特高压换流站无功控制策略及问题分析

刘 坤，陈茜茜

（国网江苏省电力有限公司 检修分公司，江苏 南京 211102）

0 引 言

随着特高压的快速发展，直流输电的优势被广泛认可，加快发展特高压直流输电成为了趋势。相对于交流输电，直流输电具有输送距离远、线路损耗小以及经济效益好等优点[1,2]。同时，由于换流器运行过程中需要消耗大量无功，因此制定并执行合理的无功控制策略对换流站的平稳运行意义重大[3,4]。

1 特高压换流站无功需求必要性分析

换流站在运行过程中，由于触发角会不断变化，换流器的拓扑结构也会发生变化，从而换流器相对于大电网等效于非线性负载，因此会消耗大量无功[5,6]。如果无功需求没有得到响应，那么交流系统电压将会快速下降，控制不当将会导致连续换相失败，甚至闭锁，从而给直流输电的安全性埋下隐患。

特高压换流站无功控制策略对换流站的正常运行意义重大。通过无功控制策略，特高压换流站和交流电网系统实现无功交换，达到控制交流母线电压、滤除谐波以及无功平衡的作用[7,8]。目前，特高压无功控制主要通过投切滤波器和投切并联电容器实现，直流输电工程运行工况及输送功率达到预先设定值，控制系统投切无功补偿装置，确保系统无功功率满足工程正常运行要求[9,10]。

2 特高压换流站无功策略

无功控制采用多个策略，各策略优先级不尽相同，以某采用分层接入技术的特高压换流站举例分析。

2.1 无功控制策略

2.1.1 交流过电压控制

该控制策略根据换流站所处大电网的具体情况，设定交流电压定值，当换流站稳态电压分别超过1.1 p.u、1.2 p.u以及1.3 p.u时，应采用不同的延时和逻辑切除滤波器，确保换流站稳态电压处于合理范围内。该换流站500 kV侧取交流电压基准值为520 kV，1 000 kV侧取交流电压基准值为1 050 kV。

2.1.2 绝对最小滤波器

投入的滤波器数量和直流输电功率及运行工况相关，该控制策略根据设备额定值投入滤波器，确保无功滤波器数量满足当前设备运行方式要求。

2.1.3 最大最小交流电压控制

该控制逻辑通过监视交流母线电压，确保母线电压不越限，避免保护误动作。如表1所示，该换流站交流母线电压超过530/1 100 kV时，控制策略将切除滤波器，避免交流母线电压超过定值；当交流母线电压低于500/1 000 kV时，控制策略将投入滤波器组，避免母线电压低于定值；当交流母线电压超过524/1 080 kV，尚未达到530/1 100 kV时，该控制策略将禁止交流滤波器投入，防止交流母线电压进一步抬升；当交流母线电压低于508/1 015 kV，尚未低于500/1 000 kV时，该控制策略将禁止切除滤波器，避免交流母线电压进一步下降。

表1 交流电压控制表

2.1.4 无功限制

监视换流站无功，控制滤波器/并联电容器投切的数量，确保无功功率满足直流输电系统运行工况的要求。

2.1.5 最小滤波器

该控制策略主要控制直流输电系统里面的谐波，通过控制策略确定投入滤波器的数量及类型。该控制策略的基本逻辑如下，当交流滤波器不能满足滤除谐波的要求时，控制逻辑将下发命令投入更多的交流滤波器，但该控制逻辑只会下发投入交流滤波器命令，不会下发切除交流滤波器命令。

2.1.6 无功功率控制/交流电压控制

无功功率控制模式用于实现大电网和换流站的无功交换，使电网和换流站的无功交换值尽量接近预先设定值。为避免滤波器的反复投切，控制策略将设置一个死区值，在死区值内，滤波器不进行投切。该换流站500 kV无功控制死区值是190 Mvar，1 000 kV无功控制死区值是280 Mvar。投切逻辑如下，500 kV侧Q＞Qref+190 Mvar，Q＜Qref-190 Mvar；1 000 kV侧Q＞Qref+280 Mvar，Q＜Qref-280 Mvar。

交流电压控制用于控制换流站交流母线电压尽量接近预先设定的交流母线电压。同理，为了避免滤波器组的反复投切，控制策略将设置一个死区值，在死区值内，滤波器不进行投切。某换流站500 kV交流电压控制死区值是5 kV，1 000 kV交流电压控制死区值是10 kV。投切逻辑如下，500 kV侧U＞Uref+5 kV，U＜Uref-5 kV；1 000 kV侧U＞Uref+10 kV，U＜Uref-10 kV。

2.2 无功控制优先级

该站无功控制包含6个优先级，按优先级别执行逻辑，如图1所示。

图1 无功优先级

无功控制策略中，交流过电压控制优先级最高，随后依次为绝对最小滤波器控制、最大最小交流电压控制、最大无功功率控制、最小滤波器控制、无功功率控制以及交流电压控制，执行投切交流滤波器组的操作时需根据各功能的优先级进行。

3 案例分析

3.1 工程参数

某换流站采用分层接入技术，高端接入500 kV电网，低端接入1 000 kV电网，两者无功控制策略相同。该换流器所处的500 kV交流电网在500～530 kV浮动，换流站无功配置如表2所示。

表2 容性无功配置方案

3.2 故障异常及处理

2020年11月29日04时21分该换流站输送功率为2 044 MW，OWS后台报56511刀闸，合位消失，从（A）系统报500 kV Q控投入滤波器，未有滤波器投入。对该部分进行现场检查，发现换流站出现了反复禁切和禁投现象，给电路带来了安全隐患。为了排除隐患，检查换流站发现存在接线头松动的现象，松动位置在56511隔离开关B相操作箱X2:4端口。对故障进行处理，采用螺丝刀紧固，报警复归。

3.3 隐患分析

过电压禁切逻辑如图2所示，滤波器现场由于端子接线出现松动，从（A）系统合闸位置丢失，根据无功控制策略，从（A）系统发出Q控投入滤波器信号。由于A系统为从系统，且主（B）未发出相同信号，因此Q控投入滤波器命令未执行。

图2 过电压禁切逻辑

通过分析投切表和逻辑图，该站无功控制逻辑存在隐患。结合上述故障进行排查和分析，若出现500 kV交流电网电压高于524 kV或主系统现场信号端子松动，合位信号消失等现象，则Q控投入滤波器命令将会下达。由于500 kV交流电网电压高于524 kV，Q控投入滤波器命令无法执行，根据控制策略，滤波器条件不满足，因此直流输电系统将下达降低功率命令。

3.4 策略优化

在发现隐患后，对逻辑进行分析并采取针对性措施，避免直流降功率运行。在逻辑中取消禁投滤波器逻辑，如图3所示，按照工程设计要求，确保绝对最小滤波器功能优先于交流母线电压限制。

图3 修改后的过电压禁切逻辑

根据该换流站所处的实际大电网电压，修改无功电压控制策略中电压控制要求，避免交流母线电压限制接近实际运行电压的情况。优化后的交流电压控制表如表3所示。由表3可知，系统优化后，必切小幅度电压增大，有利于换流站的无功控制。

表3 优化后的交流电压控制表

4 结 论

特高压直流输电快速发展的今天，对特高压直流工程无功控制策略进行研究意义重大，在本文中，以一换流站为例介绍了无功控制功能以及各功能的优先级，并结合具体的案例分析了无功控制过程中存在的隐患以及具体的应对措施，为后续特高压工程的无功策略设计提供了思路。