特高壓靈州換流站無功控制策略優化與改進

高海洋，祁迎賓

（國網寧夏電力調度控制中心，寧夏 銀川 750001）

1 背景概述

在直流輸電系統運行時，無論是整流站還是逆變站，換流器在換流過程中都需要從交流側吸收大量無功[1]。而系統無功交換不平衡時會導致交流電壓明顯波動，嚴重時會對系統穩定性產生較大影響。無功控制作為直流輸電系統重要控制功能之一，根據不同功率水平控制設置在交流側的無功補償設備，以此達到交直流系統無功平衡，確保系統安全穩定運行[2]。

特高壓靈紹直流于2016年8月24日投運，工程起于寧夏靈州換流站，終至浙江紹興換流站，額定輸送容量8×106kW。靈紹直流是國家大氣污染防治行動計劃12條重點輸電通道之一，對于緩解浙江電力用電緊張局面和加快寧夏能源優勢轉化意義重大[3]。

2 當前無功配置及策略

為了滿足在不同功率和不同運行方式下無功消耗的需求，同時考慮到諧波濾除的需求，特高壓靈州換流站配置的無功補償設備如表1所示。

表1 特高壓靈州換流站無功補償設備

特高壓靈州換流站配置16小組交流濾波器（并聯電容器），分別設置4大組交流濾波器母線上，每大組母線上配置4小組交流濾波器。前三大組配置的型號和數量均相同，順序依次為SC、BP11/BP13、HP24/36、HP3，第四大組配置類型順序依次為SC、BP11/BP13、SC、HP24/36，其中BP11/BP13、HP24/36及HP3交流濾波器既能濾除相應頻率諧波，又能提供可消耗的無功，而SC并聯電容器只能提供無功，無濾除諧波功能。以上每小組交流濾波器（并聯電容器）額定容量均為295 Mvar，16小組總容量為4 720 Mvar。特高壓靈州換流站交流濾波器具體配置如圖1所示[3]。

圖1 特高壓靈州換流站交流濾波器配置

直流系統無功控制功能由多個子功能模塊按照一定的優先級和判據條件來實現，當某一優先級的投切操作指令僅在完成投切操作后，且不與更高的優先級的限制條件相沖突時才能發出[4]。靈州站無功控制包含5個子功能，優先級從高到低依次為絕對最小濾波器、交流母線電壓限制、最大無功限制、最小濾波器以及定電壓控制/定無功控制。除前四優先級功能外，對于第五優先級功能，靈州換流站當前采用定無功控制，且在正常運行時大部分濾波器投切指令均由該子功能發出。系統通過以上各個子功能模塊的相互配合，達到交直流系統間的無功交換平衡，并且滿足濾除諧波和控制交流電壓的要求[5]。

無功控制子功能按照優先級從高到低排序及其相應功能說明如表2所示[6]。

表2 無功控制子功能優先級及相應功能說明

在以上功能中，絕對最小濾波器和最小濾波器功能需在不同工況及功率水平下要求不同的濾波器類型和組數。為防止交流濾波器設備過負荷并滿足系統濾波性能，絕對最小濾波器和最小濾波器功能根據直流輸送功率大小對不同類型交流濾波器投切及組數有特殊要求，且根據特高壓靈州換流站當前采用的定無功控制功能，使得16小組交流濾波器進行輪換交替投切，即在直流系統功率上升過程中依次按BP11/BP13→HP24/36→HP3→BP11/BP13→HP24/36→HP3→BP11/BP13→HP24/36→HP3→BP11/BP13→HP24/36→SC→SC→SC→SC→SC的順序進行投入，功率下降過程中順序與之相反，且遵循后投先退的原則進行投切[7]。

3 存在的問題和隱患

根據當前策略，在直流功率上升過程中先依次投入BP11/BP13、HP24/36、HP3類型交流濾波器，待以上所有11組濾波器投入后，再根據無功需要從剩下5組SC并聯電容器中選擇投入。因此，在不同負荷的條件下，不同類型的交流濾波器投切次數不同。當在低直流功率水平階段變化時，因換流器消耗的無功較少，無功控制主要靠投切BP11/BP13、HP24/36、HP3交流濾波器來實現無功平衡。相反，在大負荷功率水平階段變化時，因換流器消耗無功量大，則無功控制主要靠投切SC并聯電容器來實現無功平衡。

由于靈紹直流是西北地區新能源跨區外送的重要通道，在靈紹直流投運初期，配套電廠尚未全部投運，直流輸送負荷不高，結合寧夏地區新能源負荷變化以及頻繁開展跨區現貨交易等情況，使得靈紹直流輸送計劃頻繁調整。在當前定無功控制模式下，當直流輸送功率頻繁調節或定功率條件下交流側電壓小范圍波動時，容易引起站內交直流系統無功交換量或交流濾波器（并聯電容器）補償容量發生變化，造成交流濾波器用斷路器頻繁投切。

2016年8月24日—2017年5月31日，靈州換流站在定無功控制模式下交流濾波器共投切786次，投切設備全部為BP11/13、HP24/36、HP3類型濾波器。根據采用的控制策略，由于此階段輸送功率未超過6 400 MW，5組SC并聯電容器均沒有投切過，造成投切分布不均衡。每組濾波器投切次數統計如表3所示。

