特高压灵州换流站无功控制策略优化与改进

2021-07-30高海洋祁迎宾

通信电源技术 2021年7期

高海洋，祁迎宾

（国网宁夏电力调度控制中心，宁夏银川 750001）

1 背景概述

在直流输电系统运行时，无论是整流站还是逆变站，换流器在换流过程中都需要从交流侧吸收大量无功[1]。而系统无功交换不平衡时会导致交流电压明显波动，严重时会对系统稳定性产生较大影响。无功控制作为直流输电系统重要控制功能之一，根据不同功率水平控制设置在交流侧的无功补偿设备，以此达到交直流系统无功平衡，确保系统安全稳定运行[2]。

特高压灵绍直流于2016年8月24日投运，工程起于宁夏灵州换流站，终至浙江绍兴换流站，额定输送容量8×106kW。灵绍直流是国家大气污染防治行动计划12条重点输电通道之一，对于缓解浙江电力用电紧张局面和加快宁夏能源优势转化意义重大[3]。

2 当前无功配置及策略

为了满足在不同功率和不同运行方式下无功消耗的需求，同时考虑到谐波滤除的需求，特高压灵州换流站配置的无功补偿设备如表1所示。

表1 特高压灵州换流站无功补偿设备

特高压灵州换流站配置16小组交流滤波器（并联电容器），分别设置4大组交流滤波器母线上，每大组母线上配置4小组交流滤波器。前三大组配置的型号和数量均相同，顺序依次为SC、BP11/BP13、HP24/36、HP3，第四大组配置类型顺序依次为SC、BP11/BP13、SC、HP24/36，其中BP11/BP13、HP24/36及HP3交流滤波器既能滤除相应频率谐波，又能提供可消耗的无功，而SC并联电容器只能提供无功，无滤除谐波功能。以上每小组交流滤波器（并联电容器）额定容量均为295 Mvar，16小组总容量为4 720 Mvar。特高压灵州换流站交流滤波器具体配置如图1所示[3]。

图1 特高压灵州换流站交流滤波器配置

直流系统无功控制功能由多个子功能模块按照一定的优先级和判据条件来实现，当某一优先级的投切操作指令仅在完成投切操作后，且不与更高的优先级的限制条件相冲突时才能发出[4]。灵州站无功控制包含5个子功能，优先级从高到低依次为绝对最小滤波器、交流母线电压限制、最大无功限制、最小滤波器以及定电压控制/定无功控制。除前四优先级功能外，对于第五优先级功能，灵州换流站当前采用定无功控制，且在正常运行时大部分滤波器投切指令均由该子功能发出。系统通过以上各个子功能模块的相互配合，达到交直流系统间的无功交换平衡，并且满足滤除谐波和控制交流电压的要求[5]。

无功控制子功能按照优先级从高到低排序及其相应功能说明如表2所示[6]。

表2 无功控制子功能优先级及相应功能说明

在以上功能中，绝对最小滤波器和最小滤波器功能需在不同工况及功率水平下要求不同的滤波器类型和组数。为防止交流滤波器设备过负荷并满足系统滤波性能，绝对最小滤波器和最小滤波器功能根据直流输送功率大小对不同类型交流滤波器投切及组数有特殊要求，且根据特高压灵州换流站当前采用的定无功控制功能，使得16小组交流滤波器进行轮换交替投切，即在直流系统功率上升过程中依次按BP11/BP13→HP24/36→HP3→BP11/BP13→HP24/36→HP3→BP11/BP13→HP24/36→HP3→BP11/BP13→HP24/36→SC→SC→SC→SC→SC的顺序进行投入，功率下降过程中顺序与之相反，且遵循后投先退的原则进行投切[7]。

3 存在的问题和隐患

根据当前策略，在直流功率上升过程中先依次投入BP11/BP13、HP24/36、HP3类型交流滤波器，待以上所有11组滤波器投入后，再根据无功需要从剩下5组SC并联电容器中选择投入。因此，在不同负荷的条件下，不同类型的交流滤波器投切次数不同。当在低直流功率水平阶段变化时，因换流器消耗的无功较少，无功控制主要靠投切BP11/BP13、HP24/36、HP3交流滤波器来实现无功平衡。相反，在大负荷功率水平阶段变化时，因换流器消耗无功量大，则无功控制主要靠投切SC并联电容器来实现无功平衡。

由于灵绍直流是西北地区新能源跨区外送的重要通道，在灵绍直流投运初期，配套电厂尚未全部投运，直流输送负荷不高，结合宁夏地区新能源负荷变化以及频繁开展跨区现货交易等情况，使得灵绍直流输送计划频繁调整。在当前定无功控制模式下，当直流输送功率频繁调节或定功率条件下交流侧电压小范围波动时，容易引起站内交直流系统无功交换量或交流滤波器（并联电容器）补偿容量发生变化，造成交流滤波器用断路器频繁投切。

2016年8月24日—2017年5月31日，灵州换流站在定无功控制模式下交流滤波器共投切786次，投切设备全部为BP11/13、HP24/36、HP3类型滤波器。根据采用的控制策略，由于此阶段输送功率未超过6 400 MW，5组SC并联电容器均没有投切过，造成投切分布不均衡。每组滤波器投切次数统计如表3所示。

