辽宁绥中电厂改接高岭背靠背换流站华北侧无功控制策略研究

王亚涛，赵冠华，吴彦维，范延霞，艾红杰，史博伦

(1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

辽宁绥中电厂改接高岭背靠背换流站华北侧无功控制策略研究

王亚涛1，赵冠华1，吴彦维1，范延霞1，艾红杰1，史博伦2

(1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

针对高岭换流站绥中电厂由东北侧交流电网改接到华北侧交流电网的情况，通过无功功率平衡分析和潮流计算，从理论上校核了东北侧的无功配置情况，并发现原交流滤波器设计已无法满足换流站的运行要求。对其新增的两组 SC 电容器共用一个断路器控制的特殊设计，提出了新的无功控制策略。后通过现场试验验证了新的无功控制策略可行有效，新增滤波器能满足高岭换流站大负荷运行的无功消耗。

高压直流输电；无功控制；控制策略；换流站；交流滤波器

0 引言

高岭背靠背换流站已于2008年投产运行。扩建工程于2012年11月投产运行。含东北侧和华北侧两个交流场，设计功率输送方向为东北送华北，换流站额定功率3 000 MW，包括4个750 MW换流单元，为现今世界上输送功率最大的背靠背换流站[1]。

绥中电厂原接入东北侧交流网，为缓解东北电网多电局势，贯彻落实京津冀地区大气污染防治行动计划，现2台1 000 MW机组需改接华北侧交流网，改接后高岭换流站东北侧交流出线共4回，其中2回至绥中电厂，2回至沙河营变。华北侧交流出线5回，其中2回至改接后的绥中电厂，3回至天马变。高岭换流站位于华北电网的东北部，属于华北电网的末端[2]。

改接后换流站两端交流系统条件发生变化，经校核东北侧换流站无功配置及交流滤波器设计已不满足高岭换流站运行要求。为满足高岭背靠背换流站直流满功率运行的要求，在换流站东北侧新增2组126 Mvar的并联电容器。两组电容器并联后采用同一台断路器接入第一大组，因其两组电容器采用同一台断路器控制其投入和切除的设计特殊性，国内换流站无该型滤波器的应用先例，故对原有的无功控制策略提出新的要求。

1 换流站无功平衡研究

本次绥中电厂改接引起高岭换流站两侧接入系统条件变化，对换流站无功平衡影响较大，需重新校核目前的无功配置。在高岭换流站成套设计中，东北侧无功平衡按交流系统具有500 Mvar无功提供能力进行换流站无功平衡。华北侧按照交流系统不具有无功提供能力进行华北侧无功平衡。在绥中电厂改接后，需要重新校核两侧交流系统无功平衡方案。并根据潮流分析的结果，提出改接工程的新增无功方案。

1.1 无功功率平衡

换流站与交流系统的无功功率平衡的定义可用式(1)所示。

为了获得与交流系统无功功率交换/平衡的极值，应该采用滤波器/并联电容器产生的无功功率的极限值和换流器消耗的无功功率的极限值的组合，如式(2)。

1.2 换流器无功功率消耗计算

整流器(6 脉换流器)所消耗的无功功率可以根据式(3)计算(对于逆变器，应把触发角a换为熄弧角

在常规运行方式下，当单个单元背靠背系统输送额定功率(750 MW)时，考虑各种偏差后，在下列参数条件下输送额定功率时，东北侧换流器(12脉换流器)消耗无功功率最大

则有：

双单元运行时，东北侧换流器消耗的无功功率为876 Mvar。加上扩建的两个单元，东北侧换流器消耗的总的无功功率为1 752 Mvar。

在常规运行方式下，当单个单元背靠背系统输送额定功率(750 MW)时，考虑各种偏差后，在下列参数条件下输送额定功率时，华北侧换流器(12脉换流器)消耗无功功率最大：

