换情况进行交流滤波器的自动投退［1］。换流站小组交流滤波器数目较多，测量回路连接端子众多。长期运行过程中出现个别端子松动的情况在所难免。测量回路故障造成测量电压缺相或偏低使得无功功率计算失误。直流站控系统自动投入多余交流滤波器，导致无功功率大量过剩。由于系统缺乏相应的自主检测及报警功能，故障长期潜伏，影响交流系统无功平衡及电压稳定。

1 换流站交流滤波器配置及投退原则

换流站核心设备-换流阀在工作过程中会消耗大流量无功功率，所以换流站应具备一定的无功补偿能力。在不同的直流负荷方式下，换流站应该能够实时补偿换流阀从交流系统吸收的无功功率，以维持交流系统无功平衡及电压稳定。所以直流工程换流站内都配备一定数量的交流滤波器。在滤除换流阀产生的谐波的同时，向交流系统输出补偿无功功率［2］。以±500 kV兴安直流输电工程为例，兴安直流输送容量3 000 MW。宝安换流站侧共配置3大组交流滤波器共计12个小组，其中6组为A型双调谐交流滤波器，滤除11/13次谐波，输出额定无功功率175 Mvar，另外6组为C型并联电容器，输出额定无功功率175 Mvar。同类型交流滤波器设备型号及参数完全相同，如图1所示。

图1 交流滤波器配置图

换流阀消耗的无功与直流系统的运行方式和传输的功率水平相关。当直流功率不断提升时，换流阀需要消耗的无功会不断增加，需要投入的滤波器，反之则退出一定数目交流滤波器［3］，使无功功率达到动态平衡。该过程由直流站控系统根据换流站与交流系统的无功功率交换情况进行滤波器的投退。目前交流滤波器自动投退采用定无功功率控制。当系统无功功率满足Qsys-＞QSet-max时，延时5 s投入一组交流滤波器;当系统无功功率满足Qsys＜QSet-min时，延时10 s退出一组交流滤波器。Qsys为与交流系统交换的无功功率，其控制范围及定值［4］如表1所示。

表1 交换无功功率控制范围及定值

2 无功功率的测量与计算

小组滤波器的无功功率计算由就地控制单元6MD66来完成。每一小组交流滤波器无功功率计算所需电压量取自大组母线PT实测值，电流量取自各小组交流滤波器CT实测值［5］35。如图2所示。

图2 无功功率测量环节

3 无功功率计算失误案例

换流站小组交流滤波器数目较多，测量回路连接端子众多，长期运行过程中容易出现个别端子松动。目前换流站多次出现交流滤波器电压测量回路端子松动的情况，导致无功功率计算失误。

故障1:端子松动导致交流滤波器功率计算缺相，交流滤波器自动投入过量。

2013年10月10日，直流功率为2 900 MW，运行监视工作站显示编号为582、583和584的三组交流滤波器无功功率为113 MVar(交流滤波器小组额定无功功率为175 MVar)，与正常值偏差过大;其他运行的交流滤波器无功功率显示正常。此时交流滤波器共投入了11小组(6A+5C)，查阅直流负荷-无功需求对照表［5］64如表2 所示。

由表2 可以看出直流功率在 2 900 MW(0.9 p.u ～1.0 p.u)时，9组交流滤波器便可满足无功需求，而实际却投入了11组，显然实际投入运行的交流滤波器数目比当时直流功率应匹配数目偏多。现场检查发现编号为582、583和584三组交流滤波器6MD66装置C相电压测量值为零。对电压测量回路进行排查，发现第三大组交流滤波器就地控制接口屏内个别测量端子松动，对其进行紧固后异常现象消失。三组异常交流滤波器无功功率恢复至正常值，直流站控自动退出过多投入的两组交流滤波器。在此过程中，电压测量回路故障，导致交流滤波器无功功率计算值比实际值偏低，致使直流站控系统判断失误，错误地向交流系统多投入交流滤波器，最终导致无功功率大量过剩，严重影响了周边变电站交流电压稳定性。

故障2:测量端子松动，接触电阻分压导致无功功率计算偏差。

2014年12月4日，500 kV交流母线电压为527 kV时，工作站上显示编号为572、573的两组交流滤波器无功功率值为160 Mvar，对比其余同类型型小组滤波器的无功功率值为171 Mvar。现场检查两组交流滤波器6MD66装置上显示U12和U23为505 kV，较交流母线电压明显偏低。U31为527 kV，与交流母线电压相同。20分钟后，编号为572、573两组交流滤波器无功功率值显示为正常值。对测量回路进行检查，发现无功功率测量电压回路两个端子明显松动，初步怀疑无功功率值偏小为松动端子产生了接触电阻分压所致。由于该测量回路尚未完全断开，故该故障过程中测量所得无功功率值较正常无功功率值偏差较小，没有出现交流滤波器过量投入的情况。

两次典型的交流滤波器无功功率计算失误故障均无任何信号或报警。由于交流滤波器投退有直流站控自动控制完成，无任何人为干预，一旦出现无功功率计算失误的故障，很难被监控人员发现，容易造成故障长期潜伏，向系统长期输入大量过剩无功功率，威胁交流系统无功平衡及电压稳定。

表2 直流负荷-无功需求对照表

4 交流滤波器无功功率监视电路设计

在目前的交流滤波器控制策略中，缺少对交流滤波器无功有效性的主动监视与告警功能是造成故障不易被发现而长期潜伏的重要原因。为了解决上述问题，有必要设计一种交流滤波器无功功率监视电路，实现交流滤波器无功有效性的检测及报警，以4组同类型交流滤波器为例，设计电路逻辑框图如图3所示。

