串聯多端直流輸電無功補償及控制策略

劉俊磊

摘 要：多端直流輸電屬于直流輸電的一種形式，能夠實現多電源供電以及多落點受電，對于提高供電質量以及供電可靠性具有重要意義。但是基于晶閘管的傳統換流技術在換流過程中需要消耗大量無功功率，加大了電能的損耗，不利于電能的充分利用，嚴重影響了多端直流輸電的推廣及應用，阻礙了我國電力事業的發展，針對這種狀況必須通過無功補償技術加強對線路耗能情況的控制。本文簡要介紹了串聯多端直流輸電及其無功理論，對無功補償的具體設置進行了分析，并提出了有效的串聯多端直流輸電無功補償控制策略。

關鍵詞：串聯多端直流輸電；無功補償；理論；技術；控制策略

中圖分類號：TM721 文獻標識碼：A

近年來為了滿足經濟發展的需求，我國加大了電網建設力度，通過對電網結構進行優化和調整，將直流輸電形式運用于電網結構中，在建設大容量、遠距離電網過程中起到了重要作用，具有非常重要的現實意義。但是傳統直流輸電形式也存在一定的弊端，電流的輸出端與輸入端只能點對點進行對接，無法實現多個輸入端與輸出端之間的有效連接，不能滿足實際供電需求，所以在這基礎上發展形成了串聯多端直流輸電，通過對串聯多端直流輸電無功補償及控制策略進行分析、研究，能夠為該技術的推廣應用創造有利條件，發揮其應用優勢。

1.串聯多端直流輸電介紹以及其無功理論

1.1 串聯多端直流輸電介紹

串聯多端直流輸電是指采用串聯的形式將電網中的不同環節站相互連接，在線路中設置一個接地點，將所有電流匯集到一起流入到同一個直流電流，然后通過改變直流電壓來對功率在不同換流站的具體分配進行調整，進而實現電流的輸送。通常情況下，串聯多端直流電壓的分配是由一個換流站完成的，通過對直流電壓進行科學地分配，能夠實現對線路電流的調節，滿足了電網多點同時供電的需求。

1.2 串聯多端直流輸電無功理論

串聯多端直流輸電的換流站主要有基于電流源的換流器和基于電壓源的換流器兩種形式，兩者可以單獨使用也可以混合使用，本文主要對基于電流源的換流器進行研究，其無功補償的理論基礎包括換流器無功消耗以及交流系統無功支持能力。換流器無功消耗主要涉及到換流器功率因數以及換流器無功功率軌跡，其中換流器吸收的無功功率隨換流器功率的變化所形成的曲線就叫作換流器無功功率運行軌跡。根據換流器的工作原理以及相關函數知識可以得知，換流器的功率因數與觸發角以及整流器和逆變器的換相角大小有關，當線路中的直流功率相同時，交流側功率因數與觸發角以及整流器和逆變器的換相角成反比關系，會隨著角度的增加而減小，此時換流器吸收的無功功率將會增大。

換流站的無功補償在很大程度上是由交流系統無功支持能力決定的，當交流系統無功能力較強時，較小容量的無功補償便可以滿足換流站的運行需求，可以適當減少無功補償設備，節約了大量的系統運行資金，當直流系統突然停運時，能夠有效避免因甩負荷引起的過電壓現象，所以在設計串聯多端直流輸電無功補償裝置的時候，要對交流系統的無功支持能力加以充分利用。

2.串聯多端直流輸電無功補償設置

2.1 無功補償原則

在設置串聯多端斷直流輸電無功補償時，為了縮短傳輸距離、減少無功損耗，要堅持分層分區、就地平衡的基本原則。在規劃直流系統路線的時候，要根據用戶的實際需求進行分類，合理布置線路。當直流系統運行負荷較大時，為了減少容性無功補償裝置數量，可以對部分無功電源加以利用；當直流系統運行負荷較小時，為了減少感性無功補償設備裝置數量，可以通過發電機減少無功補償大小，進而實現無功平衡。除此之外還需要對無功設計進行校核，主要包括容性無功補償裝置容量的校核、感性無功補償裝置容量的校核以及無功補償設備分組投切是電壓變化率的校核，通過對無功設計進行檢驗，能夠保證無功補償設置科學性以及合理性，滿足直流系統實際運行需求。