双单元运行时，华北侧换流器消耗的无功功率为 874 Mvar。加上扩建的两个单元，华北侧换流器消耗的总的无功功率为 1 728 Mvar。

直流运行功率2 800 MW时东北侧和华北侧无功消耗计算结果如表1和表2所示。

表1 直流功率2 800 MW时正常无功消耗Table 1 Normal reactive power consumption when DC power is 2 800 MW

表2 直流功率2 800 MW 时最大无功消耗Table 2 Maximum reactive power consumption when DC power is 2 800 MW

1.3 潮流计算

方式1：绥中电厂开2台800 MW机组，高岭直流功率3 000 MW。

方式2：绥中电厂开1 台800 MW机组，高岭直流功率2 800 MW。

如果绥中800 MW机组功率因数按0.95 考虑，换流站投入13组交流滤波器(共1 638 Mvar)，并投入沙河营变1组60 Mvar 低容后，换流母线电压522 kV。

若高沙1回线路退出，则换流母线电压下降较多，仅为491 kV。此时可增加绥中电厂无功出力(功率因数0.92)，高岭母线电压可提高到527 kV。或在高沙1 回线检修时，适当限制高岭直流输送功率，以提高高岭换流站母线电压水平。

东北侧方式2 潮流计算表明，在绥中电厂开1台800 MW 机组时，换流站东北侧共投入13 组滤波器，总补偿容量达到1 638 Mvar。绥中电厂功率因数按0.92考虑，则1台800 MW机组向换流站提供约250 Mvar无功。高岭换流站母线电压518 kV。该方式下，高沙线路重载，每回500 kV线路潮流约1 030 MW。此时换流站交流滤波器全部投入，高岭换流站母线电压偏低。如果发生高沙1回线退出，则高岭换流站母线电压下降较多，已低于换流站母线电压变化范围。建议在高沙1 回线检修时，限制高岭直流输送功率。

综上，绥中2 台1 000 MW机组改接华北侧后，高岭换流站东北侧与交流系统功率交换增加，高岭换流站母线电压较低，如果考虑绥中电厂改接后高岭换流站东北侧仅增加1 组126 Mvar并联电容器，绥中电厂剩余2 台800 MW机组可增加无功出力提供部分换流站所需无功(功率因数0.92)。如果发电机功率因数为0.95，则正常接线时换流站母线电压偏低，来自绥中电厂的容性无功提供减少。在高沙1 回线检修时，换流站需要限制输送功率。为满足高岭直流满功率运行的要求，需在高岭换流站东北侧新增2 组126 Mvar的并联电容器。因东北侧交流滤波器场空间限制，两组电容器并联后采用同一台断路器接入第一大组，如图1所示。

图1 新增 Z14 小组滤波器结构图Fig. 1 New increase filter structure diagram

2 换流站无功控制策略及新增并联SC电容器控制方法

绥中电厂改接华北后，高岭背靠背直流工程的无功控制配置下列功能(不同功能具有不同的优先级，按优先级由高到底共 5 个级别)。

考虑避免无功小组频繁投切的需要，无功投切死区定为102 Mvar。因此有(死区取整后)：

图2 无功控制功能概况图Fig. 2 Function of reactive power control

东北侧新增滤波器小组为2×126 Mvar，两个并联电容器分支采用一个开关接入大组中。因此在无功控制中作为一个元件。该小组在滤波器投切顺序中最后一组投入、最先退出。由于小组容量远大于其他小组，在该小组投入/退出时的无功死区调整为200 Mvar，其他小组仍为102 Mvar 不变。

东北侧交流滤波器扩建前配置三种类型 Type A、B、C ，考虑到新增小组的特殊性，设计考虑增加类型 D，方便实现最后投入，最先退出的要求，具体如表3所示。

表3 东北侧交流滤波器配置Table 3 Filter configuration of northeast side AC

设计考虑无功死区整定值在无功选择逻辑选择类型 D 时，实时修改死区整定值为 200 Mvar，同时上报事件提醒运行人员死区改变。只有选择逻辑退出选D时，才会返回原死区值。

