于 鵬，殷丕盛，袁茂凱，羅 鑫，張 楷

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

“默拉直流”輸電工程是繼“銀東直流”之后的世界第二條±660 kV超高壓直流輸電工程。巴基斯坦用電負(fù)荷主要集中在中部旁遮普省和伊斯蘭堡地區(qū)，約占全國(guó)60%［1］。當(dāng)前突出的電力供應(yīng)不足問題已嚴(yán)重制約了巴基斯坦經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展。默拉直流輸電工程的投運(yùn)將有效緩解巴基斯坦電力供應(yīng)不足的問題。

默拉直流工程在小功率調(diào)試期間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬極Ⅰ線路故障，極Ⅰ退出直流功率轉(zhuǎn)代極Ⅱ，極Ⅱ由全壓運(yùn)行轉(zhuǎn)至0.7 pu 降壓運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)無功功率控制在達(dá)到動(dòng)作限值時(shí)，無法正確投入濾波器。

通過分析無功功率控制邏輯分析，并對(duì)邏輯提出合理修改方案，并加以驗(yàn)證，為今后類似工程的設(shè)計(jì)或改造提供參考依據(jù)。

1 無功控制介紹

默拉直流輸電工程中整流站（默蒂亞里換流站）與逆變站（拉合爾換流站）的無功控制功能均在直流站控系統(tǒng)中完成［2］。即使直流系統(tǒng)停運(yùn)，無功控制也可以繼續(xù)工作。兩站無功控制功能按照優(yōu)先級(jí)先后順序分為：過電壓控制、絕對(duì)最小濾波器容量限制（Abs Min Filer）、最高/最低電壓限制（U max）、最大交換無功功率限制（Q max）、最小濾波器容量要求（Min Filter）、交換無功功率控制/電壓控制（Q 控制/U控制）［3］。

1）過電壓控制：快速切除濾波器以降低穩(wěn)態(tài)過電壓。

2）Abs Min Filer：絕對(duì)最小濾波器容量限制，為了防止濾波設(shè)備過負(fù)荷所需投入的絕對(duì)最小濾波器組數(shù)。過電壓控制未激活的情況下，該條件必須滿足。

3）U max：最高/最低電壓限制，監(jiān)視交流母線的穩(wěn)態(tài)電壓，避免穩(wěn)態(tài)過電壓引起保護(hù)動(dòng)作。

4）Q max：最大交換無功功率限制，根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀況，限制投入濾波器組的數(shù)量，限制穩(wěn)態(tài)過電壓。

5）Min Filter：最小濾波器容量要求，為滿足濾除諧波的要求需投入的最小濾波器組。

6）Q 控制/U 控制：交換無功功率控制/電壓控制（可切換），控制換流站和交流系統(tǒng)的交換無功功率為設(shè)定的參考值/控制換流站交流母線電壓為設(shè)定的參考值。

2 無功功率控制

無功控制根據(jù)各子功能的優(yōu)先級(jí)，協(xié)調(diào)由各子功能發(fā)出投/切濾波器的指令。某項(xiàng)子功能發(fā)出的投/切指令僅在完成投/切操作時(shí)不與更高優(yōu)先級(jí)的限制條件沖突時(shí)才有效。所有投/切指令一次僅能操作一個(gè)濾波器小組，各子功能若有同向連續(xù)操作濾波器的需要，會(huì)在相應(yīng)的間隔時(shí)間后再次發(fā)出相同指令。Abs Min Filer、U max、Q max 屬于高優(yōu)先級(jí)，在手動(dòng)模式下也能自動(dòng)完成投/切濾波器的操作；Min Filter、Q 控制/U 控制屬于低優(yōu)先級(jí)，只能在自動(dòng)模式下自動(dòng)投/切濾波器［4］。其中，U 控制和Q 控制不能同時(shí)有效，運(yùn)行人員選擇當(dāng)前運(yùn)行在U 控制還是Q 控制［5］，無功功率控制邏輯功能如圖1所示。

圖1 無功功率控制功能

2.1 無功功率控制投切原理

運(yùn)行人員可選擇運(yùn)行于Q 控制或U 控制模式。Q 控制模式用于控制換流站與交流網(wǎng)的交換無功功率為設(shè)定的參考值［5］。

換流站與交流系統(tǒng)進(jìn)行無功交換，其計(jì)算公式為

式中：Qexc為交換無功功率；Qfilt為換流站內(nèi)所投入濾波器產(chǎn)生的實(shí)際無功功率；Qconv為六脈動(dòng)整流器所消耗的無功功率［6］。

