串联多端直流输电无功补偿及控制策略

刘俊磊

摘 要：多端直流输电属于直流输电的一种形式，能够实现多电源供电以及多落点受电，对于提高供电质量以及供电可靠性具有重要意义。但是基于晶闸管的传统换流技术在换流过程中需要消耗大量无功功率，加大了电能的损耗，不利于电能的充分利用，严重影响了多端直流输电的推广及应用，阻碍了我国电力事业的发展，针对这种状况必须通过无功补偿技术加强对线路耗能情况的控制。本文简要介绍了串联多端直流输电及其无功理论，对无功补偿的具体设置进行了分析，并提出了有效的串联多端直流输电无功补偿控制策略。

关键词：串联多端直流输电；无功补偿；理论；技术；控制策略

中图分类号：TM721 文献标识码：A

近年来为了满足经济发展的需求，我国加大了电网建设力度，通过对电网结构进行优化和调整，将直流输电形式运用于电网结构中，在建设大容量、远距离电网过程中起到了重要作用，具有非常重要的现实意义。但是传统直流输电形式也存在一定的弊端，电流的输出端与输入端只能点对点进行对接，无法实现多个输入端与输出端之间的有效连接，不能满足实际供电需求，所以在这基础上发展形成了串联多端直流输电，通过对串联多端直流输电无功补偿及控制策略进行分析、研究，能够为该技术的推广应用创造有利条件，发挥其应用优势。

1.串联多端直流输电介绍以及其无功理论

1.1 串联多端直流输电介绍

串联多端直流输电是指采用串联的形式将电网中的不同环节站相互连接，在线路中设置一个接地点，将所有电流汇集到一起流入到同一个直流电流，然后通过改变直流电压来对功率在不同换流站的具体分配进行调整，进而实现电流的输送。通常情况下，串联多端直流电压的分配是由一个换流站完成的，通过对直流电压进行科学地分配，能够实现对线路电流的调节，满足了电网多点同时供电的需求。

1.2 串联多端直流输电无功理论

串联多端直流输电的换流站主要有基于电流源的换流器和基于电压源的换流器两种形式，两者可以单独使用也可以混合使用，本文主要对基于电流源的换流器进行研究，其无功补偿的理论基础包括换流器无功消耗以及交流系统无功支持能力。换流器无功消耗主要涉及到换流器功率因数以及换流器无功功率轨迹，其中换流器吸收的无功功率随换流器功率的变化所形成的曲线就叫作换流器无功功率运行轨迹。根据换流器的工作原理以及相关函数知识可以得知，换流器的功率因数与触发角以及整流器和逆变器的换相角大小有关，当线路中的直流功率相同时，交流侧功率因数与触发角以及整流器和逆变器的换相角成反比关系，会随着角度的增加而减小，此时换流器吸收的无功功率将会增大。

换流站的无功补偿在很大程度上是由交流系统无功支持能力决定的，当交流系统无功能力较强时，较小容量的无功补偿便可以满足换流站的运行需求，可以适当减少无功补偿设备，节约了大量的系统运行资金，当直流系统突然停运时，能够有效避免因甩负荷引起的过电压现象，所以在设计串联多端直流输电无功补偿装置的时候，要对交流系统的无功支持能力加以充分利用。

2.串联多端直流输电无功补偿设置

2.1 无功补偿原则

在设置串联多端断直流输电无功补偿时，为了缩短传输距离、减少无功损耗，要坚持分层分区、就地平衡的基本原则。在规划直流系统路线的时候，要根据用户的实际需求进行分类，合理布置线路。当直流系统运行负荷较大时，为了减少容性无功补偿装置数量，可以对部分无功电源加以利用；当直流系统运行负荷较小时，为了减少感性无功补偿设备装置数量，可以通过发电机减少无功补偿大小，进而实现无功平衡。除此之外还需要对无功设计进行校核，主要包括容性无功补偿装置容量的校核、感性无功补偿装置容量的校核以及无功补偿设备分组投切是电压变化率的校核，通过对无功设计进行检验，能够保证无功补偿设置科学性以及合理性，满足直流系统实际运行需求。