图3 交流滤波器无功监视逻辑框图

该交流滤波器无功功率监视电路包括i个相同的交流滤波器电流互感器以及与之对应数量的母线电压互感器和测控装置，i≥3，每个交流滤波器电流互感器与其对应的母线电压互感器的输出端分别连接至对应的测控装置的输入端。交流滤波器无功功率监视电路的信号处理部分包括i个减法器、i个绝对值运放电路、i个窗口比较器以及1个或门。减法器、绝对值运放电路和窗口比较器一一对应，对于i∈ 1，N[ ]-1中的任意数值，均满足:第i个测控装置和第i+1个测控装置的输出端分别连接至第i个减法器的两个输入端，同时，第N个测控装置和第1个测控装置的输出端分别连接至第N个减法器的两个输入端，每个减法器的输出端分别通过其对应的绝对值运放电路连接至该减法器对应的窗口比较器的其中一输入端，每个窗口比较器的另外二个输入端分别连接至下限参考电压源和上限参考电压源，每个窗口比较器的输出端均连接至或门的输入端。

由于同类型交流滤波器一次设备、电压互感器、电流互感器均采用相同的型号和技术参数，所以各小组交流滤波器电压和电流实测值一致，正常情况下计算所得各交流滤波器向系统输出的无功功率一致，不因器件差异而出现测量误差。

如果仅考虑交流滤波器全部投入时，只需将上述多个绝对值运放电路的输出信号给到普通比较器的输入端，当差值大于下限值A即可。但是在实际操作中，很可能一些交流滤波器并未投入，此时，将其与其他投入的交流滤波器的无功功率进行比较，则会出现一个很大的值，如果还采用普通比较器则会引起误操作，所以还需对差值的最大值进行限制，所以引入上限值B，构成窗口比较器。对于每一个窗口比较器而言，当其第一输入端的输入信号的大小在其第二输入端和第三输入端的输入信号的大小之间时，该窗口比较器则输出高电平。

设定下限参考电压源的电压值为A，上限参考电压源的电压值为B，某个窗口比较器的第一输入端的输入电压可能存在以下三种情况:

(1)小于A:正常情况，由于电压微小波动，导致功率计算值正常波动，但由于各组交流滤波器型号和额定功率一致，所以这种波动很微小，此时该窗口比较器输出低电平，根据运行经验，A值可取5。

(2)大于B:正常情况，相互比较的两组交流滤波器一组投入(输出额定无功功率)，另一组没有投入(输出为0)，两组无功功率差值达到最大极限值，此时该窗口比较器输出低电平，根据运行经验，B值可暂取150。

(3)大于A小于B:异常情况，个别端子松动，产生接触电阻分压，造成电压实测值偏低。或端子直接断开，直接缺相计算无功功率;两种情况都会造成该组无功功率计算偏低，通过与周边正常交流滤波器无功功率进行比较，差值在A和B范围内，此时该窗口比较器输出高电平。

5 仿真验证

为验证交流滤波器无功功率监视电路逻辑框图的正确性，进行了MATLAB仿真试验。试验采用4组同型号交流滤波器(可根据需要进行扩展)。其中3组处于投入状态，且额定无功功率值为175 Mvar。另外1组退出，输出无功功率为0。当其中一组出现端子松动，导致6MD66计算所得无功功率值为160 Mvar时，构建仿真模型如图4所示。

图4 仿真模型及结果

输入功率值175、175、160和0四个值可代表交流滤波器所有运行工况，可以看出，电路输出为1，将此高电平信号接入换流站报警系统，产生相应的报警信号，即可实现故障情况的及时发现和报警，以提醒监视人员及时发现、及时处置，消除无功功率过剩对电网的持续影响。

6 结束语

换流器属于大型无功负荷，换流站是无功功率就地平衡的重要节点［6］。无功功率过剩或不足都将对交流系统造成不良影响。鉴于交流滤波器无功计算失误的情况经常发生，且故障容易长期潜伏。建议在换流站交流滤波器组加入独立的监视电路，通过将相邻交流滤波器无功功率进行相互比较，并首尾相连形成一个“比较环”，实现各个交流滤波器无功功率之间的相互监视，解决了当前交流滤波器功率计算失误时不容易及时发现的问题，当个别交流滤波器无功功率计算值与其它交流滤波器不同，即启动报警功能，及时消除无功计算失误对电网造成的持续影响，有助于维持交流系统无功功率平衡，提高交流系统电压稳定性。

［1］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［2］梁天明，李豹，张蔷，等.交流滤波器电容器运行情况分析及共性问题探讨［J］.电力电容器与无功补偿，2012，33(6):77-82.

［3］SIEMENS.Guizhou-guangdong Ⅱ line ±500 kV HVDC transmission project:maintenance manuals of AC filter(GG2)［K］.SIEMENS，2007.

［4］中国南方电网.高压直流输电控制保护系统研究报告(直流部分)［R］.广州:中国南方电网技术研究中心，2005.

［5］SIEMENS.Guizhou-guangdong Ⅱ line ±500 kV HVDC transmission project:DC station control system information manual(GG2)［K］:SIEMENS，2007.

［6］洪妙，刘栋，骆林峰，等.换流站交流滤波器的配置与控制功能优化［J］.电力电容器与无功补偿，2012，33(3):6-9.