默拉直流无功功率控制逻辑优化研究

2022-01-12殷丕盛袁茂凯

山东电力技术 2021年12期

于鹏，殷丕盛，袁茂凯，罗鑫，张楷

（国网山东省电力公司超高压公司，山东济南 250118）

0 引言

“默拉直流”输电工程是继“银东直流”之后的世界第二条±660 kV超高压直流输电工程。巴基斯坦用电负荷主要集中在中部旁遮普省和伊斯兰堡地区，约占全国60%［1］。当前突出的电力供应不足问题已严重制约了巴基斯坦经济的持续快速发展。默拉直流输电工程的投运将有效缓解巴基斯坦电力供应不足的问题。

默拉直流工程在小功率调试期间进行现场模拟极Ⅰ线路故障，极Ⅰ退出直流功率转代极Ⅱ，极Ⅱ由全压运行转至0.7 pu 降压运行试验，试验中发现无功功率控制在达到动作限值时，无法正确投入滤波器。

通过分析无功功率控制逻辑分析，并对逻辑提出合理修改方案，并加以验证，为今后类似工程的设计或改造提供参考依据。

1 无功控制介绍

默拉直流输电工程中整流站（默蒂亚里换流站）与逆变站（拉合尔换流站）的无功控制功能均在直流站控系统中完成［2］。即使直流系统停运，无功控制也可以继续工作。两站无功控制功能按照优先级先后顺序分为：过电压控制、绝对最小滤波器容量限制（Abs Min Filer）、最高/最低电压限制（U max）、最大交换无功功率限制（Q max）、最小滤波器容量要求（Min Filter）、交换无功功率控制/电压控制（Q 控制/U控制）［3］。

1）过电压控制：快速切除滤波器以降低稳态过电压。

2）Abs Min Filer：绝对最小滤波器容量限制，为了防止滤波设备过负荷所需投入的绝对最小滤波器组数。过电压控制未激活的情况下，该条件必须满足。

3）U max：最高/最低电压限制，监视交流母线的稳态电压，避免稳态过电压引起保护动作。

4）Q max：最大交换无功功率限制，根据当前运行状况，限制投入滤波器组的数量，限制稳态过电压。

5）Min Filter：最小滤波器容量要求，为满足滤除谐波的要求需投入的最小滤波器组。

6）Q 控制/U 控制：交换无功功率控制/电压控制（可切换），控制换流站和交流系统的交换无功功率为设定的参考值/控制换流站交流母线电压为设定的参考值。

2 无功功率控制

无功控制根据各子功能的优先级，协调由各子功能发出投/切滤波器的指令。某项子功能发出的投/切指令仅在完成投/切操作时不与更高优先级的限制条件冲突时才有效。所有投/切指令一次仅能操作一个滤波器小组，各子功能若有同向连续操作滤波器的需要，会在相应的间隔时间后再次发出相同指令。Abs Min Filer、U max、Q max 属于高优先级，在手动模式下也能自动完成投/切滤波器的操作；Min Filter、Q 控制/U 控制属于低优先级，只能在自动模式下自动投/切滤波器［4］。其中，U 控制和Q 控制不能同时有效，运行人员选择当前运行在U 控制还是Q 控制［5］，无功功率控制逻辑功能如图1所示。

图1 无功功率控制功能

2.1 无功功率控制投切原理

运行人员可选择运行于Q 控制或U 控制模式。Q 控制模式用于控制换流站与交流网的交换无功功率为设定的参考值［5］。

换流站与交流系统进行无功交换，其计算公式为

式中：Qexc为交换无功功率；Qfilt为换流站内所投入滤波器产生的实际无功功率；Qconv为六脉动整流器所消耗的无功功率［6］。

式中：Uac为交流电网实际电压；UacN为交流电网额定电压，巴基斯坦交流电网额定电压为510 kV；QfiltN为流站内所投入滤波器的额定无功功率。

式中：Id为直流系统线路电流；Udi0为每个六脉动整流器的理想空载直流电压；γ为换流阀熄弧角，若在整流站中γ应替换为α触发角［7］；μ为换相角。

如果交换无功功率Qexc超过下列上限制值或下限制值，那么无功功率控制会发出命令，切除或投入一组滤波器或并联电容器［8］。

式中：Qref为运行人员设置的参考值，拉合尔换流站设置值为0；Qdz为滤波器组投切死区［9］。

为了防止滤波器组的频繁投切，应采用滞回特性，设置的滞回窗口的上下限幅值大于最大无功设备组的容量的一半［10］。拉合尔换流站交流滤波器场配置4 大组500 kV 交流滤波器，每大组包含2 小组HP12/24 滤波器、2 小组SC 型电容器。其中HP12/24型滤波器，每小组容量为150 Mvar；SC 型电容器，每小组容量为160 Mvar。因此拉合尔换流站将动作死区上限值设置为110 Mvar，下限值设置为-110 Mvar。

