普侨 特高压低负荷无功优化调节特性 研究

袁也 ，郑星星，胡果莉

南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州 510000

摘要：本文首先简要介绍了特高压直流输电系统的低负荷无功优化功能（LLRPO）的原理和作用，然后讨论了两种LLRPO功能控制策略，即通过控制交直流系统的无功交换量和控制直流电压来实现，在此基础上分析了普侨直流低负荷无功优化功能释放条件；根据解锁阀组个数选取不同Uref=f（Pdc）计算曲线，最后得出在不同运行工况下LLRPO对换流变分接开关和交流滤波器控制策略的影响。

关键词：LLRPO；无功优化；分接开关；1A+1B；交流滤波器；

1 低负荷无功优化功能简介

换流器解锁后，受谐波限制要求及交流滤波器设备性能限制，必须投入一定组数的交流滤波器（通常为1A+1B）。而换流器在运行过程中消耗的无功是一定的，低负荷时无功需求量较低，造成滤波器提供的大量剩余无功注入交流系统，容易造成过电压等问题。高压直流系统在运行过程中，换流器和换流变压器均为无功负荷，可以考虑通过改变两者的无功消耗来改善交流系统的无功分布。

换流器无功计算公式：

（1）

式（1）中P_DC， 分别为直流系统输电功率，换流器功率因数角。

功率因数角计算公式：

（2）

式（2）中γ，μ为熄弧角和换相角。

换流变压器无功消耗计算公式：

△Q= （3）

式（3）中I₀、S_N、P_N、P、Q、U、X_N分别为变压器空载励磁电流、额定容量、空载损耗、变压器传输有功无功功率、运行电压以及变压器感抗。

由（1）（2）式可见，在直流输送功率一定的情况下，增大熄弧角将增加换流器的无功消耗；对于确定的换流变，无功消耗分为铁损部分和铜损部分，铁损无功： 值是确定的，铜损无功： 与变压器的运行工况和参数有关，传输功率越大，运行电压越低以及变压器本身感抗越大其消耗的无功越大，通过调整换流变分接开关可以调整换流变运行电压和感抗。研究表明增大熄弧角可使换流器无功消耗成倍增加，调节换流变分接开关可作为辅助调节手段。

直流系统在低负荷的运行工况下，通过增加换流器的无功消耗和变压器的无功消耗来改善无功分布的方法就是LLRPO功能。

换流器无功计算公式：

（1）

式（1）中P_DC， 分别为直流系统输电功率，换流器功率因数角。

功率因数角计算公式：

（2）

式（2）中γ，μ为熄弧角和换相角。

换流变压器无功消耗计算公式：

△Q= （3）

式（3）中I₀、S_N、P_N、P、Q、U、X_N分别为变压器空载励磁电流、额定容量、空载损耗、变压器传输有功无功功率、运行电压以及变压器感抗。

由（1）（2）式可见，在直流输送功率一定的情况下，增大熄弧角将增加换流器的无功消耗；对于确定的换流变，无功消耗分为铁损部分和铜损部分，铁损无功： 值是确定的，铜损无功： 与变压器的运行工况和参数有关，传输功率越大，运行电压越低以及变压器本身感抗越大其消耗的无功越大，通过调整换流变分接开关可以调整换流变运行电压和感抗。研究表明增大熄弧角可使换流器无功消耗成倍增加，调节换流变分接开关可作为辅助调节手段。

直流系统在低负荷的运行工况下，通过增加换流器的无功消耗来改善无功分布的方法就是LLRPO功能。

2 两种LLRPO功能控制策略

低负荷无功优化功能提供了两种控制策略来计算直流电压参考值。第一种为通过控制交直流系统的无功交换量来实现，如图1所示，采用比例积分（PI）调节器，根据交流系统无功的剩余情况，动态地计算出为满足无功控制需求所需增加的∆α或者∆γ来实施控制。

图1 控制无功交换型示意图

该方法直接以直流系统与交流系统的无功交换量Qexp作为调节的目标，即通过计算实际无功交换值与无功控制目标值之间的差值，计算合适的触发角α（熄弧角γ）。目前天广直流系统采用的即为此种方法。只有在换流器解锁后，交直流系统进行无功交换时才起作用。

第二种为通过控制直流电压来实现，根据预先设定的Uref=f（Pdc）曲线计算直流电压参考值，如图2所示。

图2控制直流电压型示意图

直流站控通过预先设定的Uref=f（Pdc）控制曲线计算出参考电压值并与运行人员设定的最低允许运行电压值相比取较大值，通过现场控制总线MFI将该值传输给极控，电压计算模块根据当前直流场接线方式选择相应的极控制参考电压。在金属回线方式下，以直流线路对地电压为参考电压，在其它运行方式下将以直流线路对中性母线电压为参考电压。正常情况下，在阀组转至闭锁状态时即可起调节作用，按可解锁阀组数目和最小功率解锁条件计算无功优化参考电压。普侨直流、楚穗直流以及贵广I、II回等高压直流输电系统均采用此控制策略。

3 低负荷无功优化功能释放条件

低负荷无功优化功能需要站间配合同时投入或退出，两站必须同时满足释放条件，低负荷无功优化功才可用。根据西门子TDC软件，当以下条件均满足时极控释放本站低负荷无功优化功能。逻辑图如下：

