余侃勝，吳 穎，陳明亮，王志成，黃 霞

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西 南昌330096；3.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077；4.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司贛州供電分公司，江西 贛州 341000）

0 引言

特高壓直流遠(yuǎn)距離送電，在解決新能源外送問(wèn)題中發(fā)揮著重要作用[1-3]，隨著直流輸送容量增加，直流落點(diǎn)的密集，現(xiàn)有的直流接入方式將不利于交流系統(tǒng)潮流的疏散，并且在電壓支撐等方面帶來(lái)一系列問(wèn)題。為此我國(guó)學(xué)者提出了特高壓直流采用分層方式接入交流電網(wǎng)的新方式，并論述了這種方式在提高受端系統(tǒng)電壓支撐能力、引導(dǎo)潮流合理分布方面的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于分層接入直流輸電系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行特性、可靠性、落點(diǎn)選擇、參數(shù)整定方面已有很深入的研究[4-8]。為保障交、直流系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，特高壓換流站無(wú)功控制起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)江西500kV電網(wǎng)和特高壓電網(wǎng)的規(guī)劃，雅中－江西直流工程將采用特高壓直流分層接入方式，南昌換流站10000MW的各50%電力分別通過(guò)雙極接入500kV和1000kV交流電網(wǎng)。直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要受端系統(tǒng)提供足夠的電壓支撐，直流控制方式、直流功率輸送水平以及受端系統(tǒng)的強(qiáng)度都會(huì)對(duì)換流母線的電壓穩(wěn)定產(chǎn)生影響[9-17]。為保證工程投運(yùn)后交直流系統(tǒng)正常和事故方式下的無(wú)功平衡以及江西電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)雅中-江西直流受端換流站的無(wú)功控制進(jìn)行研究。

本文開(kāi)展了特高壓受端換流站無(wú)功控制的研究，綜合分析國(guó)內(nèi)外的前沿文獻(xiàn)，從無(wú)功配置、動(dòng)態(tài)無(wú)功控制、穩(wěn)態(tài)無(wú)功控制及協(xié)調(diào)控制進(jìn)行全方位的分析。

1 無(wú)功配置

換流站的無(wú)功補(bǔ)償裝置可分組投切運(yùn)行，以適應(yīng)各種直流運(yùn)行方式[18]。無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備分組容量應(yīng)綜合考慮投切影響、電壓控制、濾波性能和設(shè)備布置等要求進(jìn)行優(yōu)化。無(wú)功分組的容量分析可通過(guò)暫態(tài)電壓和穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)的穩(wěn)定計(jì)算校核確定，兼并考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。無(wú)功補(bǔ)償裝置型號(hào)和容量可通過(guò)穩(wěn)態(tài)、小擾動(dòng)和強(qiáng)勵(lì)暫態(tài)仿真測(cè)試選擇支撐能力更強(qiáng)和補(bǔ)償響應(yīng)速度更快的補(bǔ)償裝置。換流站低壓側(cè)無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓配置、中性點(diǎn)接地形式及容量配置應(yīng)考慮電流的協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證換流站低壓側(cè)無(wú)功補(bǔ)償裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

考慮到江西電網(wǎng)后續(xù)有大規(guī)模風(fēng)電特性及換流站接入交流系統(tǒng)面臨的低電壓風(fēng)險(xiǎn)，提高換流站近區(qū)交流電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，減小濾波器投切帶來(lái)的換流母線電壓波動(dòng)，可在換流站站用變低壓側(cè)加裝靜止無(wú)功補(bǔ)償器（staticvarcompensator，SVC）和靜止同步補(bǔ)償器（staticsynchronouscompensator，STATCOM），并優(yōu)化配置相應(yīng)的小組濾波器容量。

換流站的無(wú)功消耗與直流的輸送功率、直流電壓、直流電流、換相角以及換相電抗等因素有關(guān)。無(wú)功消耗的計(jì)算應(yīng)考慮設(shè)備制造公差及系統(tǒng)測(cè)量、控制誤差等因素，使換流站最大無(wú)功消耗達(dá)最大值?？紤]設(shè)備制造公差及系統(tǒng)測(cè)量誤差等因素后，額定運(yùn)行方式下受端換流站最大無(wú)功消耗見(jiàn)表1。