2.2 无功补偿设计

在进行无功补偿设计的时候，首先要明确无功平衡方式，并根据具体方式选择不同的无功平衡配置方案，常见的无功平衡方式主要有无功独立平衡方式、单站独配方式以及无功整体平衡方式3种，基于这3种平衡方式可以提出多种无功平衡配置方案，本文所用的无功平衡配置方案为结合与换流站相连的交流系统的无功支持能力，以满足换流站的无功消耗需求进行平衡配置。根据具体的系统参数以及无功边界条件，结合计算公式，运用数学知识分别对换流站无功消耗、换流站无功分容量进行计算，得出较为准确的计算结果，确定换流站的大组、小组以及无功分组数的方案；然后在对无功小组容量进行计算，推算出无功小组的最大容量；最后根据计算以及估算得出的具体数值确定无功配置方案。

2.3 无功补偿与配置方案的校核

为了保证无功补偿配置方案满足实际需求，需要对无功补偿与配置方案进行校核。换流站的无功消耗情况与其运行方式有着直接影响，通过对换流站不同运行方式下的无功消耗情况进行校核，能够满足实际运行需求；无功补偿总容量是有一定的条件要求的，所以需要分别对整流站逆变站的无功补偿容量进行校核；除此之外还需要对感性无功补偿设备容量、投切无功分组电压波动以及无功分组投切工程进行校核，以保证无功补偿配置方案满足直流系统实际运行需求。

3.串联多端直流输电无功补偿控制策略

3.1 评估直流系统故障对暂态电压的影响

当直流系统中出现运行故障的时候，会对暂态电压的稳定性造成影响，利用暂态电压稳定指标可以对所产生的影响进行评估，进而能够清楚地了解到暂态电压可能出现的问题，制定针对性的应对措施，所以在对串联多端直流输电无功补偿进行控制的时候，首先要明确暂态电压稳定指标，当直流系统出现故障的时候，利用相关指标能够得出故障对暂态电压稳定性的具体影响，为优化电力系统的无功补偿提供了可靠的参考依据。将暂态电压稳定指标与有关的计算指标相结合，采用时域仿真法对故障情况进行模拟，然后得出故障情况对暂态电压稳定性的影响程度，根据评估结果提出无功补偿优化措施，故障所造成的风险降到最低。同时还需要以时间为划分标准将动态无功备用分为不同等级，以满足不同时间段的实际需求。

3.2 基于模型预测控制的动态无功协调优化

在对直流系统进行动态无功协调进行控制的时候，如果仅仅是对当前运行状态进行考虑，是很难实现有效的控制效果的，无法保证控制的连续性。在对无功装置进行调节的过程中，因装置特性的不同彼此之间可能会存在竞争关系，所以在对串联多端直流输电无功补偿进行控制的时候，需要采用MPC动态无功协调优化控制方法建立模型，对每一个时间层未来的运行状况进行模拟和预测，确定响应特性与之匹配的无功设备的动作量及动作时刻，根据预测结果对各类离散、连续无功设备进行协调，提前响应系统中预见变化，满足电压安全并预留快速无功备用。

3.3 不基于负荷模型的暂态电压稳定快速评估

因为组成电力系统负荷具有多变、灵活的特点，很难通过构建负荷模型将其基本情况反映出来，所以在对暂态电压稳定性进行评估的时候，如果采用负荷模型评估方法，是无法得出准确的结果的，便无法实现对直流系统无功补偿的有效控制。针对这种状况，通过利用李雅普诺夫指数，可以在不构建负荷模型的情况下，根据PMU数据的动态情况得出电力系统所发生的具体变化，进而得知暂态电压稳定性，然后对无功补偿进行调控。

3.4 自律、协同的暂态电压稳定紧急控制体系

在对串联多端直流输电无功补偿进行控制的时候，经常会遇到紧急情况，需要通过就地切负荷方式迅速完成控制过程，但是就当前的紧急控制装置来看，是很难实现就地智能控制的，所以就需要建立一套有效的紧急控制体系，来减少切负荷量。通过将动态无功装置与发电机组相结合，然后将快速切负荷控制与两者结合形成的协调控制器相互配合，能够使负荷感应电动机在故障期间转子转速下降减少，提高负荷节点在故障切除后的电压恢复能力，可以有效减少暂态电压稳定的故障切除所需时间，实现紧急控制系统的构建。

结语

与常规的高压直流输电相比，串联多端直流输电具有多方面的应有优势，首先是扩大了直流传输容量以及传输距离；拓宽了直流功率的调节范围；并且当换流器出现故障的时候，系统中的其他运行环节仍然可以继续工作。但是同时也增加了换流站数量以及线路段的增加，也会提高直流系统的复杂程度，加大了无功补偿难度，并且换流过程中会造成大量的电能损耗，电能利用率较低，所以需要优化无功补偿配置，制定科学、有效的无功补偿控制策略。

参考文献

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