永富直流输电三种运行方式下无功控制

王世标　孙巍峰　戴国安　姚　沫

（1. 许继集团直流输电系统公司，河南 许昌 461000；2. 新乡供电公司，河南 新乡 453000）

永富直流输电三种运行方式下无功控制

王世标1孙巍峰1戴国安1姚沫2

（1. 许继集团直流输电系统公司，河南 许昌 461000；2. 新乡供电公司，河南 新乡 453000）

首先介绍了永富高压直流工程富宁换流站3种不同的功率输送方式的交流场配置，其次介绍了3种不同的功率输送方式下，无功控制配置策略、谐波性能控制、低负荷无功优化功能，最后基于RTDS进行仿真，并给出了RTDS仿真的功率曲线。

高压直流输电；三种运行方式；无功控制；交流滤波器；谐波性能

永仁至富宁±500kV直流输变电工程（观音岩直流输电工程）起点位于云南省永仁县永仁换流站，直流落点为云南省文山州富宁换流站。直流输电容量3000MW，直流额定电压等级±500kV，直流额定电流3000A，线路长度约577km。

永富直流为了电能传输的灵活性，富宁换流站交流侧主接线同时适应全送云南、全送广西和分送云南和广西3种运行方式，并能通过开关刀闸的操作进行方式的切换。

这3种功率输送方式的切换运行，以及所匹配的无功控制策略切换都是首次在世界范围内应用，具备了世界领先水平。

下面针对富宁站3种运行方式和无功控制功能进行分析和探讨。

1　三种运行方式

永富工程富宁站有3种运行方式，方式一：功率全送广西；方式二：功率全送云南；方式三：极1送广西，极2送云南。富宁站交流场接线如图1所示。

图1　富宁换流站500kV交流场配置

交流场3种运行方式的判别逻辑如图2所示。

方式一：当直流功率需要全部送广西靖西侧时，500kV交流母线分段断路器1#、2#闭合，3#、4#断开，广西侧出线靖西1、靖西2连接。

图2　交流场三种运行方式的判别逻辑

图3　功率全送广西方式下交流场配置

方式二：当直流功率需要全部送云南砚山侧时，500kV交流母线分段断路器1#、2#、3#、4#闭合，广西侧出线靖西1和靖西2断开。

方式三：当直流要向云南砚山侧、广西靖西侧各送单极直流功率时，即极1送广西，极2送云南，则500kV交流母线分段断路器1#、2#断开，3#、4#闭合，广西侧出线靖西1、靖西2连接。

图4　功率全送云南方式下交流场配置

交流母线配置：通常两个换流器极和所有大组滤波器是电气连接的，也就是说，它们相当于一个电气节点。富宁站的交流母线配置会存在“一极送云南，一极送广西”的特殊方式，此时极1和第一、二大组交流滤波器组成一个电气节点，极2和第三、四大组交流滤波器组成一个电气节点，这两个电气节点相互独立。相应的，基于以上交流母线配置的富宁站无功控制也分为单极分送的控制策略和双极全送的控制策略，用于控制不同运行工况下的母线电压、无功功率、有功功率也从各自的电气节点采集。

图5　功率“极1送广西，极2送云南”方式下交流场配置

无功功率控制主要通过投切滤波器小组来实现。滤波器小组的投切由直流站控来完成。投切的原则如下：

（1）交流母线电压在运行人员设定值范围内。

（2）滤波器小组的组合根据滤波性能决定。

（3）全站总的无功功率在运行人员设定的范围内。

功率全送转分送前，需要由运行人员确认：

（1）富宁站功率控制模式为单极功率控制模式。

（2）双极功率已平衡。

（3）无功控制为手动模式。

（4）手动平衡极1、极2的滤波器小组。

2　无功控制

高压直流输电系统运行时，系统中的整流器和逆变器都要消耗一定的无功功率，并且随着运行方式的不同和直流输送功率的大小而发生变化，换流器运行时产生的各次谐波还会对交流系统造成污染。一般情况下，在系统满载运行时，换流器所消耗的无功功率可达到额定输送功率的40%～60%，但当低负荷运行时，换流器消耗的无功功率又急剧减小。此时，如果补偿的无功功率不变，则换流站过剩的无功功率将注入其所连接的交流系统，引起换流站交流母线电压升高，因此，必须实时有效地投切滤波器，以保障交流母线电压和换流站与系统交换的无功功率在规定的范围。

在富宁站3种不同的运行方式下，可用的交流滤波器小组的数目与类型有所不同，无功控制逻辑考虑不同的运行方式下谐波性能与限电流控制的滤波器配置表的切换选择。计算不同工况下的系统无功，考虑无功裕度，决定无功控制模式下的滤波器投切。在不同的运行方式下，选择相应的滤波器大组母线电压与交流场母线电压经过合适的有效性选择判断后作为无功控制中交流电压的判断基准值。

在运行方式一和运行方式二下，4个交流滤波器大组与两个换流器极仍然可以视作连接在同一个交流网络上，无功控制策略与常规运行方式基本相同。

运行方式三下，由于极1送广西，极2送云南，极1与交流滤波器大组ACF1、ACF2在同一个交流网络，极2与交流滤波器大组ACF3、ACF4在一个交流网络。此时直流站控软件中需要根据实际可用的交流滤波器和并联电容器的类型和数目，分别为极1和极2选择不同运行模式（全压与降压）下的谐波性能和限电流无功配置表；以及根据无功控制的需求和过电压的情况来决定相应的滤波器投切。