表1 南昌換流站最大無(wú)功消耗

大容量調(diào)相機(jī)作為無(wú)功發(fā)生裝置對(duì)提高受端交流電網(wǎng)短路比，提高直流輸送極限功率，增強(qiáng)電網(wǎng)強(qiáng)度和靈活性有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在交流電網(wǎng)近端出現(xiàn)故障或換流閥發(fā)生換相失敗電壓下降時(shí)，大容量調(diào)相機(jī)可進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)支撐電壓和系統(tǒng)穩(wěn)定，為故障切除贏得寶貴時(shí)間。大容量調(diào)相機(jī)影響無(wú)功支撐能力關(guān)鍵參數(shù)可通過(guò)系統(tǒng)仿真研究及綜合考量選擇。合理選擇調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)配置，提高相同故障下的對(duì)系統(tǒng)電壓的支撐能力，有效抵御換相失敗[19-20]，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)功參數(shù)

2 動(dòng)態(tài)無(wú)功控制

電壓暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題一直困擾電網(wǎng)運(yùn)行，研究表明，通過(guò)電壓穩(wěn)定極限測(cè)試方法可識(shí)別電網(wǎng)暫態(tài)電壓薄弱環(huán)節(jié)，增加動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，能顯著提高系統(tǒng)極限切除時(shí)間，改善系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定水平。

換流站逆變器無(wú)功消耗與容性補(bǔ)償器無(wú)功出力存在動(dòng)態(tài)差異，該差異可使逆變站成為動(dòng)態(tài)無(wú)功源，直流有功回降后逆變站可向交流電網(wǎng)注入動(dòng)態(tài)無(wú)功，提高了受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性和規(guī)避切負(fù)荷。

分層接入換流站與特高壓交流出現(xiàn)共站搭建應(yīng)考慮混合無(wú)功補(bǔ)償，配置混合無(wú)功補(bǔ)償前后特高壓空載線路合閘過(guò)電壓幅頻特性仿真測(cè)試研究，為特高壓混合無(wú)功補(bǔ)償?shù)膮?shù)優(yōu)化和布置方式的選擇提供分析基礎(chǔ)和理論依據(jù)[21-24]。

儲(chǔ)能型靜止同步補(bǔ)償器能夠在提升交直流混聯(lián)系統(tǒng)受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的同時(shí)，有效抑制特高壓交流線路的功率振蕩，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交直流混聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的多目標(biāo)控制，對(duì)提升交直流混聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性具有顯著的作用。

直流落點(diǎn)電網(wǎng)多饋入有效短路比降低與重要故障暫態(tài)失穩(wěn)存在相關(guān)性，加強(qiáng)網(wǎng)架以及增加調(diào)相機(jī)的措施都能夠提高電網(wǎng)強(qiáng)度并改善直流逆變站系統(tǒng)的無(wú)功電壓穩(wěn)定性，再可從提升多饋入電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)處的多饋入有效短路比的角度入手，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，合理提高多饋入交直流混聯(lián)電網(wǎng)的無(wú)功電壓穩(wěn)定性。

結(jié)合換流站無(wú)功電壓綜合控制需求及調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制策略與常規(guī)發(fā)電機(jī)組的差別，通過(guò)分析調(diào)相機(jī)勵(lì)磁主控制環(huán)和主要?jiǎng)?lì)磁限制功能的配置和參數(shù)整定，提升暫態(tài)過(guò)程調(diào)相機(jī)的無(wú)功電壓調(diào)節(jié)支撐能力。精準(zhǔn)仿真分析和提煉出影響同步調(diào)相機(jī)在特高壓直流輸電嚴(yán)重故障下動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐的關(guān)鍵參數(shù)，可對(duì)調(diào)相機(jī)本體及調(diào)壓器參數(shù)設(shè)計(jì)整定提供關(guān)鍵依據(jù)。

調(diào)相機(jī)可以提高系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。調(diào)相機(jī)能抬升故障期間系統(tǒng)最低電壓，可以降低直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的概率，縮小引起直流換相失敗的交流系統(tǒng)故障的范圍。

