劉 嬌，劉斯佳，秦 斌，周 斌

（上海市電力公司 檢修公司直流運(yùn)檢中心，上海 201708）

0 引言

最近十多年，我國的直流輸電技術(shù)得到了快速發(fā)展，直流輸電工程逐漸增多，為我國西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)等工程起著關(guān)鍵作用。三滬兩回±500kV直流輸電工程（林楓直流雙極系統(tǒng)）歷時(shí)1年，經(jīng)過土建、安裝、驗(yàn)收和調(diào)試，雙極于2011年3月28日正式投入運(yùn)行。

地處上海青浦的楓涇換流站，通常作為林楓直流輸電系統(tǒng)的逆變站，無功控制（RPC）系統(tǒng)的主要任務(wù)，是完成楓涇換流站交直流系統(tǒng)的無功交換、計(jì)算和控制，是整個(gè)直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)重要模塊。在保證直流正常運(yùn)行、濾除諧波和保持母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)無功就地基本平衡，并且通過調(diào)整換流站的無功補(bǔ)償設(shè)備的投入容量或改變換流器吸收的無功功率，將換流站與交流系統(tǒng)交換的無功功率控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，或?qū)Q流站交流母線電壓控制在規(guī)定的范圍內(nèi)［1］。

1 無功控制對(duì)換流器的作用

直流換流器（或稱換流閥）在進(jìn)行換流時(shí)需要消耗大量的無功功率。假設(shè)換流站單（雙）極功率為Pd，功率因數(shù)角為φ，理想空載電壓為Ud0，極對(duì)地直流電壓為Ud，則消耗無功功率Qc＝Pdtgφ［2］。又因功率因數(shù)λ＝cosφ＝Ud／Ud0，所以換流站消耗無功功率可表述為Qc＝Pdtgφ＝Pd也就是說，在功率因數(shù)λ一定的條件下，輸送有功功率越高，所需的無功功率也相應(yīng)增加。

楓涇換流站作為逆變站，在額定工況下運(yùn)行時(shí)，其功率因數(shù)λ為0.85～0.90，因而逆變器在換流時(shí)需要消耗的無功功率約占直流輸送功率的40%～60%。也就是說，換流站需要投入大量的無功補(bǔ)償容量。但是當(dāng)逆變站低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，換流器消耗的無功功率迅速減小，如果補(bǔ)償?shù)臒o功功率不變，則過剩的無功功率將會(huì)注入所連的交流系統(tǒng)，引起換流站交流母線電壓升高。為了保證換流器的安全運(yùn)行，換流站均需裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置，保證換流器所需無功、限制無功過?；驘o功不足，無功控制系統(tǒng)必須對(duì)投入的無功功率補(bǔ)償容量實(shí)施控制。

2 楓涇站無功功率控制策略

2.1 無功功率控制的功能

無功功率控制功能方框圖如圖1所示。濾波器的投切數(shù)量按優(yōu)先級(jí)決定，其中優(yōu)先級(jí)1為最高級(jí)別。

圖1 無功控制功能概況圖

2.2 投切濾波器的優(yōu)先級(jí)別

1）優(yōu)先級(jí)1 絕對(duì)最小濾波器容量限制（指令為Abs Min Filter）。為了防止部分交流濾波器組因故被切除后造成運(yùn)行中的其他交流濾波器諧波過負(fù)荷所需投入的最少濾波器組。任何情況下，該條件必須滿足。

如果該條件不能滿足，為了防止交流濾波器組損壞，直流系統(tǒng)將降低輸送功率［3］，以滿足絕對(duì)最小濾波器組條件。如果降到最后一級(jí)功率還是無法滿足絕對(duì)最小濾波器組要求，無功控制將在預(yù)先設(shè)定的時(shí)延后停運(yùn)直流系統(tǒng)。

優(yōu)先級(jí)1為最高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)與優(yōu)先級(jí)1功能的限制條件沖突時(shí)，禁止其它功能在交流濾波器組過負(fù)荷時(shí)切除交流濾波器組。即使在手動(dòng)控制模式，絕對(duì)最小濾波器控制也起作用，自動(dòng)投入相應(yīng)的交流濾波器組。它在極起動(dòng)時(shí)投入第一組交流濾波器。