表3 灵州站交流滤波器投切次数统计

再以2017年5月12日单日为例，图2和图3分别为当日灵绍直流负荷曲线和交流滤波器运行组数曲线，对系统运行负荷和交流滤波器投切情况进行分析如下。

图2 5月12日灵绍直流功率曲线

图3 5月12日交流滤波器投切组数

由图可知，最低负荷为1 679 MW，最高负荷为4 800 MW。受新能源负荷变化及跨区现货交易影响，5月12日功率一共变化调节了89次，带滤波功能的设备投切多达17次，投切相当频繁。目前，灵绍直流配套电厂已全部接入，灵绍直流已达到额定8 000 MW输送能力水平。若直流功率在6 400～8 000 MW频繁调节，将会导致SC并联电容器频繁投切。

灵州站750 kV交流滤波器罐式断路器为国内首台首套，且未采用选项合闸装置，由于交流滤波器的频繁投切，因此对断路器使用寿命产生较大影响，不仅容易发生断路器内部故障，而且可能因产生较大的暂态涌流冲击及过电压对交流滤波器和电容器等一次设备造成损伤。灵州站自投运至今已发现或发生多起交流滤波器设备异常事件，尤其是2017年5月27日7632断路器C相内部重燃引起多组交流滤器跳闸，并导致直流功率回降事件，对电气设备和直流系统的安全稳定运行造成了严重威胁。

4 控制策略改进与优化

为避免灵州换流站交流滤波器设备频繁投切，且均衡不同类型交流滤波器设备投切次数，根据系统运行情况提出以下改进优化措施。

4.1 采用定电压模式

目前，灵州站无功控制方式采用定无功控制，其根据系统无功交换量大小控制滤波器投切。由于无功容易受系统各方面因素影响，因此在特定情况下会造成滤波器设备频繁投切[8]。而当无功控制方式选择为定电压控制模式时，交流滤波器及并联电容器的投、切操作主要取决于交流母线电压的实际值。当母线电压大于基准电压与电压死区之差时，发出设备切除命令，反之则发出设备投入命令[9]。需根据系统实际情况合理地动态调整定电压控制模式的基准电压值或电压死区值，考虑在不同功率水平下及电网方式下能满足调度要求的电压控制范围，若采取以上方式，即使输送功率频繁调整或交流系统电压频繁波动，只要交流母线电压在允许范围内时，交流滤波器设备就不会投切。该方式下在一定电压区间范围内的无功消耗由交流系统来提供[10]。

以2017年05月26日为例，当时系统无功控制方式为定无功控制，直流功率在1 882～4 054 MW范围内变化时，750 kV母线电压变化范围为778.78～782.35 kV，滤波器设备投切12次。

在2017年6月1日以后的一段时间，为限制滤波器频繁投切，现场临时采取了人工手动定电压控制的方式，即将无功运行方式打至手动状态，根据交流电压人工手动控制滤波器投切。以7月20日为例，直流功率在1 879～4 000 MW范围内变化时，750 kV电压变化范围为774.22～782.71 kV，滤波器设备投切次数为3次，且此3次投切均为绝对最小滤波器和最小滤波器功能要求投入。

通过数据比对分析，在相同功率水平下采用不同无功控制方式时，750 kV母线电压均可在考核电压范围内，且采用电压控制方式时，交流滤波器投切次数明显下降，可以满足预期要求。

综上所述，经合理设置参数的定电压控制模式基本可以解决因无功交换量变化导致滤波器频繁投切的问题。

4.2 优化滤波器设备投切顺序

由于目前滤波器设备的投切顺序，功率在较低水平变化时只有BP11/BP13、HP24/36、HP3类型滤波器交替投切，SC并联电容器不会进行投切，而功率在较高水平变化时其他3种类型交流滤波器不会投切，只有SC并联电容器进行投切[9]。针对上述问题可对滤波器投切逻辑作以下优化，在一定功率水平区间内，且在该区间内满足绝对最小滤波器和最小滤波器组数要求时，当定电压/定无功功能投切滤波器时，合理选择优先投切SC并联电容器，即可以优化滤波器投切顺序为：BP11/BP13→HP24/36→HP3→BP11/BP13→SC→HP24/36→HP3→SC→BP11/BP13→SC→HP24/36→SC→HP3→SC→BP11/BP13→HP24/36，以此满足系统无功交换或电压要求。

以灵州站双极四换流器全压运行方式为例，当在1 800～2 800 MW范围内，绝对最小滤波器和最小滤波器要求投入两组BP11/BP13、1组HP24/36以及1组HP3型滤波器。功率从1 800 MW升至2 800 MW的过程中，定电压控制/定无功控制功能要求投入滤波器时可优先投入1组SC；功率从2 800 MW降至1 800 MW的过程中，若有SC在运，则定电压控制/定无功控制功能要求切除滤波器时可优先切除1组SC，且功率上升达到绝对最小滤波器和最小滤波器投切点一定范围内时，定电压控制/定无功控制功能不再投入SC电容器组，而是按原来的顺序进行投入。

绝对最小滤波器和最小滤波器是针对滤除相应频率谐波所设定的功能，而定电压控制/定无功控制是针对系统无功交换量和交流母线电压所设定的功能[10]。当满足绝对最小滤波器和最小滤波器组数要求时，只进行SC并联电容器的投切，完全可以满足定电压控制/定无功控制功能的要求，不会对系统造成任何影响。