以直流逆變器和容性濾波器、無(wú)功補(bǔ)償器為主要部件的直流逆變站動(dòng)態(tài)無(wú)功特性為研究基礎(chǔ)，直流逆變站可作為受端電網(wǎng)大容量動(dòng)態(tài)無(wú)功源。針對(duì)以電壓穩(wěn)定為主導(dǎo)失穩(wěn)形態(tài)的直流受端電網(wǎng)，提出直流逆變站高壓母線電壓為特征量的直流緊急控制的啟動(dòng)和撤銷判據(jù)以及控制策略[25-28]。

3 穩(wěn)態(tài)無(wú)功控制

傳統(tǒng)的常規(guī)變電站電壓無(wú)功綜合控制策略電壓無(wú)功的上下限固定，未考慮運(yùn)行方式變化帶來(lái)的影響，在某些運(yùn)行方式下可能由于站內(nèi)無(wú)功調(diào)壓能力有限，產(chǎn)生無(wú)功調(diào)壓困難的問(wèn)題。同時(shí)，該策略也無(wú)法計(jì)及調(diào)節(jié)過(guò)程中電壓、無(wú)功二者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，易出現(xiàn)調(diào)壓設(shè)備動(dòng)作后系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)在相鄰非正常區(qū)域反復(fù)振蕩的問(wèn)題，特高壓換流站穩(wěn)態(tài)無(wú)功控制通過(guò)對(duì)電壓無(wú)功綜合控制分區(qū)圖改善，考慮了任一調(diào)壓動(dòng)作，如機(jī)組增加無(wú)功，或者投一組低容同時(shí)對(duì)電壓和無(wú)功的影響，使系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)在電壓—無(wú)功平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡始終平行于調(diào)壓措施對(duì)應(yīng)的VQ變化矢量，且相鄰區(qū)域不含相反的調(diào)壓措施，能夠保證最多采取兩種措施使系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入正常區(qū)域，有效避免了反復(fù)采取相反調(diào)壓措施而系統(tǒng)在相鄰區(qū)域內(nèi)振蕩的問(wèn)題。

目前采用的AVC三級(jí)電壓控制模式中，特高壓沿線各變電站母線電壓的優(yōu)化設(shè)定值是通過(guò)三級(jí)電壓控制的全局無(wú)功優(yōu)化計(jì)算得出的。二級(jí)控制則是分區(qū)解耦控制，其根據(jù)三級(jí)控制給出的目標(biāo)，分別計(jì)算每個(gè)分區(qū)內(nèi)的電廠控制策略。

特高壓輸電補(bǔ)償模式中，高抗的補(bǔ)償量固定和低容低抗分組配置，具有控制投切方面的靈活性，特高壓穿越無(wú)功的無(wú)功補(bǔ)償接入系統(tǒng)中特高壓站點(diǎn)的110kV側(cè)。通過(guò)合理的低容低抗配置方案，使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能通過(guò)低容低抗投切策略，可使特高壓穿越無(wú)功時(shí)對(duì)500kV電網(wǎng)產(chǎn)生的影響最小。

特高壓直流輸電無(wú)功電壓控制不僅要能滿足系統(tǒng)運(yùn)行的基本濾波要求，還要考慮交流電壓和無(wú)功交換的邊界條件。無(wú)功控制一般有絕對(duì)最小濾波控制、最高/最低電壓控制、最大無(wú)功交換控制、最小濾波器控制和無(wú)功交換控制/電壓控制，減小換相失敗發(fā)生幾率時(shí)應(yīng)考慮以上幾種無(wú)功控制的優(yōu)先級(jí)。

目前，特高壓變電站內(nèi)的低容/低抗投切尚未納入特高壓交流近區(qū)AVC系統(tǒng)的控制范圍。若低容/低抗組數(shù)投切不合理，AVC系統(tǒng)僅通過(guò)控制特高壓近區(qū)的500kV電廠不但難以控制電壓，還會(huì)使得無(wú)功潮流不合理的流動(dòng)。因此，特高壓變電站內(nèi)低容/低抗的投切策略與AVC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合應(yīng)作為下一步的研究方向。

