雅中－江西±80080000kVkVkVV特高压直流工程受端换流站无功控制研究综述

余侃胜，吴 颖，陈明亮，王志成，黄 霞

（1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司检修分公司，江西 南昌330096；3.国网江西省电力有限公司，江西 南昌 330077；4.国网江西省电力有限公司赣州供电分公司，江西 赣州 341000）

0 引言

特高压直流远距离送电，在解决新能源外送问题中发挥着重要作用[1-3]，随着直流输送容量增加，直流落点的密集，现有的直流接入方式将不利于交流系统潮流的疏散，并且在电压支撑等方面带来一系列问题。为此我国学者提出了特高压直流采用分层方式接入交流电网的新方式，并论述了这种方式在提高受端系统电压支撑能力、引导潮流合理分布方面的优势。国内外对于分层接入直流输电系统的规划、运行特性、可靠性、落点选择、参数整定方面已有很深入的研究[4-8]。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。根据江西500kV电网和特高压电网的规划，雅中－江西直流工程将采用特高压直流分层接入方式，南昌换流站10000MW的各50%电力分别通过双极接入500kV和1000kV交流电网。直流输电系统的稳定运行需要受端系统提供足够的电压支撑，直流控制方式、直流功率输送水平以及受端系统的强度都会对换流母线的电压稳定产生影响[9-17]。为保证工程投运后交直流系统正常和事故方式下的无功平衡以及江西电网安全稳定运行，有必要对雅中-江西直流受端换流站的无功控制进行研究。

本文开展了特高压受端换流站无功控制的研究，综合分析国内外的前沿文献，从无功配置、动态无功控制、稳态无功控制及协调控制进行全方位的分析。

1 无功配置

换流站的无功补偿装置可分组投切运行，以适应各种直流运行方式[18]。无功补偿设备分组容量应综合考虑投切影响、电压控制、滤波性能和设备布置等要求进行优化。无功分组的容量分析可通过暂态电压和稳态电压波动的稳定计算校核确定，兼并考虑经济指标。无功补偿装置型号和容量可通过稳态、小扰动和强励暂态仿真测试选择支撑能力更强和补偿响应速度更快的补偿装置。换流站低压侧无功补偿装置电压配置、中性点接地形式及容量配置应考虑电流的协调运行，保证换流站低压侧无功补偿装置的正常运转。

考虑到江西电网后续有大规模风电特性及换流站接入交流系统面临的低电压风险，提高换流站近区交流电网的电压稳定性，减小滤波器投切带来的换流母线电压波动，可在换流站站用变低压侧加装静止无功补偿器（staticvarcompensator，SVC）和静止同步补偿器（staticsynchronouscompensator，STATCOM），并优化配置相应的小组滤波器容量。

换流站的无功消耗与直流的输送功率、直流电压、直流电流、换相角以及换相电抗等因素有关。无功消耗的计算应考虑设备制造公差及系统测量、控制误差等因素，使换流站最大无功消耗达最大值。考虑设备制造公差及系统测量误差等因素后，额定运行方式下受端换流站最大无功消耗见表1。

表1 南昌换流站最大无功消耗

大容量调相机作为无功发生装置对提高受端交流电网短路比，提高直流输送极限功率，增强电网强度和灵活性有独特的优势。在交流电网近端出现故障或换流阀发生换相失败电压下降时，大容量调相机可进行强励支撑电压和系统稳定，为故障切除赢得宝贵时间。大容量调相机影响无功支撑能力关键参数可通过系统仿真研究及综合考量选择。合理选择调相机的励磁控制系统配置，提高相同故障下的对系统电压的支撑能力，有效抵御换相失败[19-20]，具体参数见表2。

表2 调相机动态无功参数

2 动态无功控制

电压暂态稳定问题一直困扰电网运行，研究表明，通过电压稳定极限测试方法可识别电网暂态电压薄弱环节，增加动态无功补偿装置，能显著提高系统极限切除时间，改善系统整体动态电压稳定水平。

换流站逆变器无功消耗与容性补偿器无功出力存在动态差异，该差异可使逆变站成为动态无功源，直流有功回降后逆变站可向交流电网注入动态无功，提高了受端电网电压稳定性和规避切负荷。

分层接入换流站与特高压交流出现共站搭建应考虑混合无功补偿，配置混合无功补偿前后特高压空载线路合闸过电压幅频特性仿真测试研究，为特高压混合无功补偿的参数优化和布置方式的选择提供分析基础和理论依据[21-24]。

储能型静止同步补偿器能够在提升交直流混联系统受端电网电压稳定性的同时，有效抑制特高压交流线路的功率振荡，实现了对交直流混联系统稳定性的多目标控制，对提升交直流混联系统运行的安全稳定性具有显著的作用。

