南橋換流站無功功率控制功能分析

范業勛

（武漢大學動力與機械學院,湖北 武漢 430000）

一、換流站無功功率控制簡介

換流站無功功率控制是直流輸電系統中對換流站無功功率進行控制的環節，它通過調整換流站裝設的無功補償設備的投入容量或改變換流器吸收的無功功率，將換流站與交流系統交換的無功功率控制在規定的范圍內，或將換流站交流母線電壓控制在規定的范圍內。前者便于所連的交流系統無功功率的平衡，后者有利于弱受端交流系統的電壓穩定性。除了通過投切交流濾波器實現無功功率控制外，還可以通過改變換流器的觸發角來改變換流器吸收的無功功率進行無功功率控制。

直流輸電系統運行時，無論是整流器還是逆變器都要消耗一定的無功功率，其數值不但與輸送直流功率的大小有關，也與運行方式、控制方式有關。通常，在額定負荷時，換流器消耗的無功功率可達到額定輸送功率的40%-60%，故換流站需投入大量的無功補償容量。但在輕負荷運行時，換流器消耗的無功功率迅速減小，如果補償的無功功率不變，則換流站過剩的無功功率將會注入所連的交流系統，引起換流站交流母線電壓升高。因此，必須對投入的無功功率補償容量進行控制。

換流站的無功功率控制應能控制換流站全部發出無功的設備和吸收無功的設備，如控制交流濾波器、并聯電容器和并聯電抗器的投切以及控制換流器吸收的無功功率等；換流器吸收的無功功率可以通過改變其觸發角來平滑的進行控制。這些控制作用必須相互協調，以便保證在任何給定的直流輸送功率下，對于各種直流系統運行方式、投入的無功補償設備的組合都是最優的。為了方便地進行無功功率控制，通常將交流濾波器和并聯電容器分成若干分組，但濾波器分組不能投切過多，否則投運的濾波器將不能滿足濾波要求。

由于影響無功及電壓的因素復雜，無功功率控制器的所有功能和特性，都應先用數字計算程序進行計算分析，然后在直流模擬程序上予以驗證，以保證其性能滿足要求。

二、南橋換流站無功功率控制系統介紹

表1

1、南橋換流站交流濾波器組及無功補償并聯電容器組配置如表1：

南橋換流站交流濾波器組除了能吸收該次諧波外，還能提供工頻的無功功率，每組可提供無功功率約87Mvar，9組共783Mvar。交流濾波器組按調諧次數分，有11.8次、24次、11.8/24次、24/36次四種類型，11.8次有3組，24次、11.8/24次、24/36次各有2組。

2 南橋換流站與交流系統無功交換量的允許范圍

南橋換流站：當功率方向為葛洲壩送南橋時：-70～+70Mvar

當功率方向為南橋送葛洲壩時：-70～+70Mvar

（1）當直流系統運行在最低功率水平時，由于最小濾波器組的要求，換流站與系統的無功交換可能將無法滿足以上要求，此時葛洲壩換流站流入系統的無功不得超過120Mvar，南橋換流站流入系統的無功不得超過150Mvar。

（2）當直流系統運行在較高功率水平，除備用無功設備外，換流站其他可用無功設備均已投入時，葛洲壩站從系統流入換流站的無功不得超過320Mvar，南橋換流站從系統流入換流站的無功不得超過120Mvar。超過上述值時則應限制直流輸送功率的進一步增大。

（3）在直流負荷從最小值（120MW）變到2小時過負荷（1320MW，反送為1056MW），然后再從2小時過負荷（1320MW，反送為1056MW）變到最小值（120MW）的過程中，任何濾波器組或電容器組最多只能投入和切除一次。

具體投切邏輯見圖一：

如圖1所示：在Q控制模式下，當Q＞Q_ref+時，系統將會切除一組濾波器，當Q＜Q_ref+時，系統將會投入一組濾波器。目前，南橋換流 站 Q_ref=0，=70Mvar， 即 當 Q＞70Mvar時，會切除一組濾波器，當Q＜-70Mvar時，會投入一組濾波器。

