直流换流站无功控制问题综述

计荣荣，周建平，单金华，叶海明，刘永杰，潘成程（国网浙江省电力公司检修分公司，浙江杭州 310000）



直流换流站无功控制问题综述

计荣荣，周建平，单金华，叶海明，刘永杰，潘成程
（国网浙江省电力公司检修分公司，浙江杭州 310000）

摘要：直流输电无功控制目标是保证交、直流系统的无功交换满足规范要求，并对换流器流进交流系统谐波的抑制满足要求。实际工程中无功控制主要通过对交流滤波器的投切来实现。本文综合理论及工程要求，对直流系统交流滤波器的设计选择、无功控制功能和交流滤波器的投切策略进行了全面的分析和研究。

关键词：无功平衡；交流滤波器；滤波器设计；无功控制策略；

本文引用格式：计荣荣，周建平，单金华，等.直流换流站无功控制问题综述［J］.新型工业化，2016，6（6）：68-74.

Citation： JI Rong-rong， ZHOU Jian-ping， SHAN Jin-hua， et al.Overview of Reactive Power Controlin HVDC Converter Station［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（6）： 68-74.

0 引言

特高压直流系统具有远距离、大容量输电的优势，对我国能源分配及电力发展具有重大意义。为保障交、直流系统稳定可靠运行，特高压换流站无功控制起着至关重要的作用，滤波器设计也是换流站系统设计的基础之一。［1］

由于不同的运行方式，换流器在运行中所消耗的无功功率不同，因此控保系统在整个运行过程中都需进行相应的调节。无功控制就是在各种直流运行工况下，通过对交流滤波器（含并联电容器）的优化组合和投退，使交、直流系统的无功交换量满足规范要求，并将换流器流进交流系统谐波的抑制满足要求。［2-3］

本文旨在分析换流站无功设备的设计选择、无功控制功能及交流滤波器的投退策略等问题。

1 换流站无功平衡

换流站内换流器（换流阀+换流变）是无功消耗的主要设备。其中换流阀在整流及逆变过程中，都需要消耗无功，以达到交、直流转换的目的；换流变无功损耗分空载损耗和负荷损耗两部分，也都需要消耗一定的无功。根据公式：

式中，Qdc为换流器消耗无功，Pdc为直流输送功率，∅为功率因素角；α为触发角，额定运行时约为15°；为换相角，额定运行时约为20°。

根据目前工程实际，换流站额定运行时功率因数一般达到0.85～0.9。由此，换流器运行时消耗无功约占输送功率的30%～60%。所以，从无功角度看，换流器可等效为随直流输送功率而变化的无功负荷，且其消耗无功随直流功率的上升显著增加。

基于无功功率“就地平衡、不远距离传输”原则，换流器消耗的无功需站内交流设备给予平衡，以保证交流系统电压的稳定。交流系统除本身的容纳能力外（其提供容性无功约占10%），配置的交流滤波器是容性无功的主要发生者。［4-5］

因此，交流滤波器的合理布置及准确投切是直流输电系统乃至整个电力系统正常运行的重要条件。

2 换流站滤波要求

换流器在运行中主要产生11、13、23、25（12k±1）等次特征谐波（k为正整数），以及各次非特征谐波，这些谐波绝大部分都注入交流系统，影响交流系统的电能质量。因此，通过交流滤波器滤除各次谐波是极为重要的。

由于完全滤除换流器产生的各次谐波较为困难，故工程上采用将系统谐波控制在可接受的范围内为原则。

目前，我国直流工程普遍采用总谐波电压畸变率Deff不大于1.75%、电话谐波波形系数THFF不大于1%、单次谐波电流含有率Dn不大于1.25%等谐波指标作为滤波设计指标。［6］

3 交流滤波器选择

3.1 型式选择

交流滤波器有双调谐、三调谐及单调谐三种类型。双调谐滤波器对两种谐波都具有较好的吸收效果，且便于备用和维护，其主要缺点是对失谐较为敏感。三调谐滤波器投资及损耗较低，但易失谐且调谐困难。单调谐滤波器结构简单、单次谐波吸收效果好，但滤波单一，需配置组数多，进而投资大。

因此，目前直流输电工程普遍采用双调谐滤波器。由于12脉动换流器产生特征谐波主要为12、13、23、25次，故换流站多采用HP11/13、HP12/24或HP24/36等类型滤波器，同时配以SC电容器组进行高次滤波。

