特高壓換流站手動切除HP3濾波器導致功率回降分析

(國網四川電力特高壓宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

0 引 言

特高壓換流站的運行需要消耗大量的無功功率，對無功功率的控制則顯得尤為重要。無功控制不僅要滿足系統換相的無功需求，而且需有效地濾除諧波，從而保證母線電壓穩定和交流系統正常運行[1-2]。無功控制中優先級最高的功能為絕對最小濾波器控制(Abs Min Filter)，它限定了所需投入的最少濾波器組，主要是為了防止部分交流濾波器組因故被切除后造成運行中的其他交流濾波器諧波過負荷，當其他無功控制與該功能限制條件沖突時，禁止其他功能在交流濾波器組過負荷時切除交流濾波器組[3-4]。

下面就某特高壓換流站的一次直流功率回降事件進行分析，并提出解決方案。

1 功率回降情況分析

故障前直流功率運行方式為雙極低端1369 MW運行；交流濾波器為一組HP11/13(5631)、一組HP24/36(5642)和一組HP3(5633)運行；無功控制方式為A+B+C，其中A代表HP11/13濾波器組，B代表HP24/36濾波器組，C代表HP3濾波器組。同時第一、二大組交流濾波器在檢修狀態。巡檢發現5633濾波器A相C1電容器塔第四層第2支單支電容器漏油嚴重，向國調申請投入5641濾波器，退出5633濾波器。國調許可后，將無功控制方式切至手動模式，手動投入5641濾波器，退出5633濾波器。直流站控約30 s后發“絕對最小濾波器不滿足請求降功率”指令，功率回降至952 MW。

依據該站《交流濾波器最小需求報告》 中的要求，雙極低端運行方式下，當功率值在1000～2000 MW時，絕對最小濾波器功能需求為2A+B，如圖1所示，說明即使切除一組HP3(5631)濾波器后，還有兩組HP11/13(5631、5641)和一組HP24/36(5642)在運行，仍然滿足絕對最小濾波器需要。

現場檢查直流站控無功控制軟件(RPC)邏輯，如圖2所示，雙極低端運行方式下，當功率值在1000～2000 MW時，絕對最小濾波器功能需求為A+B+C；當功率在1000 MW以下時，絕對最小濾波器功能需求為A+B。若手動切除一組HP3濾波器后，濾波器變為A+B方式運行，不滿足當前功率下的絕對最小濾波器功能(Abs Min Filter)要求，直流站控請求功率回降，功率需回降至1000 MW以下。

換流站共2組HP3濾波器，手動切除一組HP3(5633)濾波器后，因另一組HP3(5623)濾波器在檢修狀態，絕對最小濾波器不滿足功率回降邏輯，如圖3所示。此時已無可用HP3濾波器，導致無功控制絕對最小濾波器功能(Abs Min Filter)不滿足，直流站控延時30 s發出功率回降至低等級功率1000 MW以下的指令，同時預留50 MW裕度，因此直流雙極功率回降至952 MW。絕對最小濾波器不滿足功率回降邏輯如圖3所示。

2 無功投切策略隱患分析

換流站交流濾波器配置為4×HP11/13(A)+ 4×HP24/36(B) + 2×HP3(C) + 10×SC(D)，功率等級下絕對最小濾波器組數邏輯如圖4所示。直流滿負荷8000 MW運行時，Abs Min Filter需求為3A+2B+2C，正常時HP11/13低通濾波器剩余1組熱備，HP24/36高通濾波器剩余2組熱備，HP3濾波器無熱備。RPC軟件邏輯為功率在3200～5600 MW時Abs Min Filter需求為2A+2B+1C；功率為5600～6000 MW時Abs Min Filter需求為2A+2B+2C；功率為6000～8000 MW時Abs Min Filter需求為3A+2B+2C。

如滿負荷時其中1組HP3濾波器故障跳閘，Abs Min Filter不滿足，功率將回降至6000 MW，此時功能需求為2A+2B+2C，Abs Min Filter仍然不滿足，功率將再次回降至5550 MW(5600 MW減去50 MW裕度)，將直接造成2450 MW負荷損失。

圖1 最小濾波器配置

圖2 功率等級下絕對最小濾波器組數邏輯

圖3 絕對最小濾波器不滿足功率回降邏輯

圖4 功率等級下絕對最小濾波器組數邏輯

表1 HP3退出影響直流對比

3 單組HP3故障退出后Abs Min Filter方式轉換可行性分析

各換流站滿負荷運行時，如單組HP3濾波器故障退出后對直流系統功率輸送的影響對見如表1。

由表1可以看出，大部分直流換流站在HP3不可用的情況下，可以由相同類型的濾波器替代，也可以由其他類型的濾波器組投入替代運行。但現階段在實際工程中通過增加一次設備(HP3)數量來解決上述功率回降問題的可操作性不大，只能考慮參考其他換流站的投切策略，修改RPC軟件邏輯，在單組HP3故障退出后進行Abs Min Filter方式轉換，以滿足無功和Abs Min Filter需求。修改RPC軟件邏輯后存在兩個問題：1)當所有HP3濾波器均不可用時，如Abs Min Filter使用A型和B型濾波器替代，電網中3次和5次諧波勢必無法消除，需計算滿負荷時電網中的3次和5次諧波分量。2)退出一組HP3濾波器后使用其他類型濾波器替代，那么電網中的3次和5次諧波就只能靠再投入的一組HP3濾波器吸收；如果3次和5次諧波分量較大，可能造成投入的一組HP3濾波器過流或過負荷。