2.2 無功補償設計

在進行無功補償設計的時候，首先要明確無功平衡方式，并根據具體方式選擇不同的無功平衡配置方案，常見的無功平衡方式主要有無功獨立平衡方式、單站獨配方式以及無功整體平衡方式3種，基于這3種平衡方式可以提出多種無功平衡配置方案，本文所用的無功平衡配置方案為結合與換流站相連的交流系統的無功支持能力，以滿足換流站的無功消耗需求進行平衡配置。根據具體的系統參數以及無功邊界條件，結合計算公式，運用數學知識分別對換流站無功消耗、換流站無功分容量進行計算，得出較為準確的計算結果，確定換流站的大組、小組以及無功分組數的方案；然后在對無功小組容量進行計算，推算出無功小組的最大容量；最后根據計算以及估算得出的具體數值確定無功配置方案。

2.3 無功補償與配置方案的校核

為了保證無功補償配置方案滿足實際需求，需要對無功補償與配置方案進行校核。換流站的無功消耗情況與其運行方式有著直接影響，通過對換流站不同運行方式下的無功消耗情況進行校核，能夠滿足實際運行需求；無功補償總容量是有一定的條件要求的，所以需要分別對整流站逆變站的無功補償容量進行校核；除此之外還需要對感性無功補償設備容量、投切無功分組電壓波動以及無功分組投切工程進行校核，以保證無功補償配置方案滿足直流系統實際運行需求。

3.串聯多端直流輸電無功補償控制策略

3.1 評估直流系統故障對暫態電壓的影響

當直流系統中出現運行故障的時候，會對暫態電壓的穩定性造成影響，利用暫態電壓穩定指標可以對所產生的影響進行評估，進而能夠清楚地了解到暫態電壓可能出現的問題，制定針對性的應對措施，所以在對串聯多端直流輸電無功補償進行控制的時候，首先要明確暫態電壓穩定指標，當直流系統出現故障的時候，利用相關指標能夠得出故障對暫態電壓穩定性的具體影響，為優化電力系統的無功補償提供了可靠的參考依據。將暫態電壓穩定指標與有關的計算指標相結合，采用時域仿真法對故障情況進行模擬，然后得出故障情況對暫態電壓穩定性的影響程度，根據評估結果提出無功補償優化措施，故障所造成的風險降到最低。同時還需要以時間為劃分標準將動態無功備用分為不同等級，以滿足不同時間段的實際需求。

3.2 基于模型預測控制的動態無功協調優化

在對直流系統進行動態無功協調進行控制的時候，如果僅僅是對當前運行狀態進行考慮，是很難實現有效的控制效果的，無法保證控制的連續性。在對無功裝置進行調節的過程中，因裝置特性的不同彼此之間可能會存在競爭關系，所以在對串聯多端直流輸電無功補償進行控制的時候，需要采用MPC動態無功協調優化控制方法建立模型，對每一個時間層未來的運行狀況進行模擬和預測，確定響應特性與之匹配的無功設備的動作量及動作時刻，根據預測結果對各類離散、連續無功設備進行協調，提前響應系統中預見變化，滿足電壓安全并預留快速無功備用。

3.3 不基于負荷模型的暫態電壓穩定快速評估

因為組成電力系統負荷具有多變、靈活的特點，很難通過構建負荷模型將其基本情況反映出來，所以在對暫態電壓穩定性進行評估的時候，如果采用負荷模型評估方法，是無法得出準確的結果的，便無法實現對直流系統無功補償的有效控制。針對這種狀況，通過利用李雅普諾夫指數，可以在不構建負荷模型的情況下，根據PMU數據的動態情況得出電力系統所發生的具體變化，進而得知暫態電壓穩定性，然后對無功補償進行調控。

3.4 自律、協同的暫態電壓穩定緊急控制體系

在對串聯多端直流輸電無功補償進行控制的時候，經常會遇到緊急情況，需要通過就地切負荷方式迅速完成控制過程，但是就當前的緊急控制裝置來看，是很難實現就地智能控制的，所以就需要建立一套有效的緊急控制體系，來減少切負荷量。通過將動態無功裝置與發電機組相結合，然后將快速切負荷控制與兩者結合形成的協調控制器相互配合，能夠使負荷感應電動機在故障期間轉子轉速下降減少，提高負荷節點在故障切除后的電壓恢復能力，可以有效減少暫態電壓穩定的故障切除所需時間，實現緊急控制系統的構建。

結語

與常規的高壓直流輸電相比，串聯多端直流輸電具有多方面的應有優勢，首先是擴大了直流傳輸容量以及傳輸距離；拓寬了直流功率的調節范圍；并且當換流器出現故障的時候，系統中的其他運行環節仍然可以繼續工作。但是同時也增加了換流站數量以及線路段的增加，也會提高直流系統的復雜程度，加大了無功補償難度，并且換流過程中會造成大量的電能損耗，電能利用率較低，所以需要優化無功補償配置，制定科學、有效的無功補償控制策略。

參考文獻

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