南桥换流站无功功率控制功能分析

范业勋

（武汉大学动力与机械学院,湖北 武汉 430000）

一、换流站无功功率控制简介

换流站无功功率控制是直流输电系统中对换流站无功功率进行控制的环节，它通过调整换流站装设的无功补偿设备的投入容量或改变换流器吸收的无功功率，将换流站与交流系统交换的无功功率控制在规定的范围内，或将换流站交流母线电压控制在规定的范围内。前者便于所连的交流系统无功功率的平衡，后者有利于弱受端交流系统的电压稳定性。除了通过投切交流滤波器实现无功功率控制外，还可以通过改变换流器的触发角来改变换流器吸收的无功功率进行无功功率控制。

直流输电系统运行时，无论是整流器还是逆变器都要消耗一定的无功功率，其数值不但与输送直流功率的大小有关，也与运行方式、控制方式有关。通常，在额定负荷时，换流器消耗的无功功率可达到额定输送功率的40%-60%，故换流站需投入大量的无功补偿容量。但在轻负荷运行时，换流器消耗的无功功率迅速减小，如果补偿的无功功率不变，则换流站过剩的无功功率将会注入所连的交流系统，引起换流站交流母线电压升高。因此，必须对投入的无功功率补偿容量进行控制。

换流站的无功功率控制应能控制换流站全部发出无功的设备和吸收无功的设备，如控制交流滤波器、并联电容器和并联电抗器的投切以及控制换流器吸收的无功功率等；换流器吸收的无功功率可以通过改变其触发角来平滑的进行控制。这些控制作用必须相互协调，以便保证在任何给定的直流输送功率下，对于各种直流系统运行方式、投入的无功补偿设备的组合都是最优的。为了方便地进行无功功率控制，通常将交流滤波器和并联电容器分成若干分组，但滤波器分组不能投切过多，否则投运的滤波器将不能满足滤波要求。

由于影响无功及电压的因素复杂，无功功率控制器的所有功能和特性，都应先用数字计算程序进行计算分析，然后在直流模拟程序上予以验证，以保证其性能满足要求。

二、南桥换流站无功功率控制系统介绍

表1

1、南桥换流站交流滤波器组及无功补偿并联电容器组配置如表1：

南桥换流站交流滤波器组除了能吸收该次谐波外，还能提供工频的无功功率，每组可提供无功功率约87Mvar，9组共783Mvar。交流滤波器组按调谐次数分，有11.8次、24次、11.8/24次、24/36次四种类型，11.8次有3组，24次、11.8/24次、24/36次各有2组。

2 南桥换流站与交流系统无功交换量的允许范围

南桥换流站：当功率方向为葛洲坝送南桥时：-70～+70Mvar

当功率方向为南桥送葛洲坝时：-70～+70Mvar

（1）当直流系统运行在最低功率水平时，由于最小滤波器组的要求，换流站与系统的无功交换可能将无法满足以上要求，此时葛洲坝换流站流入系统的无功不得超过120Mvar，南桥换流站流入系统的无功不得超过150Mvar。

（2）当直流系统运行在较高功率水平，除备用无功设备外，换流站其他可用无功设备均已投入时，葛洲坝站从系统流入换流站的无功不得超过320Mvar，南桥换流站从系统流入换流站的无功不得超过120Mvar。超过上述值时则应限制直流输送功率的进一步增大。

（3）在直流负荷从最小值（120MW）变到2小时过负荷（1320MW，反送为1056MW），然后再从2小时过负荷（1320MW，反送为1056MW）变到最小值（120MW）的过程中，任何滤波器组或电容器组最多只能投入和切除一次。

具体投切逻辑见图一：

如图1所示：在Q控制模式下，当Q＞Q_ref+时，系统将会切除一组滤波器，当Q＜Q_ref+时，系统将会投入一组滤波器。目前，南桥换流 站 Q_ref=0，=70Mvar， 即 当 Q＞70Mvar时，会切除一组滤波器，当Q＜-70Mvar时，会投入一组滤波器。

3 南桥换流站交流滤波器的投切程序

在直流功率上升和下降的过程中，投入和切除交流滤波器组将遵循一定的顺序，具体顺序如表2。

F1（DA12/22/32） 高 通 滤 波 器HP11.8，每组87Mvar

F2（DA13/23）双调谐高通滤波器HP24/36，每组87Mvar

F3（DA14/24）双调谐高通滤波器HP11.8/24，每组87Mvar

F4（DA15/25）高通滤波器HP24，每组87Mvar

在不同潮流方向、功率大小、运行方式下，不同的直流运行情况需要的交流滤波器组数有所不同，当该直流运行情况下所需的交流滤波器组数不满足时，无功减载保护将动作，进行功率回降，交流滤波器组数满足系统要求，或极停运。

4 南桥换流站各投切滤波器的优先级

（1）优先级1——AbsMinFiler（绝对最小滤波器组数）：是指根据离线交流滤波器的设计结果，在对应运行方式和输送水平下必须投入的滤波器组数和类型组合，少于这一组数，将使得滤波器运行应力超

图1 系统无功计算逻辑图

表2

过其元件的稳态额定值，并造成滤波器过负荷。正常运行时，该条件必须满足。

（2）优先级2——Umax（最高/最低电压控制）：除了控制换流站与交流系统的不平衡无功外，换流站无功补偿设备还可以用来对换流站交流母线电压进行控制。主要用于监视交流母线的稳态电压，避免稳态过电压引起保护动作。在换流器解锁前或解锁过程中，根据顺序控制要求投入最少滤波器组数。

