換流站交流濾波器控制模式分析

摘要：分析了換流站無功控制的基本功能、優先級別、動作邏輯，并結合現場對無功控制模塊的實際作用進行了驗證，得出換流站交流濾波器操作順序的結論：優先級最低的無功控制功能在保證其余高優先級控制功能限制的情況下，最先實現濾波器的投切；人工進行切換濾波器時，需嚴格遵循一定的操作順序；在使用不同類型濾波器進行替換時應最先置無功控制方式手動，最后恢復無功控制方式自動。

關鍵詞：換流站；無功控制；交流濾波器；優先級

作者簡介：錢龍（1980-），男，湖北黃石人，湖南電力公司檢修公司惠州直流分部，工程師。（廣東 惠州 512006）

中圖分類號：TM477 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0231-02

由于直流換流站運行消耗大量無功功率，交流濾波器在換流站中屬于必需的重要設備，在提供無功的同時，還兼有濾除換流器所產生的諧波電流的功能，從而避免對交流電網及鄰近通信系統的干擾及影響。[1]交流濾波器的可靠穩定運行直接影響直流系統的運行性能。正常狀態下濾波器的投退由直流控制系統自動完成，但在交流濾波器出現異?；蚬收蠒r需要人工進行切換、投退，在一些非典型運行方式下可能會出現意想不到的情況。

一、無功控制功能

1.無功控制優先級

無功控制功能RPC通常集成在換流站站控系統中。無功控制功能分為不同層次的控制子模塊，并具備不同的優先級。控制系統按照實際工況需求，根據所選擇的功能的優先級執行投切交流濾波器、并聯電容器組的操作。優先級1擁有最高優先權。

（1）絕對最少濾波器（ABS min filter）。

（2）最大交流電壓（Umax）。

（3）最大無功功率（Qmax）。

（4）最少濾波器（min filter）。

（5）無功功率控制或交流電壓控制（U Control/Q Control）。

優先級1的絕對最小濾波器規定了不同功率水平下需求的濾波器數量。當系統運行時——如極解鎖，若無絕對最小濾波器需求類型及數量的濾波器連接到換流閥側交流系統，在一定的延時（換流站常見定值為5s）后將發出直流閉鎖信號。極解鎖后，絕對最小濾波器功能立即連接規定組數的濾波器，并在整個功率變化過程中一直保持連接，其余濾波器投切視直流功率而定。絕對最小濾波器通過投入合適的濾波器組數確保滿足系統及設備的額定水平。絕對最小濾波器功能也阻止了其他功能切除濾波器，以避免交流濾波器因過負荷而跳閘。甚至當RPC在手動模式時也能夠起作用。

最大交流電壓與最大無功功率功能通過斷開或者連接濾波器保持交流電壓在適當水平，但不得超出絕對最小濾波器范圍的限制。

第4等級的最小濾波器功能在一定直流功率水平、解鎖極的數量以及直流電壓水平的條件下保證濾波器能夠正常運行。[2]它設置有4個函數曲線，對應不同的功率值，得出需要投入的不同類型的濾波器數，若大于已連接的濾波器組數，則發出投入濾波器的指令。最小濾波器從不斷開濾波器，但它允許或禁止低優先級的Q control投切濾波器。

2.濾波器投切選擇

實際運行時，控制系統將會判斷首先連接哪種類型的濾波器，再進行同類型濾波器/并聯電容器的選擇。交流濾波器的投切也有一定的優先級順序，規律如下：

（1）不同類型的濾波器優先級順序為HP11/13、HP24/36、SC。

（2）高優先級的濾波器首先連接，不可用時將投入低一級的濾波器。

（3）同類型的濾波器優先級的順序在程序中循環選擇，先投先退。

3.濾波器的可用性

當出現異常故障信號或人為退出濾波器進行檢修試驗均會影響交流濾波器的可用性，控制系統在需要投入濾波器時則會忽略經判斷屬于不可用的濾波器。交流濾波器/并聯電容器SC可用性條件大致如下：

（1）沒有設置交流濾波器保護動作矩陣（NO Setting PAM）。

（2）交流濾波器母線充電。

（3）對應濾波器交流開關無三相不一致現象，刀閘和地刀分合閘指示清晰明確。

（4）對應濾波器刀閘在合上位置，交流開關允許合上（開關三相可用，無Lockout，彈簧儲能正常，SF6壓力正常）。

（5）對應濾波器的交流開關能夠正確動作。

二、無功控制策略

1.無功控制目的

按照調度規程的規定，為了保證電網穩定，無功需求應按照分層分區、就地平衡的原則進行管理，換流站無功控制主要面對兩個主要參數，換流站與交流系統交換的無功以及所連交流系統的電壓。通過計算，無功控制功能得出應當投入的無功設備組數，防止過多的諧波進入交流系統，且兼顧交流電網電壓穩定水平。具體實現手段則為投切不同種類及組數的濾波器。

2.無功需求

直流系統不同運行工況對無功需求不同，因而會采用不同的控制模式與定值。[3]本文的討論以雙極常壓正常運行方式作為默認條件。此外，在某一固定工況下計算無功需求，當前輸送的直流功率值將作為對比判斷依據，但系統中的直流功率值并非整流站或逆變站在軟件界面中整定的直流功率值，而是通過各站測量的直流電流Iord與閥直流側電壓Udio綜合計算得出的計算值。