直流落点电网多馈入有效短路比降低与重要故障暂态失稳存在相关性，加强网架以及增加调相机的措施都能够提高电网强度并改善直流逆变站系统的无功电压稳定性，再可从提升多馈入电网薄弱环节处的多馈入有效短路比的角度入手，结合实际工程应用，合理提高多馈入交直流混联电网的无功电压稳定性。

结合换流站无功电压综合控制需求及调相机励磁控制策略与常规发电机组的差别，通过分析调相机励磁主控制环和主要励磁限制功能的配置和参数整定，提升暂态过程调相机的无功电压调节支撑能力。精准仿真分析和提炼出影响同步调相机在特高压直流输电严重故障下动态无功支撑的关键参数，可对调相机本体及调压器参数设计整定提供关键依据。

调相机可以提高系统的静态电压稳定裕度。调相机能抬升故障期间系统最低电压，可以降低直流系统发生换相失败的概率，缩小引起直流换相失败的交流系统故障的范围。

以直流逆变器和容性滤波器、无功补偿器为主要部件的直流逆变站动态无功特性为研究基础，直流逆变站可作为受端电网大容量动态无功源。针对以电压稳定为主导失稳形态的直流受端电网，提出直流逆变站高压母线电压为特征量的直流紧急控制的启动和撤销判据以及控制策略[25-28]。

3 稳态无功控制

传统的常规变电站电压无功综合控制策略电压无功的上下限固定，未考虑运行方式变化带来的影响，在某些运行方式下可能由于站内无功调压能力有限，产生无功调压困难的问题。同时，该策略也无法计及调节过程中电压、无功二者之间的协调关系，易出现调压设备动作后系统运行点在相邻非正常区域反复振荡的问题，特高压换流站稳态无功控制通过对电压无功综合控制分区图改善，考虑了任一调压动作，如机组增加无功，或者投一组低容同时对电压和无功的影响，使系统运行点在电压—无功平面上的运动轨迹始终平行于调压措施对应的VQ变化矢量，且相邻区域不含相反的调压措施，能够保证最多采取两种措施使系统运行点进入正常区域，有效避免了反复采取相反调压措施而系统在相邻区域内振荡的问题。

目前采用的AVC三级电压控制模式中，特高压沿线各变电站母线电压的优化设定值是通过三级电压控制的全局无功优化计算得出的。二级控制则是分区解耦控制，其根据三级控制给出的目标，分别计算每个分区内的电厂控制策略。

特高压输电补偿模式中，高抗的补偿量固定和低容低抗分组配置，具有控制投切方面的灵活性，特高压穿越无功的无功补偿接入系统中特高压站点的110kV侧。通过合理的低容低抗配置方案，使系统运行时能通过低容低抗投切策略，可使特高压穿越无功时对500kV电网产生的影响最小。

特高压直流输电无功电压控制不仅要能满足系统运行的基本滤波要求，还要考虑交流电压和无功交换的边界条件。无功控制一般有绝对最小滤波控制、最高/最低电压控制、最大无功交换控制、最小滤波器控制和无功交换控制/电压控制，减小换相失败发生几率时应考虑以上几种无功控制的优先级。

目前，特高压变电站内的低容/低抗投切尚未纳入特高压交流近区AVC系统的控制范围。若低容/低抗组数投切不合理，AVC系统仅通过控制特高压近区的500kV电厂不但难以控制电压，还会使得无功潮流不合理的流动。因此，特高压变电站内低容/低抗的投切策略与AVC系统的协调配合应作为下一步的研究方向。

4 协调控制

在馈入端交流系统强度较弱、直流传输功率频繁波动的高压直流系统中，换流站无功补偿设备的协调控制对改善换流母线电压的稳定性具有重要意义。研究表明，通过对比馈入交流系统强度不同时换流母线电压的稳定特性，分析连接弱交流系统的换流站在直流功率波动和电容器组投／切时容易出现母线电压失稳。进而依据所提出的换流站无功控制所需实现的多目标，并基于STATCOM多模式控制策略和参与AVC调节的控制策略，设计一种连接弱交流系统的换流站无功补偿设备多模式协调控制策略。主要包括换流母线电压无静差跟踪额定电压的稳态调压模式、换流站参与近区交流系统电压调节的自动电压控制模式，以及换流母线发生短路故障时抑制电压波动与换相失败的暂态控制模式。

特高压变电站无功补偿容量的计算方法可考虑基于变电站恒电压控制方式下有功传输特性，确定无功控制目标分析线路送受端电压关系式，对变电站无功补偿规划设计与运行调度有较强的指导意义。

