默拉直流無功功率控制邏輯優化研究

于 鵬，殷丕盛，袁茂凱，羅 鑫，張 楷

（國網山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250118）

0 引言

“默拉直流”輸電工程是繼“銀東直流”之后的世界第二條±660 kV超高壓直流輸電工程。巴基斯坦用電負荷主要集中在中部旁遮普省和伊斯蘭堡地區，約占全國60%［1］。當前突出的電力供應不足問題已嚴重制約了巴基斯坦經濟的持續快速發展。默拉直流輸電工程的投運將有效緩解巴基斯坦電力供應不足的問題。

默拉直流工程在小功率調試期間進行現場模擬極Ⅰ線路故障，極Ⅰ退出直流功率轉代極Ⅱ，極Ⅱ由全壓運行轉至0.7 pu 降壓運行試驗，試驗中發現無功功率控制在達到動作限值時，無法正確投入濾波器。

通過分析無功功率控制邏輯分析，并對邏輯提出合理修改方案，并加以驗證，為今后類似工程的設計或改造提供參考依據。

1 無功控制介紹

默拉直流輸電工程中整流站（默蒂亞里換流站）與逆變站（拉合爾換流站）的無功控制功能均在直流站控系統中完成［2］。即使直流系統停運，無功控制也可以繼續工作。兩站無功控制功能按照優先級先后順序分為：過電壓控制、絕對最小濾波器容量限制（Abs Min Filer）、最高/最低電壓限制（U max）、最大交換無功功率限制（Q max）、最小濾波器容量要求（Min Filter）、交換無功功率控制/電壓控制（Q 控制/U控制）［3］。

1）過電壓控制：快速切除濾波器以降低穩態過電壓。

2）Abs Min Filer：絕對最小濾波器容量限制，為了防止濾波設備過負荷所需投入的絕對最小濾波器組數。過電壓控制未激活的情況下，該條件必須滿足。

3）U max：最高/最低電壓限制，監視交流母線的穩態電壓，避免穩態過電壓引起保護動作。

4）Q max：最大交換無功功率限制，根據當前運行狀況，限制投入濾波器組的數量，限制穩態過電壓。

5）Min Filter：最小濾波器容量要求，為滿足濾除諧波的要求需投入的最小濾波器組。

6）Q 控制/U 控制：交換無功功率控制/電壓控制（可切換），控制換流站和交流系統的交換無功功率為設定的參考值/控制換流站交流母線電壓為設定的參考值。

2 無功功率控制

無功控制根據各子功能的優先級，協調由各子功能發出投/切濾波器的指令。某項子功能發出的投/切指令僅在完成投/切操作時不與更高優先級的限制條件沖突時才有效。所有投/切指令一次僅能操作一個濾波器小組，各子功能若有同向連續操作濾波器的需要，會在相應的間隔時間后再次發出相同指令。Abs Min Filer、U max、Q max 屬于高優先級，在手動模式下也能自動完成投/切濾波器的操作；Min Filter、Q 控制/U 控制屬于低優先級，只能在自動模式下自動投/切濾波器［4］。其中，U 控制和Q 控制不能同時有效，運行人員選擇當前運行在U 控制還是Q 控制［5］，無功功率控制邏輯功能如圖1所示。

圖1 無功功率控制功能

2.1 無功功率控制投切原理

運行人員可選擇運行于Q 控制或U 控制模式。Q 控制模式用于控制換流站與交流網的交換無功功率為設定的參考值［5］。

換流站與交流系統進行無功交換，其計算公式為

式中：Qexc為交換無功功率；Qfilt為換流站內所投入濾波器產生的實際無功功率；Qconv為六脈動整流器所消耗的無功功率［6］。

式中：Uac為交流電網實際電壓；UacN為交流電網額定電壓，巴基斯坦交流電網額定電壓為510 kV；QfiltN為流站內所投入濾波器的額定無功功率。

式中：Id為直流系統線路電流；Udi0為每個六脈動整流器的理想空載直流電壓；γ為換流閥熄弧角，若在整流站中γ應替換為α觸發角［7］；μ為換相角。

如果交換無功功率Qexc超過下列上限制值或下限制值，那么無功功率控制會發出命令，切除或投入一組濾波器或并聯電容器［8］。

式中：Qref為運行人員設置的參考值，拉合爾換流站設置值為0；Qdz為濾波器組投切死區［9］。

為了防止濾波器組的頻繁投切，應采用滯回特性，設置的滯回窗口的上下限幅值大于最大無功設備組的容量的一半［10］。拉合爾換流站交流濾波器場配置4 大組500 kV 交流濾波器，每大組包含2 小組HP12/24 濾波器、2 小組SC 型電容器。其中HP12/24型濾波器，每小組容量為150 Mvar；SC 型電容器，每小組容量為160 Mvar。因此拉合爾換流站將動作死區上限值設置為110 Mvar，下限值設置為-110 Mvar。

