特高压直流无功后备控制功能策略研究

李金安 姚言超 严海健 廖聪

摘 要：针对直流运行时可能存在的特殊情况，后续新建直流工程引入了无功后备控制功能，现针对某特高压直流无功后备控制功能的策略开展了研究，发现无功后备控制功能在实际运行过程中可能导致交流电压畸变、不能可靠切除交流滤波器、交流电压异常升高等风险，并针对风险提出了预控措施，对后续直流工程无功后备控制的设计具有借鉴意义。

关键词：无功后备控制;交流滤波器;过电压

0    引言

传统直流输电系统，直流站控系统通过与交流滤波器就地控制单元的现场总线通信进行交流滤波器的投切控制，同时监视投入的交流滤波器组数是否满足最小滤波器（1A+1B）要求[1]。如果當前投入的交流滤波器组数小于1A+1B的要求，将触发直流系统换流器快速停运。因此，当双套直流站控系统故障或直流站控系统连接滤波器就地控制单元的现场总线均故障时，直流站控系统无法获取投入的滤波器组数，判定此时投入的交流滤波器组数为零，将导致直流系统停运。为避免上述情况的出现，后续新建直流工程配置了无功后备控制功能。本文以某特高压直流工程为例，对无功后备控制策略展开了研究，然后分析了无功后备功能运行期间的风险，并提出了相应的改进建议。

1    无功后备控制功能策略分析

当所有与直流站控系统连接的交流滤波器就地控制接口单元现场总线通信发生故障，或直流站控系统判断内部程序故障时，无功后备控制功能激活，其中，直流站控系统内部软件程序故障因素包括初始化过程系统闭锁、CPU系统故障、参数状态无效、冗余系统数据更新故障、外部时钟对时故障等，其激活逻辑如图1所示。

无功后备功能激活后，极控系统立刻将极的功率传输模式强制切换至定电流控制模式。同时，投入的交流滤波器组数通过各交流滤波器间隔单元与极控接口屏间的IRC（Inter-Relay Communication）总线通信，上传至双极极控接口屏，双极极控接口屏再将该信息通过现场总线传送给各自的极控系统。极1、2极控系统分别根据所投入交流滤波器的数目计算出直流系统可传输直流电流限定值，同时极控通过比较确定优先需要切除的滤波器类型，具体关断顺序为：优先从第一大组到第n大组逐个切除C型滤波器（若配置D型滤波器，则优先切除），再比较A、B型的交流滤波器投入数量，先切除投入数量较多类型的交流滤波器，若投入的A、B型的交流滤波器数目相等，则先切除B型，依次类推，直到只剩下最小滤波器组合1A+1B。随后，特高压直流系统将极控系统计算出的直流电流维持运行2 h。如果2 h内直流站控系统相关故障排除，系统将恢复正常运行方式;如果故障短时间内无法排除，2 h后极控系统会将直流电流强制设定至直流系统额定电流的10%，并以10%的额定直流电流继续保持平稳运行[2]。

直流电流的降低，可能会导致交流滤波器投入过剩，而此时由于直流站控系统无功控制功能失效，无法切除过剩的交流滤波器，只能由交流滤波器就地控制单元自行完成交流滤波器切除的任务。过剩的交流滤波器投入会造成交流电压升高，交流滤波器就地控制单元通过检测交流滤波器大组母线过电压水平完成切除交流滤波器的控制，其逻辑如图2所示。

如果监测到本大组交流滤波器母线任一线电压高于电压设定值且接收到极控接口屏下发的切除交流滤波器的命令，则会经过相应延时切除一组交流滤波器，同时启动切除下一组交流滤波器的延时定时器。交流滤波器母线过电压切除交流滤波器分为3段，Ⅰ段定值为577 kV，Ⅱ段定值为632 kV，Ⅲ段定值为676 kV，其延时时间不同。若交流滤波器切除一组后，母线电压能够回落并低于电压设定值，将会停止切除交流滤波器，否则继续切除下一组交流滤波器。