換流站內無功補償設備不僅包括交流濾波器和并聯電容器提供的固有無功，還應考慮提供部分無功的PLC區電容器組，控制系統還引入了一個補償系數K。在此基礎上，RPC控制功能將比較換流器無功損耗（Q-Conv）和無功投入量（Q_Calc_FLT），從而決定投入或切除濾波器的類型和組數。[4]

三、實際工況分析

1.不同優先級功能的實際控制

以某換流站設定值為例，按照優先級順序及控制系統設置可以得出隨功率上升由某個控制模塊投入的濾波器及對應功率點的表格。

實際工況表明優先級最高的功能最容易被滿足，在不違反高優先級功能限制的情況下都是低優先級功能在進行濾波器的控制。以實際工況為例，某日0點之前功率為1205MW，投入濾波器為2組HP11/13、1組HP24/36 ACF。00：03調整功率至1455 MW，期間由Q control控制投入1組HP11/13 ACF；00：18調整功率至 1705 MW，期間由Q control控制投入1組HP24/36 ACF。

對照表1可以發現除極解鎖時投入的2組HP11/13及HP24/36絕對最小濾波器外，之后的功率上升投入的濾波器都是由Q control控制投入而非最小濾波器功能投入。直流系統低負荷運行時，換流閥消耗的無功較小，而當直流功率上升時無功需求將急劇增加。因此在不影響交流系統電壓穩定的情況下，Q control將先于最小濾波器功能發揮作用，同樣，從需求上看，除解鎖的首先投入的濾波器外，最小濾波器也是先于絕對最小濾波器發揮作用的。

雖然實際連接濾波器時是由不同優先級的功能在不同情況下發出的指令，但最后還是歸口至同一選擇濾波器類型及同類型濾波器組中進行選擇的程序，因此還是同樣可以參考表1的順序對濾波器進行監控。

2.鵝城站濾波器替換中的一些問題

以某直流系統一工況為例，直流功率值在1500MW附近時，投入3組HP11/13及2組HP24/36 ACF共五組濾波器。由于故障處理需要退出1組HP11/13濾波器，而現場已無同類型HP11/13可供替換，只能投入等級較低的HP24/36濾波器，由于手動投切濾波器時RPC必須置MANUAL模式，出現的一個問題是，在沒有將退出的HP11/13濾波器通過改變交流開關控制方式轉至不可用狀態下，恢復RPC自動控制會否導致該組HP11/13濾波器交流開關自動合上，且投入的HP24/36濾波器會自動退出。

通過以上對濾波器投切功能的分析與濾波器可用狀態的闡述，至少可以得出結論，在當時的功率水平下不包括備用濾波器，已投入的4組濾波器已滿足RPC絕對最小濾波器至最小濾波器功能的需求，在手動將1組HP11/13 與HP24/36濾波器切換后也不存在無功差額的需求，Q control不會導致濾波器的反復切換。

四、濾波器控制的相關結論

在理解濾波器控制模式及邏輯的基礎上能夠提高對于濾波器相關操作的把握，降低不可控因素的出現，尤其需要嚴格執行相關的運行規定并注意以下幾點：

1.濾波器投切的操作步驟

由于直流系統工況多變，在某個時刻順利的操作流程可能在一個條件改變后就無法實施。在使用不同類型濾波器進行替換時應做到最先置RPC控制方式手動，最后恢復RPC控制方式自動，即要在改變濾波器開關控制方式，拉開對應刀閘后使濾波器狀態變為不可用，方可恢復RPC的自動控制。

2.濾波器的先投后切原則

在進行交流濾波器的替換操作時要嚴格遵循先投后退的原則，將RPC打至MANUAL位置，先投入備用濾波器再切除要替換的濾波器。若有相同類型的濾波器，優先使用同類型的進行替換。

3.不同類型濾波器的替換

在沒有備用交流濾波器的情況下，可以用并聯電容器替換運行中的交流濾波器，但前提是要滿足絕對最小濾波器組數的要求。若不滿足絕對最小濾波器組數要求，此操作很可能會引起功率回降。

4.參與交流系統電壓調節的無功控制

當直流系統所連接的交流電網電壓超出調度規定的電壓曲線范圍時，在系統工況允許的情況下向調度提出申請，手動投切一組交流濾波器/電容器，前提是滿足最小濾波器優先級要求。

5.切除濾波器的事故預想

在手動切除濾波器時，必須考慮對運行濾波器的影響，尤其是考慮濾波器過流保護、過負荷保護的影響。[5]在手動進行濾波器切換時要預先對比分析，防止保護動作，對操作中可能出現的問題全面分析考慮。嚴密監視是否會出現“Min filter not fulfilled”、“Reference not fulfilled”、“Filter disconnected on overvoltage”、“QPC active”等信號，必要時采取手動投入濾波器等措施。

參考文獻：

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]ABB.1JNL100050-296 Rev. 01，AC Filter Performance[R].Sweden：ABB，2001.

[3]李興源.高壓直流輸電系統的運行和控制[M].北京：科學出版社，1998.

[4]ABB.1JNL100046-015 Rev. 02， Reactive Power Compensation[R].Sweden：ABB，2001.

[5]ABB.1JNL100050-134， DC System Protection[R].Sweden：ABB，2001.

（責任編輯：王祝萍）