4 協(xié)調(diào)控制

在饋入端交流系統(tǒng)強(qiáng)度較弱、直流傳輸功率頻繁波動(dòng)的高壓直流系統(tǒng)中，換流站無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的協(xié)調(diào)控制對(duì)改善換流母線電壓的穩(wěn)定性具有重要意義。研究表明，通過(guò)對(duì)比饋入交流系統(tǒng)強(qiáng)度不同時(shí)換流母線電壓的穩(wěn)定特性，分析連接弱交流系統(tǒng)的換流站在直流功率波動(dòng)和電容器組投／切時(shí)容易出現(xiàn)母線電壓失穩(wěn)。進(jìn)而依據(jù)所提出的換流站無(wú)功控制所需實(shí)現(xiàn)的多目標(biāo)，并基于STATCOM多模式控制策略和參與AVC調(diào)節(jié)的控制策略，設(shè)計(jì)一種連接弱交流系統(tǒng)的換流站無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備多模式協(xié)調(diào)控制策略。主要包括換流母線電壓無(wú)靜差跟蹤額定電壓的穩(wěn)態(tài)調(diào)壓模式、換流站參與近區(qū)交流系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的自動(dòng)電壓控制模式，以及換流母線發(fā)生短路故障時(shí)抑制電壓波動(dòng)與換相失敗的暫態(tài)控制模式。

特高壓變電站無(wú)功補(bǔ)償容量的計(jì)算方法可考慮基于變電站恒電壓控制方式下有功傳輸特性，確定無(wú)功控制目標(biāo)分析線路送受端電壓關(guān)系式，對(duì)變電站無(wú)功補(bǔ)償規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行調(diào)度有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

對(duì)于直流饋入受端電網(wǎng)，避免換相失敗與維持電壓穩(wěn)定是兩個(gè)重要問(wèn)題。換相失敗預(yù)測(cè)控制及預(yù)測(cè)參數(shù)對(duì)逆變站非線性無(wú)功軌跡和電壓穩(wěn)定性的影響應(yīng)引起重視，通過(guò)改善逆變站大擾動(dòng)無(wú)功需求特性的預(yù)測(cè)參數(shù)優(yōu)化措施提升受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

直流系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，不管無(wú)功控制模式處于功率Q模式還是電壓U模式，交流母線極限電壓控制始終有效。換流站交流濾波器頻繁投切應(yīng)考慮直流站控系統(tǒng)中無(wú)功控制功能的電壓取值邏輯是否合理，避免直流站控系統(tǒng)不穩(wěn)定的發(fā)生。

分層接入方式下的直流系統(tǒng)不管在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是控制方式上都有別于傳統(tǒng)的直流單層接入方式，為保證交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)這新型直流接入方式下受端混聯(lián)系統(tǒng)的特性亟需一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)和研究。在分層接入方式下受端各層換流母線電壓穩(wěn)定判據(jù)下，分析不同直流控制方式下電壓穩(wěn)定性的差異，得到不同控制方式下電壓穩(wěn)定性的排序。

特高壓直流分層接入方式交直流系統(tǒng)間、高低換流閥組間以及兩層不同電壓等級(jí)的受端交流系統(tǒng)間均存在著電氣耦合關(guān)系，系統(tǒng)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)和電壓穩(wěn)定問(wèn)題更加復(fù)雜。減小受端交流系統(tǒng)阻抗、交流系統(tǒng)等值聯(lián)系阻抗、直流系統(tǒng)輸送功率，增大關(guān)斷角均能有效提高換流母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，同時(shí)受端交流系統(tǒng)等效阻抗角也會(huì)對(duì)換流母線靜態(tài)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[29-31]。

換流站中特高壓交流母線的過(guò)電壓水平主要受直流運(yùn)行情況的影響。當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)后直流能夠穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，過(guò)電壓水平不高。分析表明，當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)后直流閉鎖后，會(huì)出現(xiàn)較高的過(guò)電壓，采用額定電壓低的避雷器能有效降低特高壓換流母線操作過(guò)電壓[32-35]。

