高压直流输电系统低功率运行的无功控制策略王祥东

高压直流输电系统低功率运行的无功控制策略王祥东

王祥东

(广东电网有限责任公司惠州供电局广东惠州516001)

摘要：本文主要对直流换流站的低功率无功控制策略进行研究，并且提出了一种以直流电压为控制量，以交直流系统无功交换量为反馈量的“开环＋闭环”换流站无功精确控制方法，该方法优先适用于直流低功率工况，也可用于其他直流功率水平。该无功控制方法充分利用直流系统的无功调节能力，对直流换流站无功功率进行精确控制，能有效减少交流系统电压波动。

关键词：高压直流输电；低功率；换流站无功平衡；无功控制策略；

1高压直流输电换流器无功特性分析

对于换流站无功交换情况具体如图1所示。Ｑｓ代表为换流站与交流系统间交换的无功功率；Ｑｆ主要意识是当前状态下的已经投入到无功补偿设备中所需要提供的一种无功容量；Ｑｄ则主要代表的是换流器所消耗的具体无功功率。

图1换流站无功功率交换示意图

根据图1我们可以看出，换流站与交流系统间交换的无功功率为：Ｑｓ＝Ｑｆ－Ｑｄ

其中Ｑｓ为表示交流系统吸收的无功功率数值，相反情况下则表示交流系统发出的无功功率。对于进行换流站的无功控制主要就是将Ｑｓ控制在我们规定的范围内。其中换流站的无功设备的投切是对Ｑｆ进行主要的控制，当Ｑｄ增大到能够使整个交流系统发出无功功率已经能够超过供给能力时，那么我们就需要投入另外一组无功设备以便能够增大Ｑｆ。

换流站中的晶闸管的主要工作特性是决定晶闸管无论处于整流还是逆变的情况下，都能够从交流系统中吸收容性无功功率。其中主要消耗的无功功率Ｑｄ可以通过下面的公式进行计算：

其中式中的Ｐｄ代表了直流输送的功率；Ｕｄ０ｉ则为理想状态下的空载直流电压；Ｕｄｉ则是代表了直流电压；ｉ则分别代表了整流站和逆变站。其中，我们对于单极采用一个１２V脉动换流器时，直流电压的理想空载直流电压表达方式主要体现为：

通过上式可以看出，通过调整α，γ和ｐｉ可以改变换流阀消耗的无功功率Ｑｄ。其中，α和γ的调节速度快并且是连续调节性的，而ｐｉ的调节速度慢主要为阶跃式调节，因此我们对于前者的调节为主调节，后者则为辅助调节。

2换流站无功补偿设备多模式协调控制策略

2.1多模式协调控制方案

2.1.1稳态控制模式

当母线电压ＵＰＣＣ∈［０．９，１．１］时，无功补偿设备工作在稳态控制模式。根据控制模式选择模块接收到的ｆＦｌａｇ值，无功补偿设备自动选择稳态调压控制模式、恒无功控制模式和ＡＶＣ模式。在稳态控制模式下，为保证ＳＴＡＴＣＯＭ在电网故障期间能够向交流系统提供足够的动态无功功率，提高交流系统的暂态电压稳定性和暂态故障恢复能力，ＳＴＡＴＣＯＭ需保持一定的动态无功储备。综合考虑换流站近区交流系统和站内无功补偿设备的容量配置情况，ＳＴＡＴＣＯＭ设定无功输出为单台电容器组最大容量的一半，即无功输出上限ＱＳＴＡｍａｘ＝０．５Ｑｃｍａｘ，无功输出下限ＱＳＴＡｍｉｎ＝－０．５Ｑｃｍａｘ。换流站无功补偿设备多模式控制方案。

2.1.2稳态调压控制模式

实时检测换流母线电压ＵＰＣＣ，当ＵＰＣＣ∈［０．９，１．１］，且模式控制指令ｆＦｌａｇ＝０时，则无功补偿装置进入稳态调压模式。具体控制策略如下。

步骤１：当换流母线电压小于换流站目标控制电压，即ＵＰＣＣ＜ＵＰＣＣ＿ａｉｍ时，首先判断ＳＴＡＴＣＯＭ是否具备足够可用无功容量将换流母线电压抬升１％，即式中：ＱＳＴＡ为当前时刻ＳＴＡＴＣＯＭ的无功输出；Ｑｍ＝０．０１ｋ，其中ｋ为ＳＴＡＴＣＯＭ无功功率—电压控制系数。ｋ值可用下述方法获得：在稳态控制模式下，小范围改变ＳＴＡＴＣＯＭ注入换流母线的无功功率，实时采集无功增量ΔＱＳＴＡｉ与电压增量ΔＵＰＣＣｉ，则ｋ值可以通过式近似计算。

式中：ｍ为采集样本数量。若不等式（１０）成立，则优先通过ＳＴＡＴＣＯＭ控制换流母线电压，电容器组不动作。无功补偿设备指令设定为式经过预设等待时间，进入步骤３。

式中：ＵＳＴＡ＿ｒｅｆ为ＳＴＡＴＣＯＭ的电压参考量。若不等式（１０）不成立，则判断ＵＰＣＣ＜ＵＰＣＣ＿ａｉｍ－ΔＵ是否成立，其中ΔＵ＝Ｑｃｍａｘ／ｋ。若成立，则进入步骤２；若不满足，则进入步骤３。