如果電網中的3次和5次諧波分量非常小，即使退出一組HP3或HP3全部不可用也不會對系統造成嚴重的危害。以錦屏換流站為例，其濾波器4A+3B方式下最大可承受8280 MW(1.15 p.u.)直流功率輸送，從實際運行經驗來看，暫未發生因單組HP3濾波器退出造成功率回降的事故。

查看故障前小組濾波器錄波圖，各小組濾波器首段電流約為255 A左右。不同類型濾波器組諧波分量如圖5所示，HP11/13濾波器電流主要由基波電流、11次諧波和13次諧波電流組成，比例分別為100%、44%、35%。HP24/36濾波器電流主要由基波電流及少量9次、11次和13次諧波電流，比例分別為100%、3%、3%、5%。

HP3濾波器電流中主要為基波電流，3次和5次諧波最大不超過1.5%[5-6]。HP3濾波器保護過流II段定值為384 A(I段報警)，延時0.3 s跳閘，需要電流中至少要包含130 A以上的3次或5次諧波電流，比例在60%以上，但從目前的3次和5次諧波分量來看，在無功滿足前提下，退出一組HP3不會造成在運的一組HP3過流或過負荷。

圖5 不同類型濾波器組諧波分量錄波

圖6 錦屏換流站絕對最小濾波器組數邏輯

4 改進措施

以錦屏換流站邏輯為例，雙極四閥組全壓運行，功率為3600～7920 MW(1.1 p.u.)時，如HP3濾波器可用，Abs Min Filter需求為3A+2B+C；如HP3濾波器不可用時，Abs Min Filter需求轉換為3A+3B，如圖6所示。錦屏站絕對最小濾波器組數邏輯站交流濾波器配置為4A+4B+1C+5D，如滿負荷7200 MW運行時，即使HP3濾波器故障退出，正常情況下仍然滿足Abs Min Filter需求，不會出現因單組濾波器退出而造成回降功率的情況。

依照錦屏換流站邏輯，同時分析在一組HP3投入的情況下，3次和5次諧波對電網的危害和影響程度較小，對故障站軟件邏輯進行修改。

圖7 軟件修改后絕對最小濾波器組數投切邏輯

圖8 復龍換流站LEVE 6功率水平邏輯

修改后的控制邏輯如圖7所示。當HP3可用組數小于2組時，若雙極功率水平在5600～7600 MW時，可采用3A+3B+1C的濾波器配置；若雙極功率水平在7600～8800 MW時，采用4A+3B+1C的濾波器配置；若雙極功率水平在8800 MW以上時，采用4A+3B+1C的濾波器配置。這樣可避免迎峰度夏大負荷運行時，HP3組數全部投入，一組HP3濾波器退出運行時功率回降過多的情況發生。

5 存在的問題

對比復龍換流站，其濾波器組僅有一組HP3型，考慮大負荷運行情況下，在HP3濾波器不可用時，功率限制值POW_LEVER_5由6080 MW調整為3520 MW，功率限制值POW_LEVER_6由10 000 MW(上限)轉換為5440 MW，如圖8所示。即滿負荷時HP3濾波器故障退出后，濾波器組數必須滿足5440 MW以上Abs Min Filter需求，即“3A+3B”方式。也就是說在HP3濾波器不可用的情況下，滿負荷時必須滿足5440 MW以上Abs Min Filter需求，否則功率將回降至5440 MW以下，在站內HP11/13和HP24/36型濾波器組有足夠冗余度的情況下，其功率最多損失960 MW。

對比錦屏換流站(如圖6)，雙極四閥組全壓運行，功率為3600～7920 MW(1.1 p.u.)時，如HP3濾波器可用，Abs Min Filter需求為3A+2B+C；如HP3濾波器不可用時，Abs Min Filter需求轉換為3A+3B。如滿負荷7200 MW運行時，即使HP3濾波器故障退出，正常情況下仍然滿足Abs Min Filter需求，不會出現因單組濾波器退出而造成回降功率的情況。

該故障站若滿負荷運行，但一組HP3濾波器在檢修、另一組HP3若因不確定的因素退出運行導致兩組HP3同時不可用時，功率水平會回降至950 MW(1000 MW減去50 MW裕度)，如表2所示，這樣會造成直流功率快速損失7050 MW，對電網的沖擊非常大。

6 結 語

通過對換流站手動切除HP3濾波器組回降直流功率的分析，查找到了導致直流功率回降的原因與軟件邏輯中對HP3濾波器在不同功率水平的要求不合理有關。通過對軟件邏輯的修改，雖然解決了當一組HP3不可用時，可以通過投入其他類型濾波器組的方式避免功率回降的事情發生，但仍舊存在當兩組HP3同時不可用時，在滿負荷或大負荷運行期間造成功率損失較大，對電網沖擊很大的情況。

表2 某站絕對最小濾波器組數

考慮借鑒錦屏換流站的軟件邏輯，在兩組HP3同時不可用時，使用其他類型濾波器組代替運行，并研究在這種情況下3次和5次諧波對電網的危害和影響程度，分析在不消除3次和5次諧波分量的情況下直流滿負荷時是否可以長時間運行。