2.2 關聯有功變化的無功功率控制

默拉直流輸電工程拉合爾換流站無功Q 控制功請求投入濾波器邏輯如圖2所示。

圖2 無功功率控制功請求投入濾波器邏輯

濾波器投入請求的條件包括：1）為濾波器提供無功與系統消耗無功的差值Qexc小于設定值；2）為無功功率控制投入濾波器時刻的有功功功率與上次投入濾波器時的有功功率變化量應大于60 MW。當兩個條件同時滿足才能發出濾波器投入請求，控制濾波器投入［11］。國內大多直流換流站，如魯固直流的扎魯特換流站、廣固換流站等均配置了此功能，主要是因為國內功率調節時間間隔短，頻次多，防止濾波器頻繁投切而給電網及設備造成損壞。

3 降壓運行及功率轉移

3.1 直流降壓運行

直流輸電系統的各極都能運行在降壓運行方式，以便在直流線路不能經受全壓的情況下，該極還能繼續運行。默拉直流系統降壓運行分為0.8 pu 與0.7 pu 兩種形式。0.8 pu 為額定直流電壓660 kV 的0.8 倍，即528 kV。0.7 pu 為額定直流電壓660 kV 的0.7倍，即462 kV。

直流系統需要進行降壓運行的情況包括兩種：

1）由于線路絕緣問題需要降低直流電壓，在出現惡劣的氣候條件和線路嚴重污穢的情況下，直流輸電線路如果仍然在額定電流下運行，將會產生較高的故障概率［12］，為了提高直流輸電線路的可靠性和利用率，此時可以采用直流降壓運行方式。

2）由于無功功率控制需要降低直流電壓，當直流輸電工程被利用來進行無功功率控制時，需要增大整流站觸發角α來增加換流器消耗的無功功率，此時可以采用直流降壓運行方式使直流電壓相應降低。

當運行人員在運行中啟動或復位直流降壓運行功能時，直流電壓在設定的適合時間內平穩變化到新的整定值。在降低或升高直流電壓的過程中，在任何時刻都可以終止升降過程，達到直流電壓定值就是終止升降時刻的電壓值。在降低或升高直流電壓的過程中，分接頭控制調整換流變分接頭［13］，使換流器分接頭達到與降壓運行相對應的最小值。

3.2 直流降壓與無功關系

直流系統輸送相同功率，當直流系統處于降壓運行模式時，相較于全壓運行模式下會投入更多數量的交流濾波器。直流系統消耗功率與輸送有功功率及直流線路電壓關系為

式中：Pd為直流系統輸送的有功功率；Ud為直流線路電壓。

根據公式（6）可以得出，直流系統消耗的無功功率與直流系統輸送的有功功率成正比關系［14］，與直流線路電壓成反比關系。當直流系統處于降壓運行模式時，直流線路電壓降低，直流系統所消耗的無功功率將增加，因此投入的濾波器組數也比直流系統全壓運行模式時要多。

3.3 功率控制及轉移

雙極功率控制是直流輸電系統的主要控制模式。控制系統使整流站的直流功率等于運行人員整定的功率值。除線路開路試驗方式外，這一控制模式對各種運行接線方式的每個單極都適用。

如果兩個極都處于雙極功率控制，雙極功率控制功能為每個極分配相同的電流參考值，以使接地極的電流最小。如果兩個極的運行電壓相等，則每個極的傳輸功率是相等的。當單極傳輸的功率不超過額定傳輸功率時，如果一極處于降壓運行狀態而另外一極是全壓運行，則兩個極的傳輸功率之比與兩個極的電壓之比一致。

如果由于一極設備因故障退出運行、降壓運行或其他原因使得該極的輸電能力下降，導致實際的直流雙極傳輸功率減少，雙極功率控制增大另一極的電流，自動而快速地把直流傳輸功率恢復到盡可能接近雙極功率控制設定的參考值水平，另一極電流的增加受設備過負荷能力限制。