絕對(duì)最小濾波器容量限制保證了在一定功率水平時(shí)投入合適的濾波器組數(shù)，使設(shè)備的額定值得到滿足。絕對(duì)最小濾波器容量限制組數(shù)的功率等級(jí)載入RPC程序中，各種濾波器組合對(duì)應(yīng)固定的功率限制。在各種運(yùn)行方式下，各種功率等級(jí)下的絕對(duì)最小濾波器容量限制組數(shù)也不一樣。其設(shè)定值需要事先通過系統(tǒng)研究得到，最終以各濾波器組對(duì)應(yīng)的最大功率值形式存入無功控制程序中的相關(guān)表格。

楓涇站按絕對(duì)最小濾波器容量限制投入濾波器組數(shù)見表1。

表1 按絕對(duì)最小濾波器容量限制投入濾波器組數(shù)

2）優(yōu)先級(jí)2 最高／最低電壓限制（指令為Umax）。這種控制方式用于監(jiān)視和限制穩(wěn)態(tài)交流母線電壓在一定范圍內(nèi)。通過Umax指令投／切濾波器組，維持穩(wěn)態(tài)交流電壓在過電壓保護(hù)動(dòng)作的水平下，避免保護(hù)頻繁動(dòng)作。只有在Umax的允許下，Ucontrol／Qcontrol發(fā)出的投入／切除濾波器組的指令才有效。

3）優(yōu)先級(jí)3 最大無功交換限制（指令為Qmax）。Qmax功能通過檢測當(dāng)前運(yùn)行工況，如輸送功率等，限制投入運(yùn)行濾波器組／并聯(lián)電容器組數(shù)，使得換流站流向交流系統(tǒng)的無功量不超過最高限幅值，限制穩(wěn)態(tài)過電壓。只有在Qmax允許的情況下，Ucontrol／Qcontrol發(fā)出的投入濾波器組的指令才有效。

4）優(yōu)先級(jí)4 最小濾波器容量要求（指令為Min Filter）。根據(jù)直流功率、站模式（整流／逆變）、解鎖極個(gè)數(shù)、直流電壓（全壓／降壓）的運(yùn)行情況，確定滿足諧波濾波要求所需投入的最少交流濾波器組個(gè)數(shù)及其類型。當(dāng)諧波濾波要求不能滿足時(shí)，可利用該控制模塊發(fā)出投入交流濾波器組指令，直到濾波要求滿足；當(dāng)該模塊的要求最終不能滿足時(shí)，則向運(yùn)行操作人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

該模塊不能直接發(fā)出切除交流濾波器組指令，只能保證其他具有較低優(yōu)先權(quán)的控制模塊可以發(fā)出切除交流濾波器組指令。指令Min filter根據(jù)本工程輸送的功率以及運(yùn)行模式，確定為了滿足規(guī)范書要求的諧波濾波性能所需投入的濾波器組的最小數(shù)量和類型。

在直流功率上升和下降的過程中，投入和切除濾波器組遵循一定的順序。楓涇站按Min Filer投入濾波器組數(shù)如表2所示。

表2 按Min Filer投入濾波器組數(shù)

5）優(yōu)先級(jí)5 無功交換控制／電壓控制（指令為Qcontrol／Ucontrol）。運(yùn)行人員可選擇運(yùn)行于Qcontrol或Ucontrol模式，兩者不能同時(shí)有效。在林楓直流系統(tǒng)中，將始終選擇Qcontrol，并在正常運(yùn)行時(shí)，該條件必須滿足。

Qcontrol模式用于控制換流站與交流網(wǎng)的無功交換量設(shè)定參考值。假設(shè)交直流兩側(cè)的交換無功量：ΔQ＝Qfilter－Qc；濾波器產(chǎn)生的無功功率：Qfilter＝ ∑（uac／UacN）2Qfilter，N。

當(dāng)ΔQ＞Qref＋Qdband時(shí)，切除交流濾波器／并聯(lián)電容器組；反之則投入交流濾波器／并聯(lián)電容器組［4］。

式中：ΔQ為系統(tǒng)交換無功量；Qc為換流站消耗的無功功率；Qfilter為濾波器產(chǎn)生的無功功率；uac為交流場母線電壓；Uac為交流場母線電壓標(biāo)幺值；N為無功補(bǔ)償設(shè)備組數(shù)；Qref為設(shè)定的參考值；Qdband為設(shè)定的動(dòng)作死區(qū)值。

