特高壓直流無功后備控制功能策略研究

李金安 姚言超 嚴海健 廖聰

摘 要：針對直流運行時可能存在的特殊情況，后續新建直流工程引入了無功后備控制功能，現針對某特高壓直流無功后備控制功能的策略開展了研究，發現無功后備控制功能在實際運行過程中可能導致交流電壓畸變、不能可靠切除交流濾波器、交流電壓異常升高等風險，并針對風險提出了預控措施，對后續直流工程無功后備控制的設計具有借鑒意義。

關鍵詞：無功后備控制;交流濾波器;過電壓

0??? 引言

傳統直流輸電系統，直流站控系統通過與交流濾波器就地控制單元的現場總線通信進行交流濾波器的投切控制，同時監視投入的交流濾波器組數是否滿足最小濾波器（1A+1B）要求[1]。如果當前投入的交流濾波器組數小于1A+1B的要求，將觸發直流系統換流器快速停運。因此，當雙套直流站控系統故障或直流站控系統連接濾波器就地控制單元的現場總線均故障時，直流站控系統無法獲取投入的濾波器組數，判定此時投入的交流濾波器組數為零，將導致直流系統停運。為避免上述情況的出現，后續新建直流工程配置了無功后備控制功能。本文以某特高壓直流工程為例，對無功后備控制策略展開了研究，然后分析了無功后備功能運行期間的風險，并提出了相應的改進建議。

1??? 無功后備控制功能策略分析

當所有與直流站控系統連接的交流濾波器就地控制接口單元現場總線通信發生故障，或直流站控系統判斷內部程序故障時，無功后備控制功能激活，其中，直流站控系統內部軟件程序故障因素包括初始化過程系統閉鎖、CPU系統故障、參數狀態無效、冗余系統數據更新故障、外部時鐘對時故障等，其激活邏輯如圖1所示。

無功后備功能激活后，極控系統立刻將極的功率傳輸模式強制切換至定電流控制模式。同時，投入的交流濾波器組數通過各交流濾波器間隔單元與極控接口屏間的IRC（Inter-Relay Communication）總線通信，上傳至雙極極控接口屏，雙極極控接口屏再將該信息通過現場總線傳送給各自的極控系統。極1、2極控系統分別根據所投入交流濾波器的數目計算出直流系統可傳輸直流電流限定值，同時極控通過比較確定優先需要切除的濾波器類型，具體關斷順序為：優先從第一大組到第n大組逐個切除C型濾波器（若配置D型濾波器，則優先切除），再比較A、B型的交流濾波器投入數量，先切除投入數量較多類型的交流濾波器，若投入的A、B型的交流濾波器數目相等，則先切除B型，依次類推，直到只剩下最小濾波器組合1A+1B。隨后，特高壓直流系統將極控系統計算出的直流電流維持運行2 h。如果2 h內直流站控系統相關故障排除，系統將恢復正常運行方式;如果故障短時間內無法排除，2 h后極控系統會將直流電流強制設定至直流系統額定電流的10%，并以10%的額定直流電流繼續保持平穩運行[2]。

直流電流的降低，可能會導致交流濾波器投入過剩，而此時由于直流站控系統無功控制功能失效，無法切除過剩的交流濾波器，只能由交流濾波器就地控制單元自行完成交流濾波器切除的任務。過剩的交流濾波器投入會造成交流電壓升高，交流濾波器就地控制單元通過檢測交流濾波器大組母線過電壓水平完成切除交流濾波器的控制，其邏輯如圖2所示。

如果監測到本大組交流濾波器母線任一線電壓高于電壓設定值且接收到極控接口屏下發的切除交流濾波器的命令，則會經過相應延時切除一組交流濾波器，同時啟動切除下一組交流濾波器的延時定時器。交流濾波器母線過電壓切除交流濾波器分為3段，Ⅰ段定值為577 kV，Ⅱ段定值為632 kV，Ⅲ段定值為676 kV，其延時時間不同。若交流濾波器切除一組后，母線電壓能夠回落并低于電壓設定值，將會停止切除交流濾波器，否則繼續切除下一組交流濾波器。