对于直流馈入受端电网，避免换相失败与维持电压稳定是两个重要问题。换相失败预测控制及预测参数对逆变站非线性无功轨迹和电压稳定性的影响应引起重视，通过改善逆变站大扰动无功需求特性的预测参数优化措施提升受端电网电压稳定性。

直流系统运行时，不管无功控制模式处于功率Q模式还是电压U模式，交流母线极限电压控制始终有效。换流站交流滤波器频繁投切应考虑直流站控系统中无功控制功能的电压取值逻辑是否合理，避免直流站控系统不稳定的发生。

分层接入方式下的直流系统不管在拓扑结构还是控制方式上都有别于传统的直流单层接入方式，为保证交直流系统的安全稳定运行，对这新型直流接入方式下受端混联系统的特性亟需一个整体的认识和研究。在分层接入方式下受端各层换流母线电压稳定判据下，分析不同直流控制方式下电压稳定性的差异，得到不同控制方式下电压稳定性的排序。

特高压直流分层接入方式交直流系统间、高低换流阀组间以及两层不同电压等级的受端交流系统间均存在着电气耦合关系，系统的无功功率调节和电压稳定问题更加复杂。减小受端交流系统阻抗、交流系统等值联系阻抗、直流系统输送功率，增大关断角均能有效提高换流母线静态电压稳定性，同时受端交流系统等效阻抗角也会对换流母线静态电压稳定性产生影响[29-31]。

换流站中特高压交流母线的过电压水平主要受直流运行情况的影响。当发生扰动后直流能够稳定运行时，过电压水平不高。分析表明，当发生扰动后直流闭锁后，会出现较高的过电压，采用额定电压低的避雷器能有效降低特高压换流母线操作过电压[32-35]。

考虑高低端换流器耦合作用，可开展分层系统无功电压的交互影响机理研究，在不同的直流控制方式结合下，分析混联系统的无功电压交互影响机理和影响因素。在考虑影响因素的差别和无功波动大小的基础上对比分析不同控制方式的优缺点，提出一种针对受端混联系统，并适用于“强直弱交”电网情况的混合协调控制方式。不同控制方式下混联系统的无功外特性的分析和仿真验证可知，逆变侧高低端采用相同的控制方式时，混联系统的无功外特性呈现出类似的变化规律；逆变侧均定熄弧角控制时，扰动后无功波动范围较小，但不利于交流电压的稳定；均定电压控制时，无功和熄弧角波动范围较大，但混联系统的无功外特性更利于受端电压的稳定。因此结合不同控制方式的优缺点，混联系统无功电压混合协调控制方式，更利于分层接入方式下混联系统的稳定运行[36-39]。

直流系统的功率输送水平会影响各层换流母线处的电压稳定性。直流输送功率越大，各层换流母线电压稳定水平越差。可以以直流定电流控制、定电压控制及定熄弧角控制为基础控制方式，分析不同控制组合下各层换流器的功率输出特性、500kV层换流母线和1000kV层换流母线的电压稳定特性及不同直流功率输送水平对换流母线电压稳定的影响。分析表明，当受端系统较弱且直流输送功率较大时，在整流侧定功率、高低端逆变器定熄弧角的控制方式下，小的无功扰动会使各层换流母线出现电压失稳的现象。

5 结语

特高压分层接入直流模型除了包括常规直流系统各元件模型外，还须增加额外的控制系统模型，各种运行方式的切换控制，以及稳态及暂态下多个换流器之间的协调控制。目前仿真模型只适用于无功电压分析的等值小系统的电磁暂态模型，而适用于大电网安全稳定分析的更为精确的实际电网分层完整系统模型及特高压直流分层接入下混联系统仿真建模还需深入研究。

分层接入方式下直流再启动、连续换相失败等扰动情况下提高输电能力的交直流协调控制技术，提高系统安全稳定性的多直流协调控制技术均是目前需要迫切解决的技术难题。

在特高压直流分层接入工程的落点近区，可能存在能参与无功调节的火电厂、大型风电场等无功源，其与直流逆变站动态无功源、无功补偿设备等共同参与的多时间尺度无功电压协调优化策略是值得深入研究的课题。

考虑解决特高压直流输电受端系统动态无功储备不足及电压调节特性恶化问题，为充分发挥调相机预期作用，后期应对调相机的暂态无功输出特性及其限值进行系统研究，开展励磁控制模型进行精细化建模，并从系统层面出发，结合受端电网严重故障对动态无功的不同需求，研究调相机与高压直流输电系统无功协调控制方法。