ΔQ與Qref相比較，得出的差值如果超出Qdband，則相應(yīng)地投入或切除濾波器。當(dāng)實(shí)際輸出到交流網(wǎng)絡(luò)中的無功大于Qref，而且這兩個(gè)值的差值超過了設(shè)定的死區(qū)值，經(jīng)過5s延時(shí)后會(huì)發(fā)出切除1組濾波器的指令。

交換功率應(yīng)該盡量接近預(yù)設(shè)的目標(biāo)值，在目標(biāo)值附近設(shè)置了一個(gè)合適的死區(qū)值，為了防止交流濾波器組的頻繁投／切，采用滯回特性，設(shè)置的滯回窗口的上下限幅值（即死區(qū)值）大于最大容量的1組濾波器的一半容量，即Qdband＞Qfiltermax／2。楓涇換流站與交流系統(tǒng)無功交換量的死區(qū)值為131MVar。

2.3 無功控制輔助功能

為了獲得更好的控制效果，無功控制提供兩項(xiàng)輔助功能。

1）QPC 通過增大點(diǎn)火角／熄弧角來增大換流站對(duì)無功的消耗，避免換流站與交流系統(tǒng)的無功交換量ΔQ超過限制值。QPC采用PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生角度的增大值，送至閥組控制和換流變抽頭控制。極控系統(tǒng)大角度監(jiān)視功能監(jiān)視熄弧角的增大對(duì)主回路設(shè)備產(chǎn)生的應(yīng)力。QPC功能作為Q control的輔助功能，只在逆變側(cè)有效。

2）Gamma kick 在投切濾波器的瞬間，暫時(shí)增大或者降低點(diǎn)火角／熄弧角的參考值，直流站控提前發(fā)送1個(gè)投切信號(hào)至極控，極控根據(jù)當(dāng)前指令作相應(yīng)處理，增大／減少換流站對(duì)無功功率的消耗量，并由此限制動(dòng)態(tài)交流電壓變化率。

2.4 無功控制運(yùn)行方式

2.4.1 ON模式

當(dāng)無功控制選擇ON模式時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入手動(dòng)模式。此時(shí)，運(yùn)行人員可選擇自動(dòng)模式。

1）手動(dòng)模式 僅高優(yōu)先級(jí)（包括Abs Min filter、Umax、Qmax）的交流濾波器投／切，才由無功控制自動(dòng)完成。最小濾波器控制（Min filter）和無功交換控制（Qcontrol）的交流濾波器組投／切操作由運(yùn)行人員手動(dòng)完成。當(dāng)需要投入交流濾波器組以滿足Min filter時(shí)，或者需要切除的交流濾波器滿足Qcontrol時(shí)，無功控制發(fā)送信號(hào)至SCADA系統(tǒng)，通知運(yùn)行操作人員投／切交流濾波器組，并且顯示被投／切的交流濾波器組［5］。

為了便于維護(hù)，可以選擇單獨(dú)的交流濾波器組使之不受無功自動(dòng)控制的控制，僅由手動(dòng)投切操作。

2）自動(dòng)模式 所有需要的濾波器投／切都由無功控制自動(dòng)完成。運(yùn)行人員僅需設(shè)定相關(guān)的參考值。

2.4.2 OFF模式

當(dāng)無功控制選擇OFF模式時(shí)，無功控制不會(huì)進(jìn)行任何投／切濾波器的操作，也不會(huì)對(duì)運(yùn)行人員給出任何提示，但運(yùn)行人員可以進(jìn)行手動(dòng)投／切操作。

3 無功補(bǔ)償設(shè)備的投切策略

根據(jù)直流系統(tǒng)運(yùn)行條件，為了確保在正常電壓下交流濾波器和并聯(lián)電容器所提供的總無功，換流站無功補(bǔ)償總?cè)萘繎?yīng)滿足：

式中：Qac為交流場提供的無功；Qdc為換流站消耗的最大無功量；Qsb為正常電壓下由最大的交流濾波器分組或并聯(lián)電容器分組所提供的無功，一般取單個(gè)濾波器的額定無功容量Qfilter。