2??? 無功后備控制功能風險分析

2.1??? 風險1：無功后備控制功能未考慮交流濾波器的類型，可能引起系統中諧波增加

為了向直流系統提供無功功率和濾除由于直流換相進入交流系統的諧波，特意在換流站內配置了交流濾波器。考慮到無功補償方案、無功平衡條件、濾除諧波性能要求、損耗費用和換流器的諧波等，換流站內配置了多種型號的濾波器[3]。正常運行時，無功控制會根據直流場配置模式（雙極或單極）和直流電壓（降壓或正常電壓）情況，根據不同電流級別配置所要求不同型號的最少濾波器個數，從而滿足無功功率要求和交流側諧波濾除要求。當濾波器數量減少到低于濾波器諧波額定要求時，無功控制會根據當前交流濾波器配置將直流功率降低到相應的級別。但無功后備控制功能僅通過小組濾波器組數來確定直流功率允許運行值，這樣計算未考慮交流濾波器的類型，違背了換流站中設計交流濾波器的初衷，即交流濾波器的配置不僅為直流系統提供無功功率，還為交流系統濾除諧波。在實際運行中可能導致交流系統中諧波增加，引起交流電壓畸變。

2.2??? 風險2：無功后備控制功能切除濾波器電壓參考值選取單一，冗余度不足

根據章節1的分析，當無功后備控制功能起作用時，主要通過就地控制單元的過壓判斷邏輯來切除交流濾波器。判斷邏輯中的電壓實時值為每一大組交流濾波器母線電壓。但交流濾波器就地控制單元僅通過硬接線實時接收母線電壓，未對本大組交流濾波器母線電壓有效性進行判斷。同時，當極控接口屏發出降電流信號后，若此時本大組交流濾波器母線PT空開跳開或本大組交流濾波器母線電壓傳輸回路出現異常，引起電壓測量偏低，則由于測量電壓低于過壓保護定值，小組交流濾波器就地控制單元將不會下發切除交流濾波器的命令，交流濾波器將保持運行，最終可能導致交流系統電壓異常升高。

2.3??? 風險3：無功后備控制功能濾波器切除電壓定值選取不合理

無功后備控制功能運行2 h后，交流濾波器將通過濾波器就地控制單元過電壓邏輯切除。但當前過壓Ⅰ段的動作閾值設定過高，在交流濾波器被切除后，交流母線電壓降至577 kV后低于過電壓Ⅰ段閾值，下一組濾波器的切除指令被釋放，濾波器切除不到位使得交流母線電壓無法繼續下降，最終系統的交流母線電壓便停留在577 kV。而按照運規交流系統的持續最高電壓是550 kV，所以當前無功后備控制策略動作后交流母線電壓過高，不符合電網安全運行要求。

3??? 無功后備控制功能風險預控措施

無功后備控制功能啟動可以維持直流系統繼續運行，但由于當前無功后備控制功能設計不足，運行過程中可能出現大量諧波、抬升交流母線電壓等隱患，因此，若短時間內無法排除直流站控系統故障，現場應及時處置，避免造成惡劣后果。針對風險1和風險2，當直流無功后備功能啟動時，加強對一、二次設備運行情況的檢查，發現異常及時對異常展開排查，消除隱患;在直流電流降低過程中關注交流濾波器是否正常切除，交流母線電壓是否偏高，若切除異常，通過現場就地方式切除多余的交流濾波器，待直流電流下降至額定電流的10%后，手動停運直流系統。針對風險3，正常運行方式下，電壓允許偏差為系統額定電壓的-5%～+5%，即500～550 kV;發生系統異常或緊急事故后，電壓允許偏差為系統額定電壓的-10%～+5%，即475～550 kV，建議根據當前正常運行和緊急事故要求，開展過壓定值優化。

4??? 結語

無功功率控制功能是高壓直流系統的關鍵環節之一，而該功能主要在直流站控系統實現。當直流站控系統或其相關回路發生故障時，將無法對無功功率進行控制，最終可能導致直流系統發生閉鎖。為了提高系統穩定性，后續新建直流工程增加了無功后備控制邏輯。本文針對某特高壓直流無功后備控制功能開展了研究，分析發現其在運行中可能存在風險，并針對相關風險提出了預控措施，為后續直流工程無功后備功能的設計提供了參考。

[參考文獻]

[1] 宋述波，袁鵬，吳宏波.貴廣直流系統無功功率控制小結[J].繼電器，2007，35（11）：69-71.

[2] 劉茂濤，張志朝，宋述波，等.±800 kV云廣特高壓直流輸電無功后備控制功能改進[J].電力系統自動化，2011，35（19）：93-96.

[3] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

收稿日期：2021-07-29

作者簡介：李金安（1982—），男，廣東廣州人，工程師，主要從事高壓直流技術運行維護工作。