2015 年 9 月 20 日到 21 日，在高岭换流站对东北侧新增加双SC滤波器做了如下系统试验。

1) SC 电容器和并联双 SC 电容器透切对交流电压的影响。

在选相合闸装置工作正常时，在四个换流单元全部闭锁和全部解锁(直流输送功率为 1 000 MW，四单元协调均为功率模式)两种情况下，手动透切新增的并联双SC电容器和常规的SC滤波器查看对交流电压的影响。

表4 滤波器头投切对交流电压的影响比较Table 4 Effect of AC voltage when the filter is input

图3 东北侧新增双 SC 滤波器前后滤波器投切顺序Fig. 3 Order of filters input and back

2) 直流功率从最低升至额定功率 3 000 MW，和直流功率从额定功率降至最低功率，并联双 SC电容器透切顺序的正确性。 对于华北侧，投切死区值设为

因此有(死区取整后)：

图4 和图5 中 FLTDBW#11 表示并联 SC 电容器状态。通过上两图波形分析，新增滤波器满足最后投入最先切除的透切策略。

图4 东北侧滤波器投入顺序Fig. 4 Input sequence of northeast AC side filters

图5 东北侧滤波器切除顺序Fig. 5 Removal sequence of northeast AC side filters

为了避免频繁的投切操作，系统还提供了一个限制频繁投切的功能，它是自动投切滤波器/并联电容器组控制的一部分。滤波器/并联电容器组的“投－切”或“切－投”操作之间直流功率变化的滞后量应高于 50 MW。

绥中电厂改接华北后，高岭背靠背直流工程东北侧和华北侧均采用策略，无功控制参考值均采用 0 Mvar。

(3) 交流母线电压限制

交流母线电压限制的最大限制如表5所示。

表5 交流母线电压限制的最大限制值Table 5 Maximum limiting value of AC bus voltage

(4) 最小滤波器和绝对最小滤波器控制

根据交流滤波器设计确定的满足滤波性能和滤波器定值要求的最小滤波器要求，无功控制系统投入相应类型的交流滤波器组。

(5) 各种控制策略的应用原则

整流侧与逆变侧的换流站根据既定的无功控制策略，结合系统提供/吸收的无功能力，按无功交换限制以及滤波性能要求控制交流滤波器、并联电容器以及低压电抗器等无功补偿装置的投切操作，并结合电力系统运行方式条件增加SSR(频率次同步振荡)等附加功能对无功控制进行合理优化。

3 总结

本文对辽宁绥中电厂改接到高岭背靠背换流站华北侧后的无功控制的原理进行了详细的介绍，对换流站的无功控制平衡进行了计算和分析，对东北侧新加的两组 SC 并联电容器共用一个断路器的的独特设计提出了控制策略，并通过现场试验验证了控制方案的可行性，为高岭背靠背换流站大负荷运行提供了安全保障，为以后该特殊类型的滤波器的在其他换流站的使用提供了应用经验。

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(编辑 姜新丽)

Strategy of reactive power control after Liaoning Suizhong power plant is connected to the north side AC of Gaoling back to back converter station

WANG Yatao1, ZHAO Guanhua1, WU Yanwei1, FAN Yanxia1, AI Hongjie1, SHI Bolun2
(1. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. Department of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

On the condition that Suizhong power plant is connected to the North China side AC network from the Northeast side AC network in Gaoling converter station, theoretically, the northeast side of reactive power disposition and AC filter design are checked by reactive power balance analysis and flow calculation, which has been unable to meet the requirement of the operation of the converter station. This paper proposes a new reactive control strategy for the special design of the new two SC capacitors controlled by one circuit breaker. Subsequently, the feasibility of the new reactive power control strategy is verified by field test. The new filter can meet the needs of large load operation Gaoling converter station.

HVDC; RPC; control strategy; converter station; AC filter

10.7667/PSPC151745

：2016-01-25

王亚涛(1981-)，男，硕士研究生，工程师，从事高压直流输电直流控制系统研究。E-mail: wangyatao2002@163.com