根據(jù)系統(tǒng)研究報(bào)告可知，換流站在全壓、80%降壓、70%降壓方式，直流觸發(fā)角在全壓時(shí)約為17°，在80%降壓時(shí)約為15°，而在70%降壓方式時(shí)急劇增加到30°左右，從而可知換流站無功消耗從大到小，分別為70%降壓，全壓、80%降壓，即在70%降壓方式為所需無功小組最多的方式。

在實(shí)際工程中，一般在降壓方式不考慮1組備用濾波器。除此之外，需要考慮換流站投切濾波器小組容量而引起電壓波動(dòng)問題：

式中：ΔQbank為無功大組容量；Sd為換流站交流母線的短路容量。

當(dāng)發(fā)生特殊故障時(shí)，需要考慮切除1個(gè)濾波器大組所引起的電壓波動(dòng)問題，應(yīng)根據(jù)上述提供的限制條件，選擇合適的濾波器小組容量和濾波器大組容量，再經(jīng)過系統(tǒng)模型的諧波計(jì)算和諧波性能仿真，得到雙調(diào)諧、三調(diào)諧、單調(diào)諧濾波器個(gè)數(shù)，從而組成換流站交流場濾波器的配置。

楓涇換流站容性無功功率補(bǔ)償裝置按兩類9個(gè)小組考慮：1～5組為HP 12／24交流濾波器（A型）；6～9組為不帶電抗器（SC）的電容器組（B型）。每組提供的額定容量為202Mvar，共計(jì)1 818Mvar，分3大組。分組容量對(duì)應(yīng)電壓為515kV，分別接于HGIS場地第1、2、3串。交流濾波器組的投切順序按先A型交流濾波器后B型交流濾波器的順序進(jìn)行投切。

4 無功控制系統(tǒng)運(yùn)行異常分析

4.1 運(yùn)行初期出現(xiàn)交流電壓過高

楓涇站運(yùn)行初期曾經(jīng)出現(xiàn)過交流電壓過高現(xiàn)象，若切除1組濾波器，會(huì)引起交流電壓過低，影響交流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)無功控制功能優(yōu)先級(jí)2（Umax）的功能邏輯，如果穩(wěn)態(tài)交流電壓在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)超過最大限幅U＿M(jìn)AX＿LIMIT，無功控制通過該模塊按次序切除濾波器組，防止電壓繼續(xù)升高，直至滿足絕對(duì)最小濾波器要求。如果再切除1組濾波器，將引起電壓低于限制切除濾波器組的最低限幅U＿M(jìn)IN＿LIM＿ENBL，那么Umax功能將禁止切除濾波器組的操作。

同理，如果電壓在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)低于最低限幅U＿M(jìn)IN＿LIMIT，無功控制通過該模塊也按次序投入濾波器組，防止電壓繼續(xù)降低。如果再投入1組濾波器，將引起電壓超過限制投入濾波器組的最大限幅 U＿M(jìn)AX＿LIM＿ENBL，那么Umax功能將禁止投入濾波器組的操作。這種控制方式，保證了將交流母線電壓控制在一定范圍以內(nèi)。

為此，在軟件中設(shè)定了每1種運(yùn)行條件下只有1種確定的絕對(duì)最小濾波器組合，限制直流系統(tǒng)輸送最大功率；重新審核并修改了Umax定值，保證在電壓高時(shí)能夠自動(dòng)切除交流濾波器；電壓低時(shí)自動(dòng)投入交流濾波器，對(duì)交流系統(tǒng)電壓起到限制作用。

4.2 低壓側(cè)避雷器泄漏電流偏高

楓涇站交流濾波器普遍存在低壓側(cè)避雷器A3泄漏電流偏高的問題。例如：2011年6月27日，當(dāng)楓涇站雙極輸送功率為900MW時(shí)，系統(tǒng)無功自動(dòng)投入2組交流濾波器，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)交流濾波器低壓側(cè)避雷器A3（圖2右下方黑圈所示）泄露電流高達(dá)9mA。

圖2 HP12／24交流濾波器接線圖

避雷器A3各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)正常，滿量程為10mA，廠家規(guī)定正常運(yùn)行時(shí)此泄漏電流小于5mA。經(jīng)多次檢測，當(dāng)系統(tǒng)送功率處在即將增加1組濾波器尚未投入時(shí)，該泄露電流均處于接近滿量程10mA狀態(tài)。