3 南橋換流站交流濾波器的投切程序

在直流功率上升和下降的過程中，投入和切除交流濾波器組將遵循一定的順序，具體順序如表2。

F1（DA12/22/32） 高 通 濾 波 器HP11.8，每組87Mvar

F2（DA13/23）雙調諧高通濾波器HP24/36，每組87Mvar

F3（DA14/24）雙調諧高通濾波器HP11.8/24，每組87Mvar

F4（DA15/25）高通濾波器HP24，每組87Mvar

在不同潮流方向、功率大小、運行方式下，不同的直流運行情況需要的交流濾波器組數有所不同，當該直流運行情況下所需的交流濾波器組數不滿足時，無功減載保護將動作，進行功率回降，交流濾波器組數滿足系統要求，或極停運。

4 南橋換流站各投切濾波器的優先級

（1）優先級1——AbsMinFiler（絕對最小濾波器組數）：是指根據離線交流濾波器的設計結果，在對應運行方式和輸送水平下必須投入的濾波器組數和類型組合，少于這一組數，將使得濾波器運行應力超

圖1 系統無功計算邏輯圖

表2

過其元件的穩態額定值，并造成濾波器過負荷。正常運行時，該條件必須滿足。

（2）優先級2——Umax（最高/最低電壓控制）：除了控制換流站與交流系統的不平衡無功外，換流站無功補償設備還可以用來對換流站交流母線電壓進行控制。主要用于監視交流母線的穩態電壓，避免穩態過電壓引起保護動作。在換流器解鎖前或解鎖過程中，根據順序控制要求投入最少濾波器組數。

（3）優先級3——Qmax（最大無功交換控制）：根據當前運行狀況，限制投入濾波器組的數量，限制穩態過電壓。通過檢測運行方式，Qmax功能限制濾波器或電容器組投入的組數。如果系統方式有任何變化，無功功率控制將限制無功連接以防止電壓升高。對于南橋站而言，Qlim恒為10000Mvar，這個永遠無法達到，即該功能幾乎沒有限制，所以Qmax只會發增加濾波器的指令，而不會發切除濾波器的指令。

（4）優先級4——MinFilter（最小濾波器組數限制）：是指根據離線交流濾波器的設計結果，在對應運行方式和運行功率水平下所必須投入的濾波器組數及其組合形式，否則將不能保證濾波效果，以達到工程規范中所規定的濾波性能要求?？傊?，最大無功交換控制是為了滿足濾除諧波的要求需投入的最少濾波器組個數及其類型。

（5）優先級5——Qcontrol（無功交換控制）：用于控制換流站與交流系統的無功交換量為設定的參考值。一般情況下，整流站選擇控制電壓，逆變站選擇控制無功。南橋站運行時采用Q控制模式，將與交流系統交換的無功功率控制在參考值，將交流母線電壓控制在參考值。在投入時必須滿足最大交流電壓和最大無功功率對濾波器的要求；在切除時，必須滿足絕對最小濾波器、最大交流電壓和最小濾波器對濾波器的要求。

以上5項無功控制子功能依次具有以下優先級，其中優先級1為最高優先級，某項子功能發出的投切指令僅在不與更高優先級的限制條件沖突時才有效。

三、南橋換流站無功功率控制系統控制模式

1 ON模式：系統將自動進入手動模式。此時，運行人員可選擇自動模式。

2 手動模式：僅高優先級的交流濾波器投/切由無功控制自動完成。Minfilter和Qcontrol的交流濾波器組投切操作由運行人員手動完成。當需要投入交流濾波器組以滿足Minfilter時，或需要切除的交流濾波器滿足Qcontrol時，無功控制應發送信號至SCADA系統通知運行人員投/切交流濾波器組，并顯示將被投/切的濾波器組。在手動控制時，絕對最小濾波器控制、最高/最低電壓控制、最大無功交換控制仍起作用，實現交流濾波器的投切。