式中：Uac為交流電網(wǎng)實(shí)際電壓；UacN為交流電網(wǎng)額定電壓，巴基斯坦交流電網(wǎng)額定電壓為510 kV；QfiltN為流站內(nèi)所投入濾波器的額定無功功率。

式中：Id為直流系統(tǒng)線路電流；Udi0為每個(gè)六脈動(dòng)整流器的理想空載直流電壓；γ為換流閥熄弧角，若在整流站中γ應(yīng)替換為α觸發(fā)角［7］；μ為換相角。

如果交換無功功率Qexc超過下列上限制值或下限制值，那么無功功率控制會(huì)發(fā)出命令，切除或投入一組濾波器或并聯(lián)電容器［8］。

式中：Qref為運(yùn)行人員設(shè)置的參考值，拉合爾換流站設(shè)置值為0；Qdz為濾波器組投切死區(qū)［9］。

為了防止濾波器組的頻繁投切，應(yīng)采用滯回特性，設(shè)置的滯回窗口的上下限幅值大于最大無功設(shè)備組的容量的一半［10］。拉合爾換流站交流濾波器場(chǎng)配置4 大組500 kV 交流濾波器，每大組包含2 小組HP12/24 濾波器、2 小組SC 型電容器。其中HP12/24型濾波器，每小組容量為150 Mvar；SC 型電容器，每小組容量為160 Mvar。因此拉合爾換流站將動(dòng)作死區(qū)上限值設(shè)置為110 Mvar，下限值設(shè)置為-110 Mvar。

2.2 關(guān)聯(lián)有功變化的無功功率控制

默拉直流輸電工程拉合爾換流站無功Q 控制功請(qǐng)求投入濾波器邏輯如圖2所示。

圖2 無功功率控制功請(qǐng)求投入濾波器邏輯

濾波器投入請(qǐng)求的條件包括：1）為濾波器提供無功與系統(tǒng)消耗無功的差值Qexc小于設(shè)定值；2）為無功功率控制投入濾波器時(shí)刻的有功功功率與上次投入濾波器時(shí)的有功功率變化量應(yīng)大于60 MW。當(dāng)兩個(gè)條件同時(shí)滿足才能發(fā)出濾波器投入請(qǐng)求，控制濾波器投入［11］。國(guó)內(nèi)大多直流換流站，如魯固直流的扎魯特?fù)Q流站、廣固換流站等均配置了此功能，主要是因?yàn)閲?guó)內(nèi)功率調(diào)節(jié)時(shí)間間隔短，頻次多，防止濾波器頻繁投切而給電網(wǎng)及設(shè)備造成損壞。

3 降壓運(yùn)行及功率轉(zhuǎn)移

3.1 直流降壓運(yùn)行

直流輸電系統(tǒng)的各極都能運(yùn)行在降壓運(yùn)行方式，以便在直流線路不能經(jīng)受全壓的情況下，該極還能繼續(xù)運(yùn)行。默拉直流系統(tǒng)降壓運(yùn)行分為0.8 pu 與0.7 pu 兩種形式。0.8 pu 為額定直流電壓660 kV 的0.8 倍，即528 kV。0.7 pu 為額定直流電壓660 kV 的0.7倍，即462 kV。

直流系統(tǒng)需要進(jìn)行降壓運(yùn)行的情況包括兩種：

1）由于線路絕緣問題需要降低直流電壓，在出現(xiàn)惡劣的氣候條件和線路嚴(yán)重污穢的情況下，直流輸電線路如果仍然在額定電流下運(yùn)行，將會(huì)產(chǎn)生較高的故障概率［12］，為了提高直流輸電線路的可靠性和利用率，此時(shí)可以采用直流降壓運(yùn)行方式。

2）由于無功功率控制需要降低直流電壓，當(dāng)直流輸電工程被利用來進(jìn)行無功功率控制時(shí)，需要增大整流站觸發(fā)角α來增加換流器消耗的無功功率，此時(shí)可以采用直流降壓運(yùn)行方式使直流電壓相應(yīng)降低。