2.2 关联有功变化的无功功率控制

默拉直流输电工程拉合尔换流站无功Q 控制功请求投入滤波器逻辑如图2所示。

图2 无功功率控制功请求投入滤波器逻辑

滤波器投入请求的条件包括：1）为滤波器提供无功与系统消耗无功的差值Qexc小于设定值；2）为无功功率控制投入滤波器时刻的有功功功率与上次投入滤波器时的有功功率变化量应大于60 MW。当两个条件同时满足才能发出滤波器投入请求，控制滤波器投入［11］。国内大多直流换流站，如鲁固直流的扎鲁特换流站、广固换流站等均配置了此功能，主要是因为国内功率调节时间间隔短，频次多，防止滤波器频繁投切而给电网及设备造成损坏。

3 降压运行及功率转移

3.1 直流降压运行

直流输电系统的各极都能运行在降压运行方式，以便在直流线路不能经受全压的情况下，该极还能继续运行。默拉直流系统降压运行分为0.8 pu 与0.7 pu 两种形式。0.8 pu 为额定直流电压660 kV 的0.8 倍，即528 kV。0.7 pu 为额定直流电压660 kV 的0.7倍，即462 kV。

直流系统需要进行降压运行的情况包括两种：

1）由于线路绝缘问题需要降低直流电压，在出现恶劣的气候条件和线路严重污秽的情况下，直流输电线路如果仍然在额定电流下运行，将会产生较高的故障概率［12］，为了提高直流输电线路的可靠性和利用率，此时可以采用直流降压运行方式。

2）由于无功功率控制需要降低直流电压，当直流输电工程被利用来进行无功功率控制时，需要增大整流站触发角α来增加换流器消耗的无功功率，此时可以采用直流降压运行方式使直流电压相应降低。

当运行人员在运行中启动或复位直流降压运行功能时，直流电压在设定的适合时间内平稳变化到新的整定值。在降低或升高直流电压的过程中，在任何时刻都可以终止升降过程，达到直流电压定值就是终止升降时刻的电压值。在降低或升高直流电压的过程中，分接头控制调整换流变分接头［13］，使换流器分接头达到与降压运行相对应的最小值。

3.2 直流降压与无功关系

直流系统输送相同功率，当直流系统处于降压运行模式时，相较于全压运行模式下会投入更多数量的交流滤波器。直流系统消耗功率与输送有功功率及直流线路电压关系为

式中：Pd为直流系统输送的有功功率；Ud为直流线路电压。

根据公式（6）可以得出，直流系统消耗的无功功率与直流系统输送的有功功率成正比关系［14］，与直流线路电压成反比关系。当直流系统处于降压运行模式时，直流线路电压降低，直流系统所消耗的无功功率将增加，因此投入的滤波器组数也比直流系统全压运行模式时要多。

3.3 功率控制及转移

双极功率控制是直流输电系统的主要控制模式。控制系统使整流站的直流功率等于运行人员整定的功率值。除线路开路试验方式外，这一控制模式对各种运行接线方式的每个单极都适用。

如果两个极都处于双极功率控制，双极功率控制功能为每个极分配相同的电流参考值，以使接地极的电流最小。如果两个极的运行电压相等，则每个极的传输功率是相等的。当单极传输的功率不超过额定传输功率时，如果一极处于降压运行状态而另外一极是全压运行，则两个极的传输功率之比与两个极的电压之比一致。

如果由于一极设备因故障退出运行、降压运行或其他原因使得该极的输电能力下降，导致实际的直流双极传输功率减少，双极功率控制增大另一极的电流，自动而快速地把直流传输功率恢复到尽可能接近双极功率控制设定的参考值水平，另一极电流的增加受设备过负荷能力限制。

由于传输能力损失引起的在两个极之间的功率重新分配仅限于双极功率控制极。如果一个极是独立运行，另一极是双极功率控制运行，则双极功率控制极补偿独立运行极的功率损失。

4 事件分析及影响

默拉直流工程小功率调试期间，双极大地回线方式运行，功率控制模式为双极功率控制，功率整定值为800 WM，功率传输方向由默蒂亚里至拉合尔。

现场模拟极Ⅰ线路故障，极Ⅰ退出直流功率转代极Ⅱ，极Ⅱ由全压运行转至0.7 pu 降压运行，发现直流系统交换无功功率长期处于-396 Mvar。依据Q控制条件，直流系统无功功率小于-110 Mvar，会自动投入滤波器，而现场滤波器未自动投入。根据调试工作人员程序在线确认达到无功功率控制投入滤波器时刻的有功功功率（800 MW）与上次投入滤波器时的有功功率（800 MW），变化量为0，小于60 MW，故不满足有功功率变化，因此无功功率控制请求投入滤波器逻辑不满足判定条件，不能投入滤波器。

巴基斯坦电网薄弱，以500 kV为主网架结构，与拉合尔换流站相关联的500 kV 交流线路共有4 条，分别为拉合尔1 线，拉合尔2 线，拉合尔南1 线，拉合尔南尔线。因拉合尔换流站内滤波器无法投入，从交流系统内吸收396 Mvar 无功，造成了交流系统电压大幅降低，其4 条出线电压分别从510.44 kV、510.7 4kV、510.71 kV、510.96 kV 跌落至493.32 kV、493.04 kV、492.98 kV、492.77 kV。极大影响了巴基斯坦电网供电质量，给当地电网的承荷能力带了巨大考验。