此外，3次谐波属于换流器产生的非特征谐波。工程上，3次谐波滤波器是否装设取决于交流母线处短路容量与滤波器总容量之比Sk/ Qc，当比值小于12时，认为滤波器与交流电网产生3次谐波谐振可能性较大，需考虑装设HP3；反之则可不装设。［7］

3.2 容量及组数选择

滤波器配置总容量应满足直流输电各种工况下系统对无功的需求，并满足设备故障情况下的冗余度及交流系统电压波动对容量的影响等多种因素。

根据研究，交流滤波器总容量由下式确定：

式中，Qc为滤波器总容量，Qex为换流站与交流系统允许交换的无功总容量，Qdc为换流器消耗的无功总容量，Up.u.为运行时交流母线电压标幺值，Nb为备用滤波器冗余组数，△Q为滤波器单组容量。

交流滤波器单组容量越大，则组数越少，经济性越好，但投切单组滤波器引起的交流母线电压差及无功变化量就越大，有时不满足控制要求。工程上，交流滤波器单组容量由下式确定：

式中，△U为交流母线电压偏差允许值，一般小于2%，Sk为交流母线处短路容量。

由于各型号交流滤波器无功补偿量基本一致，故其总组数Ns由可由下式确定：

同时，无功大组的选择应根据交流系统强弱及交流断路器遮断容量确定，一般保证其被切除时，交流母线电压变化率不超过5～6 %。［8］

3.3 最后确定

经过上述计算后，一般可得出几种配置方案，然后经过测试计算满足以下几个要求。

1）将主要谐波控制在可接受范围内。

2）允许故障情况下设备的冗余。

3）直流轻载无功投切需求。

4）满足滤波器失谐要求。

最后，根据经济寿命周期及设备制造规范等因素，优化选择出滤波器类型、单组容量及组数参数。［9］

4 换流站无功控制策略

换流站无功控制主要是通过对滤波器的精准投切来实现的。其功能由多个子功能组成，每个子功能按设定的优先级和判据条件实现其应有功能，按照优先级一般包括：［10-11］

图1 换流站各无功控制功能图Fig.1 Schematic diagram of reactive power control forHVDC converter station

优先级1（最高）：绝对最小滤波器控制（Abs Min Filter）；

优先级2：最高/最低电压限制（U-max/ min）；

优先级3：最大无功交换限制（Q-max）；

优先级4：最小滤波器组控制（Min Filter）；

优先级5（最低）：无功判据/交流电压判据控制（Q-control/U-control）。

以及过电压快切控制（Over Voltage Control）、QPC控制等，如图1所示。

4.1 Over Voltage Control功能

Over Voltage Control功能通过快速切除滤波器来保护交流设备免于过电压危害。是新建工程中电压无功控制要求更精准的方式。根据过电压幅值，采取不同延时的快切方法，如图2所示。该功能主要配合故障情况时的无功控制。

4.2 Abs Min Filter功能

Abs Min Filter功能优先级最高，主要防止滤波器受到过应力损坏。在换流器解锁前，Abs Min Filter功能即按照预先确定的滤波器组（即绝对最小滤波器投切表）投入相应滤波器。并在系统运行中，对绝对最小滤波器条件进行持续监视，闭锁其他子功能导致不满足Abs Min Filter条件的切除命令执行。若经过一段延时，Abs Min Filter条件仍不满足，则执行功率回降或闭锁命令，如图3所示。

图2 Over Voltage Control功能逻辑框图Fig.2 The logical frame of Over Voltage Control

图3 Abs Min Filter功能逻辑框图Fig.3 The logical frame of Abs Min Filter

进行RUNBACK时，将当前功率水平和预设的多级功率水平比较，确定功率回降等级后，程序将该功率定值送至极功率控制执行。

4.3 U-max/min功能

U-max/min功能是保障换流站交流系统电压不超过其最大和最小限制值，维持交流电压在过电压保护动作水平以下，如图4所示。同时也是其它低优先级子功能的电压限制条件，决定它们对滤波器的投切是否执行。

4.4 Q-max功能

Q-max功能以交流系统提供总无功与换流器消耗无功之差为判据，当超过设定值时则切除滤波器，主要用于防止直流功率速降时过电压动作事件的发生，如图5所示。同时决定低优先级的无功投入命令是否执行。在暂态过程中闭锁该功能。