經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)換流站內(nèi)所有交流濾波器組均存在避雷器泄漏電流超標(biāo)問題。問題是在這種異常情況下，交流濾波器其他部分則運(yùn)行正常，此組濾波器紅外測溫也正常，無明顯發(fā)熱點(diǎn)，保護(hù)裝置與故障錄波無異常，保護(hù)裝置采樣值準(zhǔn)確。這是由于交流濾波器中流過大量的諧波分量，使交流濾波器組中元件由于諧波的附加損耗而過熱［6］，而諧波電流的存在，導(dǎo)致低壓側(cè)電感元件兩端電壓較高，達(dá)到避雷器動(dòng)作門檻電壓值，使避雷器出現(xiàn)泄漏電流大幅增加，但是流過電抗器的電流值與電抗器保護(hù)跳閘定值還有一段的距離，此現(xiàn)象為交流濾波器中電抗器輕度諧波過負(fù)荷現(xiàn)象。

為了防止泄漏電流偏大損壞避雷器，目前楓涇換流站將無功功率控制方式改為手動(dòng)方式，對(duì)交流濾波器投切策略進(jìn)行了優(yōu)化。通過適當(dāng)提前投入1組HP 12／24型交流濾波器組，減小A3避雷器泄露電流，使泄露電流降至5mA以內(nèi)。

在單極大地回線全壓運(yùn)行、直流功率達(dá)到850MW時(shí)，投入第三組濾波器；直流功率達(dá)到1 250MW時(shí)，投入第四組濾波器。雙極全壓運(yùn)行時(shí)，直流功率達(dá)到1GW時(shí)，投入第三組濾波器；直流功率達(dá)到1.4GW時(shí)，投入第四組濾波器。這一運(yùn)行方式在一定程度上降低了電抗器的電流，使得電抗器運(yùn)行時(shí)的實(shí)際電流偏小。

4.3 電容器故障率偏高

楓涇換流站自投運(yùn)以來，多次發(fā)現(xiàn)電容器滲漏油、電容器接線端子松動(dòng)或者接觸不良，這些隱患會(huì)引起設(shè)備發(fā)熱，導(dǎo)致不平衡電流增大、電容器定值超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生直流降功率或直流停運(yùn)事件。而在這些事故中，電容器故障率是最高的。2次停電檢修期間，共換下交流濾波器中的電容器40余瓶，由于備品數(shù)量不足，給更換工作帶來一定的困難。

造成電容器漏油的主要原因?yàn)椋?］：一是隨著電壓的升高，電容器的實(shí)際容量和發(fā)熱量與電壓的平方或比例迅速增大，從而使電容器內(nèi)部介質(zhì)的最熱點(diǎn)溫度升高，加速發(fā)生電氣老化；二是溫度過低使電容器電介質(zhì)游離，甚至凝固，造成電壓下降。如果此時(shí)投入運(yùn)行，電容器會(huì)因中心溫度升高快、體積膨脹而開裂；三是高次諧波疊加在基波上，使電容器電壓、電流有效值增大，導(dǎo)致發(fā)熱，電容器發(fā)生局部放電而損壞。

因此，在電容器運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意允許在額定電壓±5%波動(dòng)范圍內(nèi)長期運(yùn)行，當(dāng)電介質(zhì)由熱到冷急劇變化時(shí)，應(yīng)避免進(jìn)行投切電容器操作。另外，電容器出廠及日常巡視中，應(yīng)仔細(xì)檢查電容器外觀有無破損和滲漏油情況；利用紅外測溫儀及時(shí)消除接線端子接觸不良；在直流大修期間，輪流對(duì)濾波器的電容器拆接頭進(jìn)行檢修；定期補(bǔ)充足夠數(shù)量的電容器備品，從而保證設(shè)備的安全運(yùn)行。當(dāng)電容器泄露不是很嚴(yán)重的話，可以通過焊錫或者聚氨基甲酸乙酯將其修補(bǔ)好。

［1］邱晶晶.換流站無功控制研究及事故實(shí)例分析［J］.湖北電力，2008，32（6）：19－20.

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［4］潘麗珠.高壓直流輸電對(duì)交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定影響的研究［D］.華北電力大學(xué)，2006.

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［7］張全元.變電運(yùn)行現(xiàn)場技術(shù)問答［M］.北京：中國電力出版社，2009.