表3 靈州站交流濾波器投切次數統計

再以2017年5月12日單日為例，圖2和圖3分別為當日靈紹直流負荷曲線和交流濾波器運行組數曲線，對系統運行負荷和交流濾波器投切情況進行分析如下。

圖2 5月12日靈紹直流功率曲線

圖3 5月12日交流濾波器投切組數

由圖可知，最低負荷為1 679 MW，最高負荷為4 800 MW。受新能源負荷變化及跨區現貨交易影響，5月12日功率一共變化調節了89次，帶濾波功能的設備投切多達17次，投切相當頻繁。目前，靈紹直流配套電廠已全部接入，靈紹直流已達到額定8 000 MW輸送能力水平。若直流功率在6 400～8 000 MW頻繁調節，將會導致SC并聯電容器頻繁投切。

靈州站750 kV交流濾波器罐式斷路器為國內首臺首套，且未采用選項合閘裝置，由于交流濾波器的頻繁投切，因此對斷路器使用壽命產生較大影響，不僅容易發生斷路器內部故障，而且可能因產生較大的暫態涌流沖擊及過電壓對交流濾波器和電容器等一次設備造成損傷。靈州站自投運至今已發現或發生多起交流濾波器設備異常事件，尤其是2017年5月27日7632斷路器C相內部重燃引起多組交流濾器跳閘，并導致直流功率回降事件，對電氣設備和直流系統的安全穩定運行造成了嚴重威脅。

4 控制策略改進與優化

為避免靈州換流站交流濾波器設備頻繁投切，且均衡不同類型交流濾波器設備投切次數，根據系統運行情況提出以下改進優化措施。

4.1 采用定電壓模式

目前，靈州站無功控制方式采用定無功控制，其根據系統無功交換量大小控制濾波器投切。由于無功容易受系統各方面因素影響，因此在特定情況下會造成濾波器設備頻繁投切[8]。而當無功控制方式選擇為定電壓控制模式時，交流濾波器及并聯電容器的投、切操作主要取決于交流母線電壓的實際值。當母線電壓大于基準電壓與電壓死區之差時，發出設備切除命令，反之則發出設備投入命令[9]。需根據系統實際情況合理地動態調整定電壓控制模式的基準電壓值或電壓死區值，考慮在不同功率水平下及電網方式下能滿足調度要求的電壓控制范圍，若采取以上方式，即使輸送功率頻繁調整或交流系統電壓頻繁波動，只要交流母線電壓在允許范圍內時，交流濾波器設備就不會投切。該方式下在一定電壓區間范圍內的無功消耗由交流系統來提供[10]。

以2017年05月26日為例，當時系統無功控制方式為定無功控制，直流功率在1 882～4 054 MW范圍內變化時，750 kV母線電壓變化范圍為778.78～782.35 kV，濾波器設備投切12次。

在2017年6月1日以后的一段時間，為限制濾波器頻繁投切，現場臨時采取了人工手動定電壓控制的方式，即將無功運行方式打至手動狀態，根據交流電壓人工手動控制濾波器投切。以7月20日為例，直流功率在1 879～4 000 MW范圍內變化時，750 kV電壓變化范圍為774.22～782.71 kV，濾波器設備投切次數為3次，且此3次投切均為絕對最小濾波器和最小濾波器功能要求投入。

通過數據比對分析，在相同功率水平下采用不同無功控制方式時，750 kV母線電壓均可在考核電壓范圍內，且采用電壓控制方式時，交流濾波器投切次數明顯下降，可以滿足預期要求。

綜上所述，經合理設置參數的定電壓控制模式基本可以解決因無功交換量變化導致濾波器頻繁投切的問題。

4.2 優化濾波器設備投切順序

由于目前濾波器設備的投切順序，功率在較低水平變化時只有BP11/BP13、HP24/36、HP3類型濾波器交替投切，SC并聯電容器不會進行投切，而功率在較高水平變化時其他3種類型交流濾波器不會投切，只有SC并聯電容器進行投切[9]。針對上述問題可對濾波器投切邏輯作以下優化，在一定功率水平區間內，且在該區間內滿足絕對最小濾波器和最小濾波器組數要求時，當定電壓/定無功功能投切濾波器時，合理選擇優先投切SC并聯電容器，即可以優化濾波器投切順序為：BP11/BP13→HP24/36→HP3→BP11/BP13→SC→HP24/36→HP3→SC→BP11/BP13→SC→HP24/36→SC→HP3→SC→BP11/BP13→HP24/36，以此滿足系統無功交換或電壓要求。

以靈州站雙極四換流器全壓運行方式為例，當在1 800～2 800 MW范圍內，絕對最小濾波器和最小濾波器要求投入兩組BP11/BP13、1組HP24/36以及1組HP3型濾波器。功率從1 800 MW升至2 800 MW的過程中，定電壓控制/定無功控制功能要求投入濾波器時可優先投入1組SC；功率從2 800 MW降至1 800 MW的過程中，若有SC在運，則定電壓控制/定無功控制功能要求切除濾波器時可優先切除1組SC，且功率上升達到絕對最小濾波器和最小濾波器投切點一定范圍內時，定電壓控制/定無功控制功能不再投入SC電容器組，而是按原來的順序進行投入。

絕對最小濾波器和最小濾波器是針對濾除相應頻率諧波所設定的功能，而定電壓控制/定無功控制是針對系統無功交換量和交流母線電壓所設定的功能[10]。當滿足絕對最小濾波器和最小濾波器組數要求時，只進行SC并聯電容器的投切，完全可以滿足定電壓控制/定無功控制功能的要求，不會對系統造成任何影響。

5 結 論

本文通過闡述現有無功控制功能及存在的問題，提出了更改無功控制方式和優化濾波器投切順序的策略優化及建議。并通過實際工況驗證上述優化建議的有效性，建議可作為后續直流輸電工程無功控制策略優化改進研究的理論支撐。