图4 U-max/min功能逻辑框图Fig.4 The logical frame of U-max/min

4.5 Min Filter功能

Min Filter功能以系统是否满足换流站的滤波特性为判据，以Min Filter表为依据，对最小滤波器组投切进行控制，如图6所示。同时对Q-control/U-control功能造成不满足最小滤波器组条件时，限制其滤波器切除操作。并具有防止功率变动导致滤波器频繁投切的迟滞作用。

图5 Q-max功能逻辑框图Fig.5 The logical frame of Q-max

4.6 Q-control/U-control功能

Q-control/U-control功能是通过、的参考值的设置，投退滤波器来控制换流器与交流系统的无功交换量、稳态运行时的交流母线电压，以使直流系统处于较好的运行状态，如图7所示。正常运行时，Q-control和U-control控制选择一种。

同时，为避免在临界区无功设备频繁投切，程序设置死区，死区值大于最大滤波器分组投切引起的电压波动的50%。

图6 Min Filter功能逻辑框图Fig.6 The logical frame of Min Filter

4.7 其他功能

为了获得更好的无功控制效果，同时减轻滤波器投切对电力系统的扰动，无功控制还包含一些辅助的控制功能，如QPC和Gamma kike功能等。这些功能在控保系统中通过迅速增加触发角的方式来快速提高换流器无功的消耗水平，从而在极短期内配合换流站无功平衡问题，也可消除功率突变时滤波器频繁投退缺陷。

图7 Q-control/U-control功能逻辑框图Fig.7 The logical frame of Q-control/U-control

同时，换流站还采用换流变分接头控制TCC，其目标是控制触发角、熄弧角和直流电压在给定的参考值范围内。TCC每次调节换流变的1个分接头，步进约1.25%，调节时间为5-10s，动作响应较慢。换流变之间具备分接头同步调节功能，一般档差不超过3。

此外，为适应多种运行方式，整流站还可配置多组低抗设备进行辅助无功调节。［12-13］

5 滤波器投切问题

5.1 投切均衡性

保障同种类型的滤波器投运时间一致，程序设置循环选择，先投先退。

5.2 投入顺序

不同类型的滤波器优先级顺序为HP11/13、HP24/36、HP12/24、HP3、SC。高优先级的滤波器优先连接，当不可用时将投入低一级的滤波器，保证投入的滤波器具备优化的滤波能力。

5.3 状态标识

根据运行情况，将滤波器分置多种状态：已投入、已退出、允许投入、允许退出，作为控保系统投切判据。特别当出现滤波器保护跳闸、异常故障以及检修退出时，控保系统在需要投入滤波器时会跳过不可用的滤波器。

5.4 同类替换

当某一组滤波器由其他原因（如滤波器保护动作）退出系统后，需投入另一组同类型的滤波器替代失去的滤波器功能，减少系统滤波差异。

5.5 防振荡措施

为防止交流电网较弱时滤波器连续投切，程序中设置振荡检测逻辑。在预定时间内计算投切滤波器的次数，如连续投切超过了限定值（如3次），系统将自动模式改为手动模式，以阻止更多的滤波器频繁投切。［14-15］

6 结语

直流输电系统中，换流站无功平衡、谐波合规是系统正常运行的重要条件，通常通过交流滤波器（含电容器）设备进行控制处理。

工程上根据相关系统参数，设计出交流滤波器的类型、容量及组数，以满足各项要求。同时，无功控制设计有多项不同优先级的子功能，通过子功能不同判据的紧密配合实现对交流滤波器的精准投切，进而保障直流系统稳定运行。

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DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.06.008

作者简介：计荣荣（1985-），男，硕士研究生，浙江大学，国网浙江省电力公司检修分公司，工程师，研究方向为直流系统输电；周建平，男，高级工程师；单金华，男，高级工程师；叶海明，男，高级工程师；刘永杰，男，高级工程师；潘成程，男，高级技师

Overview of Reactive Power Controlin HVDC Converter Station

JI Rong-rong， ZHOU Jian-ping， SHAN Jin-hua， YE Hai-ming， LIU Yong-jie， PAN Cheng-cheng
（State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Maintenance Branch， HangZhou 310000， China）

ABSTRACT：The target of reactive power control of HVDC transmission system is to ensure the reactive power exchange of AC and DC system to meet the requirements of specification， and to meet the requirements of the suppression of the harmonic in the AC system.In the actual engineering， the reactive power control is realized by the switching of AC filter.According to theory and engineering requirements， a comprehensive analysis and research on the design of AC filter， reactive power control function and the switching strategy for HVDC system is carried out in this paper.

KEyWORDS：Reactive power balance； AC filter； AC filter design； Reactive power control strategy