2.1观音岩直流工程交流滤波器配置

表1给出了永富直流工程永仁站和富宁站（包含功率全送和功率分送）交流滤波器的配置和容量。

表1　交流滤波器配置

2.2无功控制配置策略

无功控制有两种基本控制模式：Q控制模式和U控制模式，两者只能二选一。在实际工程应用中，一般只选用Q控制模式，控制换流站与交流网的无功交换量在设定的参考值范围内。

换流站与交流系统的无功交换由以下公式计算得到

式中，convQ为阀组消耗的无功；filtQ 为滤波器提供的无功。

如果运行人员调整的设定值高于换流器无功功率值，无功功率范围可能与标称范围不同，在此情况下，任何运行条件下的总无功功率都不能维持在设定范围之内。此时由于谐波性能控制器的“投入”（滤波器）请求具有更高的优先权，使无功功率控制器的“退出”（滤波器）请求被禁止，总的无功功率就会降到Qmin_ref设定值以下。

换流站交流母线电压为设定的参考值时用U控制模式。当Uac＜Umin_ref时，延时发出命令，投入一个滤波器或并联电容器组；当Uac＞Umax_ref时，延时发出命令，切除一个滤波器或并联电容器组。其中Umin_ref为最小参考值，Umax_ref为最大参考值，为了抑制滤波器频繁投切，Umax_ref和Umin_ref的电压差设定为10kV。

过电压控制分为4个级别，并且与手动、自动模式无关。当Uac高于过电压水平，经过短暂延时后切除一个电容器或滤波器，甚至是同时切除一个滤波器大组，电压水平级别越高，延时越短。但是要保证最小滤波器不能被切除，这样有利于功率的恢复提升。

功率全送方式下，Uac的选取：从Uac（ACF4、ACF3、ACF2、ACF1、BB2、BB1）4个交流滤波器大组电压和两个母线电压中选取。

功率分送方式下，极1 Uac的选取：从Uac（ACF2、ACF1、BB1）两个交流滤波器大组电压和一个母线电压中选取；极2 Uac的选取：从Uac（ACF4、ACF3、BB2）两个交流滤波器大组电压和一个母线电压中选取。

图6　电压选取逻辑

2.3谐波性能

根据观音岩工程交流滤波器的研究报告，提供了15种不同运行模式下的谐波性能配置表，见表2。

表2　15种不同运行方式

当直流运行在一定功率时，谐波性能要求按一定的滤波器类型的组合投入相应数量的滤波器，如果此时投入的滤波器由运行人员手动切除或由保护跳闸，而其他处于热备用的滤波器小组又处于不可用（比如正在放电等）状态，直流站控经过一定延时就会将当前的滤波器组合所允许的直流运行功率最大值送给极控系统，将功率限制下来。

表3　双极分送全压下的谐波性能配置表

2.4低负荷无功优化功能

低负荷无功优化功能按极单独配置，功能可投退，默认为退出状态。

在直流低功率范围内，直流电压参考值随直流功率按照一定斜率变化，增加换流器的无功消耗，减少直流系统注入到交流系统的无功，减轻交流系统低负荷水平下的调压难度。低负荷无功优化功能如图7所示。

图7　低负荷无功优化功能

直流电压参考值随直流功率变化曲线如图8所示。

富宁站3种不同的运行方式下运行时，由于3种运行方式下可用的滤波器和无功补偿装置也有所不同，对站控系统的功能配置影响比较大。

图8　低负荷无功优化功能直流电压参考值变化曲线

3　RTDS仿真功率曲线

3.1功率为300MW

图9　全送云南转全送广西

图10　全送云南转分送

图11　全送广西转全送云南

图12　全送广西转分送

图13　分送转全送云南

图14　分送转全送广西

3.2功率为3000MW

图15　全送云南转全送广西

图16　全送云南转分送

图17　全送广西转全送云南

图18　全送广西转分送

图19　分送转全送云南

图20　分送转全送广西

由以上仿真曲线可以看出，在3种运行方式相互转换瞬间有突变，但很快又恢复平稳，良好地实现了功率输送方式的转换。

4　结论

本文对富宁换流站3种运行方式交流场配置和无功控制的原理及方法进行的介绍，并列出了针对不同运行功率3种运行方式转换进行的RTDS系统仿真结果。

［1］ SIEMENS. Software of DC station control of XJ/ GGII［Z］. 2007.

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Reactive Power Control under Three Operation Modes in Yongfu HVDC Project

Wang Shibiao1Sun Weifeng1Dai Guoan1Yao Mo2
（1. HVDC Electric Power Transmission Department of XJ Group， Xuchang， He'nan 461000；2. Xinxiang Power Supply Co.， Xinxiang， He'nan 453000）

First， the AC field configuration of YF HVDC projec funing converter station three different kinds of power transmission mode is introduced.Secondly， several issues which are related to three different kinds of power transmission mode are introduced， including the allocation strategy of reactive power control， harmonic control performance， low load reactive power optimization function. Finally， simulation is carried out based on RTDS，and the power curve of RTDS simulation is given.

HVDC； three operation mode； reactive power control； AC filter；harmonic performance

王世标（1990-），男，硕士，从事高压直流输电控制系统的研究工作。