考慮高低端換流器耦合作用，可開(kāi)展分層系統(tǒng)無(wú)功電壓的交互影響機(jī)理研究，在不同的直流控制方式結(jié)合下，分析混聯(lián)系統(tǒng)的無(wú)功電壓交互影響機(jī)理和影響因素。在考慮影響因素的差別和無(wú)功波動(dòng)大小的基礎(chǔ)上對(duì)比分析不同控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種針對(duì)受端混聯(lián)系統(tǒng)，并適用于“強(qiáng)直弱交”電網(wǎng)情況的混合協(xié)調(diào)控制方式。不同控制方式下混聯(lián)系統(tǒng)的無(wú)功外特性的分析和仿真驗(yàn)證可知，逆變側(cè)高低端采用相同的控制方式時(shí)，混聯(lián)系統(tǒng)的無(wú)功外特性呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律；逆變側(cè)均定熄弧角控制時(shí)，擾動(dòng)后無(wú)功波動(dòng)范圍較小，但不利于交流電壓的穩(wěn)定；均定電壓控制時(shí)，無(wú)功和熄弧角波動(dòng)范圍較大，但混聯(lián)系統(tǒng)的無(wú)功外特性更利于受端電壓的穩(wěn)定。因此結(jié)合不同控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，混聯(lián)系統(tǒng)無(wú)功電壓混合協(xié)調(diào)控制方式，更利于分層接入方式下混聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[36-39]。

直流系統(tǒng)的功率輸送水平會(huì)影響各層換流母線處的電壓穩(wěn)定性。直流輸送功率越大，各層換流母線電壓穩(wěn)定水平越差?？梢砸灾绷鞫娏骺刂?、定電壓控制及定熄弧角控制為基礎(chǔ)控制方式，分析不同控制組合下各層換流器的功率輸出特性、500kV層換流母線和1000kV層換流母線的電壓穩(wěn)定特性及不同直流功率輸送水平對(duì)換流母線電壓穩(wěn)定的影響。分析表明，當(dāng)受端系統(tǒng)較弱且直流輸送功率較大時(shí)，在整流側(cè)定功率、高低端逆變器定熄弧角的控制方式下，小的無(wú)功擾動(dòng)會(huì)使各層換流母線出現(xiàn)電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

特高壓分層接入直流模型除了包括常規(guī)直流系統(tǒng)各元件模型外，還須增加額外的控制系統(tǒng)模型，各種運(yùn)行方式的切換控制，以及穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)下多個(gè)換流器之間的協(xié)調(diào)控制。目前仿真模型只適用于無(wú)功電壓分析的等值小系統(tǒng)的電磁暫態(tài)模型，而適用于大電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析的更為精確的實(shí)際電網(wǎng)分層完整系統(tǒng)模型及特高壓直流分層接入下混聯(lián)系統(tǒng)仿真建模還需深入研究。

分層接入方式下直流再啟動(dòng)、連續(xù)換相失敗等擾動(dòng)情況下提高輸電能力的交直流協(xié)調(diào)控制技術(shù)，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的多直流協(xié)調(diào)控制技術(shù)均是目前需要迫切解決的技術(shù)難題。

在特高壓直流分層接入工程的落點(diǎn)近區(qū)，可能存在能參與無(wú)功調(diào)節(jié)的火電廠、大型風(fēng)電場(chǎng)等無(wú)功源，其與直流逆變站動(dòng)態(tài)無(wú)功源、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等共同參與的多時(shí)間尺度無(wú)功電壓協(xié)調(diào)優(yōu)化策略是值得深入研究的課題。

考慮解決特高壓直流輸電受端系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備不足及電壓調(diào)節(jié)特性惡化問(wèn)題，為充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)預(yù)期作用，后期應(yīng)對(duì)調(diào)相機(jī)的暫態(tài)無(wú)功輸出特性及其限值進(jìn)行系統(tǒng)研究，開(kāi)展勵(lì)磁控制模型進(jìn)行精細(xì)化建模，并從系統(tǒng)層面出發(fā)，結(jié)合受端電網(wǎng)嚴(yán)重故障對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功的不同需求，研究調(diào)相機(jī)與高壓直流輸電系統(tǒng)無(wú)功協(xié)調(diào)控制方法。