步骤２：判断换流站无功电容器组工作状态，若还有未投的无功电容器组，即Ｎｃｒｅｍａｉｎ≥１，则投入一组。同时，为保证无功电容器组投入后换流母线稳态电压幅值变化不超过１％，故无功补偿控制指令设置为式

经过预设的等待时间，进入步骤４。

若换流站无可用无功电容器组，则无功电容器组不进行投／切动作，ＳＴＡＴＣＯＭ将保持在ＱＳＴＡｍａｘ的无功输出限值，形成对换流母线电压的有限程度调节，故ＳＴＡＴＣＯＭ和无功电容器组的控制指令设置为式。经过预设等待时间，进入步骤５。

步骤３：判断抬升换流母线电压到目标值所需的无功功率Ｑｌａｃｋ是否小于ＳＴＡＴＣＯＭ可用无功容量，即ＱＳＴＡｍａｘ－ＱＳＴＡ＜Ｑｌａｃｋ式中：Ｑｌａｃｋ＝（ＵＰＣＣ＿ａｉｍ－ＵＰ

ＣＣ）ｋ若成立，则转入步骤２；反之，无功电容器小组不进行投／切动作。由ＳＴＡＴＣＯＭ控制换流母线电压到目标值，相应的ＳＴＡＴＣＯＭ和无功电容器组的控制指令设置。经过预设的等待时间，进入步骤４。

步骤４：判断换流母线电压ＵＰＣＣ是否等于目标电压ＵＰＣＣ＿ａｉｍ，若ＵＰＣＣ≠ＵＰＣＣ＿ａｉｍ，则转入步骤１；若ＵＰＣＣ＝ＵＰＣＣ＿ａｉｍ，则转入步骤５。

步骤５：结束。换流母线电压高于换流站目标控制电压时的控制策略与换流母线电压低于目标控制电压时类似。

2.2恒无功控制模式

恒无功控制模式是换流站无功补偿设备参与电网无功电压控制的一种方式。当换流母线电压，且无功补偿设备协调控制系统接收恒无功指令，则无功电容器组进入恒无功控制模式。无功电容器组根据恒无功指令信号发出相应的无功功率。

2.3暂态控制模式

暂态控制模式主要工作于换流母线电压出现大幅跌落的工况。如果任意相电压快速跌落满足ｄＵｉＮ／ｄｔ＞Ｋｔｈ（其中ＵｉＮ为ｉ相电压有效值，ｉ取Ａ，Ｂ，Ｃ；Ｋｔｈ为门槛值），则进入暂态控制模式。在暂态控制模式下，实现最大无功出力，以提高系统的暂态电压稳定性和暂态故障恢复能力。

2.4闭锁模式

实时检测换流母线三相电压，如果ＵｉＮ跌落到０．３（标幺值）以下，可认为换流站发生近端短路故障，无功补偿设备进入闭锁模式。闭锁模式下无功输出指令为０，为防止投切无功电容器组引起短路电流大幅振荡，无功电容器组不允许动作。

3高压直流输电换流站无功精确控制策略

换流站当前运行状态下已投入无功补偿设备的无功容量Ｑｆ已知，通过调节换流器消耗的无功功率Ｑｄ可使换流站与交流系统的无功交换量Ｑｓ保持在期望值Ｑｓ＿ｒｅｆ附近。令Ｑｓ＿ｒｅｆ＝０，则对于整流站有：

Ｑｄ１＝Ｑｆ１

整流站直流参考电压Ｕｄ１＿ｒｅｆ为：

式中：Ｐｄ＿ｒｅｆ为直流功率指令。整流侧直流参考电流Ｉｄ１＿ｒｅｆ、逆变侧直流参考电压Ｕｄ２＿ｒｅｆ分别为：

式中：ｎ为直流输电系统的运行级数；Ｒｄ为直流回路电阻。

整流侧定电流控制、逆变侧定电压控制是直流输电系统的一种常规控制方式。由推导过程可知，上述公式确定的整流侧直流电流、逆变侧直流电压参考值是在不改变直流输送有功的条件下得出的，因此按照换流器无功控制方法不会对有功输送造成影响。但此无功控制方法对于控制目标Ｑｓ＿ｒｅｆ而言只是开环控制，控制结果与期望值可能有一定的差距。为使控制目标进一步接近期望值，本文提出在上述开环控制的基础上，将换流站与交流系统的无功交换量Ｑｓ反馈到无功优化控制输入端，与其期望值进行比较，其偏差经过比例—积分（ＰＩ）调节器和限幅环节（±０．１（标幺值））后再对直流电压参考值进行修正。整流侧无功功率优化控制框图如图３所示。控制目标Ｑｓ＿ｒｅｆ可以根据系统的运行情况，由运行人员进行设置。此处取Ｑｓ＿ｒｅｆ＝０。

结论

对于直流换流站的研究发现，当输送的有功功率需要进行消耗大量的无功功率时，就会导致交流电压受到影响产生严重的波动，从而影响到整个电网的运行质量。因此，经过研究发现，当交流滤波器设备受到了谐波性能的限制时，我们必须投入一定组数的交流滤波器才能够保证高压直流输电系统运行的稳定性。

参考文献：

［1］史秋娟．特高压直流输电无功补偿及其控制策略的研究［Ｄ］．北

京：华北电力大学，２００８．

［2］刘明波，程劲辉，程莹．交直流并联电力系统动态电压稳定性分

析［Ｊ］．电力系统自动化，１９９９，２３（１６）：２７－３０．

［3］汪娟娟，张尧，夏成军，等．交直流电力系统暂态电压稳定性综述