2    无功后备控制功能风险分析

2.1    风险1：无功后备控制功能未考虑交流滤波器的类型，可能引起系统中谐波增加

为了向直流系统提供无功功率和滤除由于直流换相进入交流系统的谐波，特意在换流站内配置了交流滤波器。考虑到无功补偿方案、无功平衡条件、滤除谐波性能要求、损耗费用和换流器的谐波等，换流站内配置了多种型号的滤波器[3]。正常运行时，无功控制会根据直流场配置模式（双极或单极）和直流电压（降压或正常电压）情况，根据不同电流级别配置所要求不同型号的最少滤波器个数，从而满足无功功率要求和交流侧谐波滤除要求。当滤波器数量减少到低于滤波器谐波额定要求时，无功控制会根据当前交流滤波器配置将直流功率降低到相应的级别。但无功后备控制功能仅通过小组滤波器组数来确定直流功率允许运行值，这样计算未考虑交流滤波器的类型，违背了换流站中设计交流滤波器的初衷，即交流滤波器的配置不仅为直流系统提供无功功率，还为交流系统滤除谐波。在实际运行中可能导致交流系统中谐波增加，引起交流电压畸变。

2.2    风险2：无功后备控制功能切除滤波器电压参考值选取单一，冗余度不足

根据章节1的分析，当无功后备控制功能起作用时，主要通过就地控制单元的过压判断逻辑来切除交流滤波器。判断逻辑中的电压实时值为每一大组交流滤波器母线电压。但交流滤波器就地控制单元仅通过硬接线实时接收母线电压，未对本大组交流滤波器母线电压有效性进行判断。同时，当极控接口屏发出降电流信号后，若此时本大组交流滤波器母线PT空开跳开或本大组交流滤波器母线电压传输回路出现异常，引起电压测量偏低，则由于测量电压低于过压保护定值，小组交流滤波器就地控制单元将不会下发切除交流滤波器的命令，交流滤波器将保持运行，最终可能导致交流系统电压异常升高。

2.3    风险3：无功后备控制功能滤波器切除电压定值选取不合理

无功后备控制功能运行2 h后，交流滤波器将通过滤波器就地控制单元过电压逻辑切除。但当前过压Ⅰ段的动作阈值设定过高，在交流滤波器被切除后，交流母线电压降至577 kV后低于过电压Ⅰ段阈值，下一组滤波器的切除指令被释放，滤波器切除不到位使得交流母线电压无法继续下降，最终系统的交流母线电压便停留在577 kV。而按照运规交流系统的持续最高电压是550 kV，所以当前无功后备控制策略动作后交流母线电压过高，不符合电网安全运行要求。

3    无功后备控制功能风险预控措施

无功后备控制功能启动可以维持直流系统继续运行，但由于当前无功后备控制功能设计不足，运行过程中可能出现大量谐波、抬升交流母线电压等隐患，因此，若短时间内无法排除直流站控系统故障，现场应及时处置，避免造成恶劣后果。针对风险1和风险2，当直流无功后备功能启动时，加强对一、二次设备运行情况的检查，发现异常及时对异常展开排查，消除隐患;在直流电流降低过程中关注交流滤波器是否正常切除，交流母线电压是否偏高，若切除异常，通过现场就地方式切除多余的交流滤波器，待直流电流下降至额定电流的10%后，手动停运直流系统。针对风险3，正常运行方式下，电压允许偏差为系统额定电压的-5%～+5%，即500～550 kV;发生系统异常或紧急事故后，电压允许偏差为系统额定电压的-10%～+5%，即475～550 kV，建议根据当前正常运行和紧急事故要求，开展过压定值优化。

4    结语

无功功率控制功能是高压直流系统的关键环节之一，而该功能主要在直流站控系统实现。当直流站控系统或其相关回路发生故障时，将无法对无功功率进行控制，最终可能导致直流系统发生闭锁。为了提高系统稳定性，后续新建直流工程增加了无功后备控制逻辑。本文针对某特高压直流无功后备控制功能开展了研究，分析发现其在运行中可能存在风险，并针对相关风险提出了预控措施，为后续直流工程无功后备功能的设计提供了参考。

[参考文献]

[1] 宋述波，袁鹏，吴宏波.贵广直流系统无功功率控制小结[J].继电器，2007，35（11）：69-71.

[2] 刘茂涛，张志朝，宋述波，等.±800 kV云广特高压直流输电无功后备控制功能改进[J].电力系统自动化，2011，35（19）：93-96.

[3] 赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

收稿日期：2021-07-29

作者简介：李金安（1982—），男，广东广州人，工程师，主要从事高压直流技术运行维护工作。