梁天明，賴(lài)皓

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405)

0 引言

交流濾波器是高壓直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分。通過(guò)在換流站配置一定數(shù)目的交流濾波器，消除換流器產(chǎn)生的交流側(cè)特征諧波，防止其進(jìn)入交流系統(tǒng)。同時(shí)產(chǎn)生一定的無(wú)功功率輸出到交流系統(tǒng)，補(bǔ)償換流器工作過(guò)程中消耗的無(wú)功功率。直流站控系統(tǒng)根據(jù)換流站與交流系統(tǒng)的無(wú)功功率交換情況進(jìn)行交流濾波器的自動(dòng)投退［1］。換流站小組交流濾波器數(shù)目較多，測(cè)量回路連接端子眾多。長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)個(gè)別端子松動(dòng)的情況在所難免。測(cè)量回路故障造成測(cè)量電壓缺相或偏低使得無(wú)功功率計(jì)算失誤。直流站控系統(tǒng)自動(dòng)投入多余交流濾波器，導(dǎo)致無(wú)功功率大量過(guò)剩。由于系統(tǒng)缺乏相應(yīng)的自主檢測(cè)及報(bào)警功能，故障長(zhǎng)期潛伏，影響交流系統(tǒng)無(wú)功平衡及電壓穩(wěn)定。

1 換流站交流濾波器配置及投退原則

換流站核心設(shè)備-換流閥在工作過(guò)程中會(huì)消耗大流量無(wú)功功率，所以換流站應(yīng)具備一定的無(wú)功補(bǔ)償能力。在不同的直流負(fù)荷方式下，換流站應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償換流閥從交流系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率，以維持交流系統(tǒng)無(wú)功平衡及電壓穩(wěn)定。所以直流工程換流站內(nèi)都配備一定數(shù)量的交流濾波器。在濾除換流閥產(chǎn)生的諧波的同時(shí)，向交流系統(tǒng)輸出補(bǔ)償無(wú)功功率［2］。以±500 kV興安直流輸電工程為例，興安直流輸送容量3 000 MW。寶安換流站側(cè)共配置3大組交流濾波器共計(jì)12個(gè)小組，其中6組為A型雙調(diào)諧交流濾波器，濾除11/13次諧波，輸出額定無(wú)功功率175 Mvar，另外6組為C型并聯(lián)電容器，輸出額定無(wú)功功率175 Mvar。同類(lèi)型交流濾波器設(shè)備型號(hào)及參數(shù)完全相同，如圖1所示。

圖1 交流濾波器配置圖

換流閥消耗的無(wú)功與直流系統(tǒng)的運(yùn)行方式和傳輸?shù)墓β仕较嚓P(guān)。當(dāng)直流功率不斷提升時(shí)，換流閥需要消耗的無(wú)功會(huì)不斷增加，需要投入的濾波器，反之則退出一定數(shù)目交流濾波器［3］，使無(wú)功功率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。該過(guò)程由直流站控系統(tǒng)根據(jù)換流站與交流系統(tǒng)的無(wú)功功率交換情況進(jìn)行濾波器的投退。目前交流濾波器自動(dòng)投退采用定無(wú)功功率控制。當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功功率滿足Qsys-＞QSet-max時(shí)，延時(shí)5 s投入一組交流濾波器;當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功功率滿足Qsys＜QSet-min時(shí)，延時(shí)10 s退出一組交流濾波器。Qsys為與交流系統(tǒng)交換的無(wú)功功率，其控制范圍及定值［4］如表1所示。

表1 交換無(wú)功功率控制范圍及定值

2 無(wú)功功率的測(cè)量與計(jì)算

小組濾波器的無(wú)功功率計(jì)算由就地控制單元6MD66來(lái)完成。每一小組交流濾波器無(wú)功功率計(jì)算所需電壓量取自大組母線PT實(shí)測(cè)值，電流量取自各小組交流濾波器CT實(shí)測(cè)值［5］35。如圖2所示。

圖2 無(wú)功功率測(cè)量環(huán)節(jié)