图3低负荷无功优化功能释放条件

根据逻辑图，低负荷无功优化释放分为三级：组控层释放、极控层释放并最终在直流站控层使能。组控层判断该阀组充电，换流变分接开关条件满足。极控层判断普侨直流系统满足释放条件以及执行使能/退出命令。站控级且站间通信正常情况下只能由逆变站进行投入/退出，系统级主控站可进行投入/退出操作。使能状态由RS触发器进行保持，直至任一退出条件触发或者收到退出命令才会退出。根据TDC软件逻辑，此处分接开关在定角度（Angle）控制模式指的是运行人员预先设定的控制模式，阀组在闭锁状态时为保证阀侧电压在最适合解锁电压，分接开关控制模式虽会被强制选择定电压（Udio）控制模式，但不改变低负荷无功优化功能使能状态。

4 控制特性

普侨直流低负荷无功优化功能有三种状态：退出、使能和激活。在退出状态下LLRPO功能不起作用，计算模块输出2倍额定值参考电压。使能状态下就可根据解锁阀组个数选取不同的Uref=f（Pdc）计算曲线，并输出低负荷无功优化电压参考值至极控，计算曲线如图4所示。

图4不同情况下Uref=f（Pdc）计算曲线

计算曲线表明功率值为0的情况在计算范围内，所以阀组在闭锁状态时，低负荷无功优化亦输出参考电压，通常此时换流变分接开关控制模式强制选择为Udio控制模式，直流参考电压选低负荷无功曲线计算所得电压，该电压值不大于额定电压。所以在低负荷无功优化功能使能的条件下，阀组在闭锁状态时会保持换流变分接开关档位在较高档位，以减小在低负荷状态下解锁时无功冲击。三阀组，四阀组解锁状态下电压输出最低参考电压值为额定值，即低负荷无功优化功能不起作用。双阀组运行时功率值小于0.08pu（400MW）时，单阀组运行时功率值小于0.075pu（375MW）时低负荷无功优化功能起调节作用。低负荷无功优化参考电压Uref通过现场控制总线MFI送至极控制系统，作为极控系统计算极运行电压的一个参考量。最终的直流参考电压，根据直流接线方式判断是否叠加直流线路损失电压得到最终低负荷无功优化控制参考电压。当低负荷无功优化控制参考电压比系统降压运行值或者额定值相比最小时输出低负荷无功优化激活信号，并将此参考值作为直流电压控制目标参考值。极控系统确定了直流电压控制目标值后，将此直流电压控制目标值送至组控系统，由组控系统来进行后续的直流电压调整。

4.1对换流变分接开关控制影响

一般情况下逆变站换流变分接开关的控制模式为定角度控制模式，目标控制熄弧角在17.5~21.5°之间。当熄弧角大于上限值时发升档命令，低于下限值时发降档命令。低负荷无功优化起作用时系统将降压运行，增大触发角（即熄弧角增大）在换流变分接开关可调范围内优先通过调整换流变分接开关来改善无功分布，换流变分接开关调至最高档位，电压未达目标值时系统将进一步增加触发角直至直流电压达参考值。

1）双（单）阀组在闭锁状态

若四阀组均未在解锁状态，直流站控根据可解锁的阀组个数来选择相应的电压控制曲线，并按功率值为0情况计算参考电压。根据控制系统控制要求，阀组在闭锁状态时换流变分接开关控制模式强制选择为Uido控制模式，如果此时低负荷无功优化作用使直流系统降压运行，就要求换流变分接开关就会保持较高档位，这就是实际运行时低负荷无功优化功能使能，阀组转闭锁状态后分接开关保持在较高档位的原因。

2）一阀组解锁一阀组闭锁状态

若同一极内一阀组组解锁另一阀组闭锁状态，解锁阀组在低负荷工况下运行时，直流站控选择单阀组解锁电压控制曲线，并根据实际功率计算参考电压。根据分接开关跟随控制特性，闭锁阀组换流变档位将跟随解锁阀组换流变档位变化，差值保持在1档之内。

4.2对交流滤波器控制策略的影响

普侨直流系统提供了9张为满足不同运行工况下的滤波器谐波性能配置表。极电压大于0.82pu时，直流站控判为该极为100%全压运行; 当极电压大于0.72pu且小于 0.82pu时，判为80%降压运行; 当极电压小于0.72pu时判为70%降压运行，分别选择对应的谐波性能配置表来投切滤波器。一般情况下，低负荷无功优化起作用时均在降压运行方式下，低负荷无功优化对交流滤波器投退的影响即体现在不同无功控制策略表的选择。结合普侨直流低负荷无功控制曲线Uref=f（Pdc）可知在双阀组及以上阀组数解锁时低负荷无功优化可能输出最低参考电压为0.875pu，按100%全压运行谐波性能配置表来投切滤波器，即该工况下低负荷无功优化功能激活后将按100%全压运行谐波性能配置表来投切滤波器；双极单阀组解锁后按50%降压运行配置表来选择。

参考文献：

[1]Software of DC Station Control of XJ/GGII,10XJ01.S5D,20XJ01.S5D[Z].

[2]中国南方电网超高压输电公司. ±800kV普侨特高压直流输电系统侨乡换流站运行规程（第四版）[M]. 广州: 超高压输电公司广州局, 2018

[3]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004
[4]张啸虎，曹国云，陈陈. 高压直流系统低功率运行时的无功控制策略[J].电网技术

[5]肖鸣，傅闯. 云广±800kV直流低负荷无功优化功能运行分析[J].南方电网技术.

作者简介:袁也(1988—)，工程硕士，研究方向为特高压运行维护技术及特高压控制保护软件逻辑;

郑星星(1990—)，工学学士，研究方向为特高压直流控制保护逻辑及柔性直流输电技术；

胡果莉(1988—)，工程硕士，研究方向为电气工程及其自动化，高压试验技术。