當(dāng)運(yùn)行人員在運(yùn)行中啟動(dòng)或復(fù)位直流降壓運(yùn)行功能時(shí)，直流電壓在設(shè)定的適合時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)變化到新的整定值。在降低或升高直流電壓的過程中，在任何時(shí)刻都可以終止升降過程，達(dá)到直流電壓定值就是終止升降時(shí)刻的電壓值。在降低或升高直流電壓的過程中，分接頭控制調(diào)整換流變分接頭［13］，使換流器分接頭達(dá)到與降壓運(yùn)行相對(duì)應(yīng)的最小值。

3.2 直流降壓與無功關(guān)系

直流系統(tǒng)輸送相同功率，當(dāng)直流系統(tǒng)處于降壓運(yùn)行模式時(shí)，相較于全壓運(yùn)行模式下會(huì)投入更多數(shù)量的交流濾波器。直流系統(tǒng)消耗功率與輸送有功功率及直流線路電壓關(guān)系為

式中：Pd為直流系統(tǒng)輸送的有功功率；Ud為直流線路電壓。

根據(jù)公式（6）可以得出，直流系統(tǒng)消耗的無功功率與直流系統(tǒng)輸送的有功功率成正比關(guān)系［14］，與直流線路電壓成反比關(guān)系。當(dāng)直流系統(tǒng)處于降壓運(yùn)行模式時(shí)，直流線路電壓降低，直流系統(tǒng)所消耗的無功功率將增加，因此投入的濾波器組數(shù)也比直流系統(tǒng)全壓運(yùn)行模式時(shí)要多。

3.3 功率控制及轉(zhuǎn)移

雙極功率控制是直流輸電系統(tǒng)的主要控制模式。控制系統(tǒng)使整流站的直流功率等于運(yùn)行人員整定的功率值。除線路開路試驗(yàn)方式外，這一控制模式對(duì)各種運(yùn)行接線方式的每個(gè)單極都適用。

如果兩個(gè)極都處于雙極功率控制，雙極功率控制功能為每個(gè)極分配相同的電流參考值，以使接地極的電流最小。如果兩個(gè)極的運(yùn)行電壓相等，則每個(gè)極的傳輸功率是相等的。當(dāng)單極傳輸?shù)墓β什怀^額定傳輸功率時(shí)，如果一極處于降壓運(yùn)行狀態(tài)而另外一極是全壓運(yùn)行，則兩個(gè)極的傳輸功率之比與兩個(gè)極的電壓之比一致。

如果由于一極設(shè)備因故障退出運(yùn)行、降壓運(yùn)行或其他原因使得該極的輸電能力下降，導(dǎo)致實(shí)際的直流雙極傳輸功率減少，雙極功率控制增大另一極的電流，自動(dòng)而快速地把直流傳輸功率恢復(fù)到盡可能接近雙極功率控制設(shè)定的參考值水平，另一極電流的增加受設(shè)備過負(fù)荷能力限制。

由于傳輸能力損失引起的在兩個(gè)極之間的功率重新分配僅限于雙極功率控制極。如果一個(gè)極是獨(dú)立運(yùn)行，另一極是雙極功率控制運(yùn)行，則雙極功率控制極補(bǔ)償獨(dú)立運(yùn)行極的功率損失。

4 事件分析及影響

默拉直流工程小功率調(diào)試期間，雙極大地回線方式運(yùn)行，功率控制模式為雙極功率控制，功率整定值為800 WM，功率傳輸方向由默蒂亞里至拉合爾。

現(xiàn)場(chǎng)模擬極Ⅰ線路故障，極Ⅰ退出直流功率轉(zhuǎn)代極Ⅱ，極Ⅱ由全壓運(yùn)行轉(zhuǎn)至0.7 pu 降壓運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)交換無功功率長(zhǎng)期處于-396 Mvar。依據(jù)Q控制條件，直流系統(tǒng)無功功率小于-110 Mvar，會(huì)自動(dòng)投入濾波器，而現(xiàn)場(chǎng)濾波器未自動(dòng)投入。根據(jù)調(diào)試工作人員程序在線確認(rèn)達(dá)到無功功率控制投入濾波器時(shí)刻的有功功功率（800 MW）與上次投入濾波器時(shí)的有功功率（800 MW），變化量為0，小于60 MW，故不滿足有功功率變化，因此無功功率控制請(qǐng)求投入濾波器邏輯不滿足判定條件，不能投入濾波器。