3 無(wú)功功率計(jì)算失誤案例

換流站小組交流濾波器數(shù)目較多，測(cè)量回路連接端子眾多，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)個(gè)別端子松動(dòng)。目前換流站多次出現(xiàn)交流濾波器電壓測(cè)量回路端子松動(dòng)的情況，導(dǎo)致無(wú)功功率計(jì)算失誤。

故障1:端子松動(dòng)導(dǎo)致交流濾波器功率計(jì)算缺相，交流濾波器自動(dòng)投入過(guò)量。

2013年10月10日，直流功率為2 900 MW，運(yùn)行監(jiān)視工作站顯示編號(hào)為582、583和584的三組交流濾波器無(wú)功功率為113 MVar(交流濾波器小組額定無(wú)功功率為175 MVar)，與正常值偏差過(guò)大;其他運(yùn)行的交流濾波器無(wú)功功率顯示正常。此時(shí)交流濾波器共投入了11小組(6A+5C)，查閱直流負(fù)荷-無(wú)功需求對(duì)照表［5］64如表2 所示。

由表2 可以看出直流功率在 2 900 MW(0.9 p.u ～1.0 p.u)時(shí)，9組交流濾波器便可滿足無(wú)功需求，而實(shí)際卻投入了11組，顯然實(shí)際投入運(yùn)行的交流濾波器數(shù)目比當(dāng)時(shí)直流功率應(yīng)匹配數(shù)目偏多?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)編號(hào)為582、583和584三組交流濾波器6MD66裝置C相電壓測(cè)量值為零。對(duì)電壓測(cè)量回路進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)第三大組交流濾波器就地控制接口屏內(nèi)個(gè)別測(cè)量端子松動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行緊固后異?，F(xiàn)象消失。三組異常交流濾波器無(wú)功功率恢復(fù)至正常值，直流站控自動(dòng)退出過(guò)多投入的兩組交流濾波器。在此過(guò)程中，電壓測(cè)量回路故障，導(dǎo)致交流濾波器無(wú)功功率計(jì)算值比實(shí)際值偏低，致使直流站控系統(tǒng)判斷失誤，錯(cuò)誤地向交流系統(tǒng)多投入交流濾波器，最終導(dǎo)致無(wú)功功率大量過(guò)剩，嚴(yán)重影響了周邊變電站交流電壓穩(wěn)定性。

故障2:測(cè)量端子松動(dòng)，接觸電阻分壓導(dǎo)致無(wú)功功率計(jì)算偏差。

2014年12月4日，500 kV交流母線電壓為527 kV時(shí)，工作站上顯示編號(hào)為572、573的兩組交流濾波器無(wú)功功率值為160 Mvar，對(duì)比其余同類(lèi)型型小組濾波器的無(wú)功功率值為171 Mvar?，F(xiàn)場(chǎng)檢查兩組交流濾波器6MD66裝置上顯示U12和U23為505 kV，較交流母線電壓明顯偏低。U31為527 kV，與交流母線電壓相同。20分鐘后，編號(hào)為572、573兩組交流濾波器無(wú)功功率值顯示為正常值。對(duì)測(cè)量回路進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)無(wú)功功率測(cè)量電壓回路兩個(gè)端子明顯松動(dòng)，初步懷疑無(wú)功功率值偏小為松動(dòng)端子產(chǎn)生了接觸電阻分壓所致。由于該測(cè)量回路尚未完全斷開(kāi)，故該故障過(guò)程中測(cè)量所得無(wú)功功率值較正常無(wú)功功率值偏差較小，沒(méi)有出現(xiàn)交流濾波器過(guò)量投入的情況。

兩次典型的交流濾波器無(wú)功功率計(jì)算失誤故障均無(wú)任何信號(hào)或報(bào)警。由于交流濾波器投退有直流站控自動(dòng)控制完成，無(wú)任何人為干預(yù)，一旦出現(xiàn)無(wú)功功率計(jì)算失誤的故障，很難被監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)，容易造成故障長(zhǎng)期潛伏，向系統(tǒng)長(zhǎng)期輸入大量過(guò)剩無(wú)功功率，威脅交流系統(tǒng)無(wú)功平衡及電壓穩(wěn)定。