3 自動模式：所有需要的交流濾波器投/切都應由無功控制自動完成。運行人員僅需設定相關的與交流系統無功交換參考值。

4 OFF模式：無功控制不自動進行任何投/切交流濾波器的操作，也不會對運行人員給出任何提示，但運行人員可進行手動投/切操作。

四、南橋換流站投切交流濾波器的選擇

直流極控系統從站控系統獲得關于交流濾波器組的狀態信號，使得無功控制能夠根據當前運行工況以及交流濾波器組的狀態確定哪一類型的濾波器以及該類型中哪一組交流濾波器將被投入/切除。同一類型的交流濾波器組按循環方式投入、按先進先出原則切除，保證所有可用的無功設備的投切任務盡可能相等。

五、南橋換流站交流濾波器組的狀態

無功控制將從站控系統獲得來自交流場的以下相關信息：已經投入的交流濾波器組、被切除的交流濾波器組、可投入的交流濾波器組。

（1）可投入的交流濾波器組的隔離開關和地刀必須在適當的位置，而且閉鎖繼電器未被置1。如果交流濾波器組被保護跳閘，它的閉鎖繼電器被置1。只有在閉鎖繼電器被手動清0后，交流濾波器組才有可能被再次投入。

（2）交流濾波器組被切除，必須在一定的放電時間（7分鐘）后才能被再次投入運行。如果在一定的時間（1分鐘）內，交流濾波器組未能對指令作出響應，那么認為該交流濾波器組不可用。

（3）當一組交流濾波器從不可用轉為可用時，無功控制不應改變已經投入的交流濾波器組，（如果諧波濾波特性未提出要求），但是，在接下來的投切過程中該組交流濾波器將參與投切交流濾波器的選擇。

六、南橋換流站交流濾波器防振蕩措施

為了防止交流濾波器組/并聯電容器組的反復投/切，無功控制具有防振蕩功能?？蓪︻A定時間（1分鐘）內的交流濾波器組/并聯電容器組的投/切次數進行計數。如果投/切次數超過了一定值（6次），無功控制將自動轉入手動控制模式，防止更多的交流濾波器/并聯電容器組的投/切操作。

七、南橋換流站無功功率控制系統運行注意事項

1 交流濾波器組替換的原則為：當一組交流濾波器由保護跳閘后，根據AbsMinFilter或MinFilter的要求，該交流濾波器將由另一組交流濾波器來替代。如果跳閘的交流濾波器組屬于AbsMinFilter控制范圍內，那么無功控制功能將在1秒鐘內投入另一組交流濾波器。如果屬于MinFilter控制范圍內，那么無功控制功能將在5秒鐘內投入另一組交流濾波器。

2 當系統頻率低于49.5Hz以下時，應及時向調度匯報，加強對交流濾波器組電流的監視，加強系統運行工況監視，以防失諧。

3 對各交流濾波器組、并聯電容器組切除后（即隔離刀閘拉開后），必須超過7分鐘以上才能合電容側接地刀閘，以保證電容有足夠的放電時間。

4 交流濾波器組發生故障跳閘后，應及時改為冷備用狀態，在改為冷備用前不得將開關解鎖，以防止無功控制功能再次誤投該組濾波器。

5 交流濾波器組的手動切換，在交流系統電壓未達到允許的最高電壓時，應按照“先投后切”的原則，投入一組，再切除一組。

6 交流濾波器組在電容器檢修或部件更換后，在試運行后，應有檢修人員在對應的交流濾波器組保護屏上對初始不平衡電流進行補償，并做好記錄。

[1]張望，郝俊芳，曹森，李延龍，直流輸電換流站無功功率控制功能設計，電力系統保護與控制。

[2]張萌永，曹繼豐，高壓直流輸電換流站無功控制系統分析，電力設備。

[3]趙婉君，高壓直流輸電工程技術。

[4]朱韜析，王超，直流輸電系統無功功率的控制原理及存在的問題分析，系統分析。