巴基斯坦電網(wǎng)薄弱，以500 kV為主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，與拉合爾換流站相關(guān)聯(lián)的500 kV 交流線路共有4 條，分別為拉合爾1 線，拉合爾2 線，拉合爾南1 線，拉合爾南爾線。因拉合爾換流站內(nèi)濾波器無法投入，從交流系統(tǒng)內(nèi)吸收396 Mvar 無功，造成了交流系統(tǒng)電壓大幅降低，其4 條出線電壓分別從510.44 kV、510.7 4kV、510.71 kV、510.96 kV 跌落至493.32 kV、493.04 kV、492.98 kV、492.77 kV。極大影響了巴基斯坦電網(wǎng)供電質(zhì)量，給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的承荷能力帶了巨大考驗(yàn)。

5 改進(jìn)方案

5.1 邏輯優(yōu)化

依據(jù)巴基斯坦電網(wǎng)現(xiàn)狀及直流功率調(diào)節(jié)頻次低等特點(diǎn)，對(duì)無功功率控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后無功功率控制功請(qǐng)求投入濾波器邏輯如圖3所示。

由圖3 可知，優(yōu)化后的邏輯取消條件2）的判斷并置位為1，從而實(shí)現(xiàn)無功Q 控請(qǐng)求投切濾波器的邏輯只與系統(tǒng)交換無功功率Qexc、無功參考值Qref和無功死區(qū)值Qdz有關(guān)。當(dāng)交換無功功率達(dá)到Q 控限值時(shí)，將直接發(fā)出濾波器投切請(qǐng)求指令［15］。

圖3 優(yōu)化后無功功率控制功請(qǐng)求投入濾波器邏輯

同樣考慮到濾波器頻繁投切的情況，在直流系統(tǒng)解鎖后，如果在60 s 內(nèi)頻繁投入或者者切除濾波器超過3 次［16］，將啟動(dòng)Hunting 手動(dòng)控制濾波器投切功能，即將無功控制自動(dòng)模式轉(zhuǎn)為手動(dòng)模式，同時(shí)屏蔽無功功率控制功能［17］。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.2.1 邏輯修改前試驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)（Real Time Digital Simulation System，RTDS）進(jìn)行仿真，拉合爾換流站模擬極Ⅰ和極Ⅱ雙極功率模式下，雙極全壓800 MW運(yùn)行，極Ⅱ全壓轉(zhuǎn)0.7 pu降壓，模擬故障閉鎖極Ⅰ后無功功率控制功能，結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)交換無功功率為-389 Mvar，此時(shí)投入三組HP12/24 型濾波器F1B4、F4B3、F4B4，達(dá)到無功功率控制投入濾波器限值，卻無濾波器投入。

5.2.2 邏輯優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果

邏輯優(yōu)化后，拉站模擬極Ⅰ和極2 雙極功率模式下，雙極全壓800 MW 運(yùn)行，極2 全壓轉(zhuǎn)0.7 pu 降壓，模擬故障閉鎖極Ⅱ后無功功率控制功能，結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)交換無功功率為-99 Mvar，此時(shí)投入五組HP12/24型濾波器F1B4、F2B3、F2B4、F4B3、F4B4，無功功率控制準(zhǔn)確投入濾波器。驗(yàn)證了當(dāng)直流系統(tǒng)處于降壓運(yùn)行模式時(shí)，直流線路電壓降低，直流系統(tǒng)所消耗的無功功率將增加的結(jié)論。

6 結(jié)語

通過分析現(xiàn)場(chǎng)在線程序監(jiān)測(cè)定位了問題原因，提出了無功功率控制請(qǐng)求投切濾波器取消關(guān)聯(lián)有功變化量邏輯修改方案，并在RTDS仿真系統(tǒng)上復(fù)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)問題并驗(yàn)證修改后軟件邏輯的有效性。

2021 年4 月15 日至今，默拉直流小功率試運(yùn)行期間每日直流功率調(diào)整不超過10 次，未發(fā)生滿足無功功率控制限值無法投切濾波器現(xiàn)象，也未發(fā)生濾波器頻繁投切現(xiàn)象。