（3）优先级3——Qmax（最大无功交换控制）：根据当前运行状况，限制投入滤波器组的数量，限制稳态过电压。通过检测运行方式，Qmax功能限制滤波器或电容器组投入的组数。如果系统方式有任何变化，无功功率控制将限制无功连接以防止电压升高。对于南桥站而言，Qlim恒为10000Mvar，这个永远无法达到，即该功能几乎没有限制，所以Qmax只会发增加滤波器的指令，而不会发切除滤波器的指令。

（4）优先级4——MinFilter（最小滤波器组数限制）：是指根据离线交流滤波器的设计结果，在对应运行方式和运行功率水平下所必须投入的滤波器组数及其组合形式，否则将不能保证滤波效果，以达到工程规范中所规定的滤波性能要求。总之，最大无功交换控制是为了满足滤除谐波的要求需投入的最少滤波器组个数及其类型。

（5）优先级5——Qcontrol（无功交换控制）：用于控制换流站与交流系统的无功交换量为设定的参考值。一般情况下，整流站选择控制电压，逆变站选择控制无功。南桥站运行时采用Q控制模式，将与交流系统交换的无功功率控制在参考值，将交流母线电压控制在参考值。在投入时必须满足最大交流电压和最大无功功率对滤波器的要求；在切除时，必须满足绝对最小滤波器、最大交流电压和最小滤波器对滤波器的要求。

以上5项无功控制子功能依次具有以下优先级，其中优先级1为最高优先级，某项子功能发出的投切指令仅在不与更高优先级的限制条件冲突时才有效。

三、南桥换流站无功功率控制系统控制模式

1 ON模式：系统将自动进入手动模式。此时，运行人员可选择自动模式。

2 手动模式：仅高优先级的交流滤波器投/切由无功控制自动完成。Minfilter和Qcontrol的交流滤波器组投切操作由运行人员手动完成。当需要投入交流滤波器组以满足Minfilter时，或需要切除的交流滤波器满足Qcontrol时，无功控制应发送信号至SCADA系统通知运行人员投/切交流滤波器组，并显示将被投/切的滤波器组。在手动控制时，绝对最小滤波器控制、最高/最低电压控制、最大无功交换控制仍起作用，实现交流滤波器的投切。

3 自动模式：所有需要的交流滤波器投/切都应由无功控制自动完成。运行人员仅需设定相关的与交流系统无功交换参考值。

4 OFF模式：无功控制不自动进行任何投/切交流滤波器的操作，也不会对运行人员给出任何提示，但运行人员可进行手动投/切操作。

四、南桥换流站投切交流滤波器的选择

直流极控系统从站控系统获得关于交流滤波器组的状态信号，使得无功控制能够根据当前运行工况以及交流滤波器组的状态确定哪一类型的滤波器以及该类型中哪一组交流滤波器将被投入/切除。同一类型的交流滤波器组按循环方式投入、按先进先出原则切除，保证所有可用的无功设备的投切任务尽可能相等。

五、南桥换流站交流滤波器组的状态

无功控制将从站控系统获得来自交流场的以下相关信息：已经投入的交流滤波器组、被切除的交流滤波器组、可投入的交流滤波器组。

（1）可投入的交流滤波器组的隔离开关和地刀必须在适当的位置，而且闭锁继电器未被置1。如果交流滤波器组被保护跳闸，它的闭锁继电器被置1。只有在闭锁继电器被手动清0后，交流滤波器组才有可能被再次投入。

（2）交流滤波器组被切除，必须在一定的放电时间（7分钟）后才能被再次投入运行。如果在一定的时间（1分钟）内，交流滤波器组未能对指令作出响应，那么认为该交流滤波器组不可用。

（3）当一组交流滤波器从不可用转为可用时，无功控制不应改变已经投入的交流滤波器组，（如果谐波滤波特性未提出要求），但是，在接下来的投切过程中该组交流滤波器将参与投切交流滤波器的选择。

六、南桥换流站交流滤波器防振荡措施

为了防止交流滤波器组/并联电容器组的反复投/切，无功控制具有防振荡功能。可对预定时间（1分钟）内的交流滤波器组/并联电容器组的投/切次数进行计数。如果投/切次数超过了一定值（6次），无功控制将自动转入手动控制模式，防止更多的交流滤波器/并联电容器组的投/切操作。

七、南桥换流站无功功率控制系统运行注意事项

1 交流滤波器组替换的原则为：当一组交流滤波器由保护跳闸后，根据AbsMinFilter或MinFilter的要求，该交流滤波器将由另一组交流滤波器来替代。如果跳闸的交流滤波器组属于AbsMinFilter控制范围内，那么无功控制功能将在1秒钟内投入另一组交流滤波器。如果属于MinFilter控制范围内，那么无功控制功能将在5秒钟内投入另一组交流滤波器。

2 当系统频率低于49.5Hz以下时，应及时向调度汇报，加强对交流滤波器组电流的监视，加强系统运行工况监视，以防失谐。

3 对各交流滤波器组、并联电容器组切除后（即隔离刀闸拉开后），必须超过7分钟以上才能合电容侧接地刀闸，以保证电容有足够的放电时间。

4 交流滤波器组发生故障跳闸后，应及时改为冷备用状态，在改为冷备用前不得将开关解锁，以防止无功控制功能再次误投该组滤波器。

5 交流滤波器组的手动切换，在交流系统电压未达到允许的最高电压时，应按照“先投后切”的原则，投入一组，再切除一组。

6 交流滤波器组在电容器检修或部件更换后，在试运行后，应有检修人员在对应的交流滤波器组保护屏上对初始不平衡电流进行补偿，并做好记录。

[1]张望，郝俊芳，曹森，李延龙，直流输电换流站无功功率控制功能设计，电力系统保护与控制。

[2]张萌永，曹继丰，高压直流输电换流站无功控制系统分析，电力设备。

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[4]朱韬析，王超，直流输电系统无功功率的控制原理及存在的问题分析，系统分析。