由于傳輸能力損失引起的在兩個極之間的功率重新分配僅限于雙極功率控制極。如果一個極是獨立運行，另一極是雙極功率控制運行，則雙極功率控制極補償獨立運行極的功率損失。

4 事件分析及影響

默拉直流工程小功率調試期間，雙極大地回線方式運行，功率控制模式為雙極功率控制，功率整定值為800 WM，功率傳輸方向由默蒂亞里至拉合爾。

現場模擬極Ⅰ線路故障，極Ⅰ退出直流功率轉代極Ⅱ，極Ⅱ由全壓運行轉至0.7 pu 降壓運行，發現直流系統交換無功功率長期處于-396 Mvar。依據Q控制條件，直流系統無功功率小于-110 Mvar，會自動投入濾波器，而現場濾波器未自動投入。根據調試工作人員程序在線確認達到無功功率控制投入濾波器時刻的有功功功率（800 MW）與上次投入濾波器時的有功功率（800 MW），變化量為0，小于60 MW，故不滿足有功功率變化，因此無功功率控制請求投入濾波器邏輯不滿足判定條件，不能投入濾波器。

巴基斯坦電網薄弱，以500 kV為主網架結構，與拉合爾換流站相關聯的500 kV 交流線路共有4 條，分別為拉合爾1 線，拉合爾2 線，拉合爾南1 線，拉合爾南爾線。因拉合爾換流站內濾波器無法投入，從交流系統內吸收396 Mvar 無功，造成了交流系統電壓大幅降低，其4 條出線電壓分別從510.44 kV、510.7 4kV、510.71 kV、510.96 kV 跌落至493.32 kV、493.04 kV、492.98 kV、492.77 kV。極大影響了巴基斯坦電網供電質量，給當地電網的承荷能力帶了巨大考驗。

5 改進方案

5.1 邏輯優化

依據巴基斯坦電網現狀及直流功率調節頻次低等特點，對無功功率控制邏輯進行優化，優化后無功功率控制功請求投入濾波器邏輯如圖3所示。

由圖3 可知，優化后的邏輯取消條件2）的判斷并置位為1，從而實現無功Q 控請求投切濾波器的邏輯只與系統交換無功功率Qexc、無功參考值Qref和無功死區值Qdz有關。當交換無功功率達到Q 控限值時，將直接發出濾波器投切請求指令［15］。

圖3 優化后無功功率控制功請求投入濾波器邏輯

同樣考慮到濾波器頻繁投切的情況，在直流系統解鎖后，如果在60 s 內頻繁投入或者者切除濾波器超過3 次［16］，將啟動Hunting 手動控制濾波器投切功能，即將無功控制自動模式轉為手動模式，同時屏蔽無功功率控制功能［17］。

5.2 試驗驗證

5.2.1 邏輯修改前試驗結果

通過實時數據仿真系統（Real Time Digital Simulation System，RTDS）進行仿真，拉合爾換流站模擬極Ⅰ和極Ⅱ雙極功率模式下，雙極全壓800 MW運行，極Ⅱ全壓轉0.7 pu降壓，模擬故障閉鎖極Ⅰ后無功功率控制功能，結果如圖4所示。

圖4 優化前試驗結果

系統交換無功功率為-389 Mvar，此時投入三組HP12/24 型濾波器F1B4、F4B3、F4B4，達到無功功率控制投入濾波器限值，卻無濾波器投入。

5.2.2 邏輯優化后試驗結果

邏輯優化后，拉站模擬極Ⅰ和極2 雙極功率模式下，雙極全壓800 MW 運行，極2 全壓轉0.7 pu 降壓，模擬故障閉鎖極Ⅱ后無功功率控制功能，結果如圖5所示。

圖5 優化后試驗結果

系統交換無功功率為-99 Mvar，此時投入五組HP12/24型濾波器F1B4、F2B3、F2B4、F4B3、F4B4，無功功率控制準確投入濾波器。驗證了當直流系統處于降壓運行模式時，直流線路電壓降低，直流系統所消耗的無功功率將增加的結論。

6 結語

通過分析現場在線程序監測定位了問題原因，提出了無功功率控制請求投切濾波器取消關聯有功變化量邏輯修改方案，并在RTDS仿真系統上復現了現場問題并驗證修改后軟件邏輯的有效性。

2021 年4 月15 日至今，默拉直流小功率試運行期間每日直流功率調整不超過10 次，未發生滿足無功功率控制限值無法投切濾波器現象，也未發生濾波器頻繁投切現象。