表2 直流負(fù)荷-無(wú)功需求對(duì)照表

4 交流濾波器無(wú)功功率監(jiān)視電路設(shè)計(jì)

在目前的交流濾波器控制策略中，缺少對(duì)交流濾波器無(wú)功有效性的主動(dòng)監(jiān)視與告警功能是造成故障不易被發(fā)現(xiàn)而長(zhǎng)期潛伏的重要原因。為了解決上述問(wèn)題，有必要設(shè)計(jì)一種交流濾波器無(wú)功功率監(jiān)視電路，實(shí)現(xiàn)交流濾波器無(wú)功有效性的檢測(cè)及報(bào)警，以4組同類(lèi)型交流濾波器為例，設(shè)計(jì)電路邏輯框圖如圖3所示。

圖3 交流濾波器無(wú)功監(jiān)視邏輯框圖

該交流濾波器無(wú)功功率監(jiān)視電路包括i個(gè)相同的交流濾波器電流互感器以及與之對(duì)應(yīng)數(shù)量的母線電壓互感器和測(cè)控裝置，i≥3，每個(gè)交流濾波器電流互感器與其對(duì)應(yīng)的母線電壓互感器的輸出端分別連接至對(duì)應(yīng)的測(cè)控裝置的輸入端。交流濾波器無(wú)功功率監(jiān)視電路的信號(hào)處理部分包括i個(gè)減法器、i個(gè)絕對(duì)值運(yùn)放電路、i個(gè)窗口比較器以及1個(gè)或門(mén)。減法器、絕對(duì)值運(yùn)放電路和窗口比較器一一對(duì)應(yīng)，對(duì)于i∈ 1，N[ ]-1中的任意數(shù)值，均滿足:第i個(gè)測(cè)控裝置和第i+1個(gè)測(cè)控裝置的輸出端分別連接至第i個(gè)減法器的兩個(gè)輸入端，同時(shí)，第N個(gè)測(cè)控裝置和第1個(gè)測(cè)控裝置的輸出端分別連接至第N個(gè)減法器的兩個(gè)輸入端，每個(gè)減法器的輸出端分別通過(guò)其對(duì)應(yīng)的絕對(duì)值運(yùn)放電路連接至該減法器對(duì)應(yīng)的窗口比較器的其中一輸入端，每個(gè)窗口比較器的另外二個(gè)輸入端分別連接至下限參考電壓源和上限參考電壓源，每個(gè)窗口比較器的輸出端均連接至或門(mén)的輸入端。

由于同類(lèi)型交流濾波器一次設(shè)備、電壓互感器、電流互感器均采用相同的型號(hào)和技術(shù)參數(shù)，所以各小組交流濾波器電壓和電流實(shí)測(cè)值一致，正常情況下計(jì)算所得各交流濾波器向系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率一致，不因器件差異而出現(xiàn)測(cè)量誤差。

如果僅考慮交流濾波器全部投入時(shí)，只需將上述多個(gè)絕對(duì)值運(yùn)放電路的輸出信號(hào)給到普通比較器的輸入端，當(dāng)差值大于下限值A(chǔ)即可。但是在實(shí)際操作中，很可能一些交流濾波器并未投入，此時(shí)，將其與其他投入的交流濾波器的無(wú)功功率進(jìn)行比較，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的值，如果還采用普通比較器則會(huì)引起誤操作，所以還需對(duì)差值的最大值進(jìn)行限制，所以引入上限值B，構(gòu)成窗口比較器。對(duì)于每一個(gè)窗口比較器而言，當(dāng)其第一輸入端的輸入信號(hào)的大小在其第二輸入端和第三輸入端的輸入信號(hào)的大小之間時(shí)，該窗口比較器則輸出高電平。

設(shè)定下限參考電壓源的電壓值為A，上限參考電壓源的電壓值為B，某個(gè)窗口比較器的第一輸入端的輸入電壓可能存在以下三種情況:

(1)小于A:正常情況，由于電壓微小波動(dòng)，導(dǎo)致功率計(jì)算值正常波動(dòng)，但由于各組交流濾波器型號(hào)和額定功率一致，所以這種波動(dòng)很微小，此時(shí)該窗口比較器輸出低電平，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，A值可取5。

(2)大于B:正常情況，相互比較的兩組交流濾波器一組投入(輸出額定無(wú)功功率)，另一組沒(méi)有投入(輸出為0)，兩組無(wú)功功率差值達(dá)到最大極限值，此時(shí)該窗口比較器輸出低電平，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，B值可暫取150。

(3)大于A小于B:異常情況，個(gè)別端子松動(dòng)，產(chǎn)生接觸電阻分壓，造成電壓實(shí)測(cè)值偏低?；蚨俗又苯訑嚅_(kāi)，直接缺相計(jì)算無(wú)功功率;兩種情況都會(huì)造成該組無(wú)功功率計(jì)算偏低，通過(guò)與周邊正常交流濾波器無(wú)功功率進(jìn)行比較，差值在A和B范圍內(nèi)，此時(shí)該窗口比較器輸出高電平。

5 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證交流濾波器無(wú)功功率監(jiān)視電路邏輯框圖的正確性，進(jìn)行了MATLAB仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)采用4組同型號(hào)交流濾波器(可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展)。其中3組處于投入狀態(tài)，且額定無(wú)功功率值為175 Mvar。另外1組退出，輸出無(wú)功功率為0。當(dāng)其中一組出現(xiàn)端子松動(dòng)，導(dǎo)致6MD66計(jì)算所得無(wú)功功率值為160 Mvar時(shí)，構(gòu)建仿真模型如圖4所示。

圖4 仿真模型及結(jié)果

輸入功率值175、175、160和0四個(gè)值可代表交流濾波器所有運(yùn)行工況，可以看出，電路輸出為1，將此高電平信號(hào)接入換流站報(bào)警系統(tǒng)，產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)故障情況的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和報(bào)警，以提醒監(jiān)視人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處置，消除無(wú)功功率過(guò)剩對(duì)電網(wǎng)的持續(xù)影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

換流器屬于大型無(wú)功負(fù)荷，換流站是無(wú)功功率就地平衡的重要節(jié)點(diǎn)［6］。無(wú)功功率過(guò)剩或不足都將對(duì)交流系統(tǒng)造成不良影響。鑒于交流濾波器無(wú)功計(jì)算失誤的情況經(jīng)常發(fā)生，且故障容易長(zhǎng)期潛伏。建議在換流站交流濾波器組加入獨(dú)立的監(jiān)視電路，通過(guò)將相鄰交流濾波器無(wú)功功率進(jìn)行相互比較，并首尾相連形成一個(gè)“比較環(huán)”，實(shí)現(xiàn)各個(gè)交流濾波器無(wú)功功率之間的相互監(jiān)視，解決了當(dāng)前交流濾波器功率計(jì)算失誤時(shí)不容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，當(dāng)個(gè)別交流濾波器無(wú)功功率計(jì)算值與其它交流濾波器不同，即啟動(dòng)報(bào)警功能，及時(shí)消除無(wú)功計(jì)算失誤對(duì)電網(wǎng)造成的持續(xù)影響，有助于維持交流系統(tǒng)無(wú)功功率平衡，提高交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.

［2］梁天明，李豹，張薔，等.交流濾波器電容器運(yùn)行情況分析及共性問(wèn)題探討［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2012，33(6):77-82.

［3］SIEMENS.Guizhou-guangdong Ⅱ line ±500 kV HVDC transmission project:maintenance manuals of AC filter(GG2)［K］.SIEMENS，2007.

［4］中國(guó)南方電網(wǎng).高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)研究報(bào)告(直流部分)［R］.廣州:中國(guó)南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心，2005.

［5］SIEMENS.Guizhou-guangdong Ⅱ line ±500 kV HVDC transmission project:DC station control system information manual(GG2)［K］:SIEMENS，2007.

［6］洪妙，劉棟，駱林峰，等.換流站交流濾波器的配置與控制功能優(yōu)化［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2012，33(3):6-9.