特高压直流输电系统交流过电压控制动作策略分析

　　王锐

　　【摘 要】在电力系统中，特高压直流输电系统有着重要作用，对电力能源的输送存在极大的影响。与常规高压直流输电相比较，在应用特高压直流输电系统时，实际控制方式、运行原理存在更高的复杂性，但整体性能也更为显著，能够充分满足电力输送的不同需求。对此，如何以无功功率控制规避特高压换流站交流系统发生电压波动，最大限度降低对直流系统运行带来的不良影响逐渐成为电力行业探讨研究的重要问题。基于此，文章从特高压直流输电系统的理论概述、应用特点着手，结合酒泉——湖南特高压直流输电工程，针对交流过电压控制策略展开深入分析，并以实时数字仿真系统（RealTime Digital Simulation System，RTDS）针对此项控制策略的可行性展开验证分析。

　　【关键词】特高压直流输电系统；无功功率控制；交流过电压控制

　　引言

　　随着社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，电力需求持续增长，对电力系统的安全、稳定、经济运行提出了更高要求。特高压直流输电技术以其输电容量大、距离远、损耗低等优势，成为解决我国能源资源与负荷中心逆向分布矛盾、实现跨区域电力资源优化配置的重要手段。近年来，我国特高压直流输电技术取得了举世瞩目的成就，已建成投运多条±800 kV 特高压直流输电工程，输电距离超过2000 公里，有效缓解了传统经济建设中电力供应不足的问题，为促进区域经济发展、提高人民生活水平做出了重要贡献[1]。然而，特高压直流输电系统在运行过程中，换流器会消耗大量无功功率，导致系统电压波动、稳定性下降等问题。为了维持系统电压稳定、提高输电效率、保障系统安全运行，必须配置足够的无功补偿装置，并采取有效的无功功率控制策略。本文首先分析特高压直流输电系统无功功率特性及其影响因素，然后对现有无功功率控制策略进行综述，并指出其优缺点。在此基础上，提出一种基于改进粒子群算法的特高压直流输电系统无功功率优化控制策略，并通过仿真验证其有效性。最后，对全文进行总结，并展望未来研究方向。

　　一、特高压直流概述

　　特高压直流主要指达到±800 kV 电压的直流输电系统，其具备高电压、高容量的使用特点，一般应用在大容量输电、超远距离电力输送当中。该系统主要构成包含逆变站、整流站、送端交流系统等，其中换流站占据着重要地位，其运行效果在一定程度上会对输电系统的稳定性产生较大的影响。目前，国内特高压直流输电正处在高速发展阶段，各大特高压直流输电项目的建设为地方发展提供了有力支持。在实践中，特高压直流输电技术的应用能够以高效、可靠的电缆和换流器设备，快速完成对电力的输送，使其顺利运输至远距离负载中心，整个输电距离达到数千千米，并且在电力输送期间还有着较高的稳定性，极大地提升了电力输送效率，以此充分满足地方经济的建设需要，对地方经济建设具有重要意义[2]。

　　二、特高压直流输电的应用特点

　　直流输电措施的应用可以有效解决远距离电力供应、高电压等问题，以此将电力资源的最大价值充分发挥。在应用直流输电措施时，主要以换流器做好对交流电的转化，以此形成直流电，再应用直流输电线路顺利输送至对应受电部位，采取换流器转变成交流电，最终顺利完成对交流电网的输入处理。与交流输电技术相比，直流输电技术在应用上具有更高的灵活性，输电过程中的能源损耗也相对较小，整体优势更为显著。在特高压直流输电中，实际输电距离更远，输电容量也相对较大，对电力能源的稳定供应具有重要作用。

　　三、无功功率控制功能分析

　　在应用特高压直流输电系统进行有功功率的传输处理时，换流器也需要从换相操作中消耗许多无功功率，大约占据直流输电系统的传输容量40%~60%，以此保证电力系统运行的稳定性。在此阶段，当无功功率出现变化的情况下，也会对换流站交流系统的电压稳定输送带来不良影响，所以在电力输送期间还会为换流站配置许多无功补偿设施。然而，在直流系统的传输功率降低的情况下，换流器运行期间也将大幅度降低无功功率的消耗量。此时，若依然保持无功功率为统一标准，则会促使许多未及时消耗处理的无功功率直接传输至交流电网，促使交流母线电压大幅度上升，所以为保证电力输送的可靠性、安全性，有必要做好对无功补偿设施的全面管控，尽可能规避系统运行期间发生异常现象。

　　对于无功功率控制而言，主要针对低压电抗器、交流滤波器展开有效开展，使其结合直流运行方式做好对无功消耗的精确计算，并在做好对无功设备控制的情况下，确保交流系统的稳定运行。此外，在实施无功控制时，还可以起到对交流滤波器设备的安全管控作用，促进相关设备的稳定运行。

　　最后，在实施无功功率控制时，还要结合直流系统实际运行模式，综合评估交流母线电压值、实际无功交换量等，从而实现对滤波器投切情况的有效控制，并结合预期管控的优先级顺序展开规范排序处理，明确滤波器的投切组数、类型，以此进一步强化对特高压直流输电的管控效果[3]。

　　四、交流过电压控制策略分析

　　在经济高速发展下，为充分保证能源供应的稳定性，特高压直流输电系统得到全面建设，实现了对各地区资源的优化配置，对整体经济建设具有重要意义。现阶段，国内已建设有多条±800 kV 的特高压直流输电系统，输电距离达到2000 km，为经济建设提供了有力支持。在特高压直流输电系统运行期间，均需要提供许多无功补偿设施，以此弥补换流器在运行期间的大量无功功率，而为了充分保证系统运行的安全、稳定，就有必要做好对无功功率的全面管控，尽可能规避无功功率补给不足、补给过多等不良现象的发生，从而助推电力事业实现全面发展。相较于常规直流换流站的运行，在特高压换流站运行期间除了要做好对最小滤波器、最高/ 最低电压限制等多方面管控，还要为其设备运行配置优先级最高的交流过电压控制功能，这样才能够充分保证换流站相关系统运行的稳定性。比如，在酒泉——湖南直流工程交流电压当中，在换流站的交流母线相关电压指标达到预期规定范围的情况下，系统将快速完成对交流滤波器的切除处理，以此最大限度降低交流母线在运行期间的电压指标，直至将其切除至最小滤波器的相关组数标准，从而达到对系统运行的全面管控，实现对交流过电压的有效控制。另外，在该系统运行期间，电压控制功能所形成的动作逻辑也会结合交流母线运行时产生的电压水平进行灵活调整。

　　在交流母线电压达到最高稳态电压低于系统运行期间所测算的稳态电压以及低于电压参数表的酒泉750 kV、湘潭525 kV，并且在滤波器数量未出现明显变化的情况下，那么该系统在运行期间则将在延时处理3 s 的情况下完成对滤波器的切除。此时，需要结合功率大小、最小滤波器的投切方案等因素做好对滤波器类型的准确判断，而在完成对滤波器切除型号的选择以后，还要应用软件程序按照相应计数原理做好数据记录，以此实现对滤波器切除小组的规范选择，尽可能规避对设备运行所带来的不良影响。若在系统运行期间完成首次的滤波器切除以后，系统电压未出现明显变化；那么就需要间隔3 s 完成对一组滤波器的切除处理，直至达到预期标准则不需要继续进行切除动作。

　　另外，在针对滤波器展开切除时，若实际选择逻辑完全一致，仅在延时方面存在一定差异；此时，系统在运行期间的电压维持时间未能达到预期延时标准，那么所设定的动作策略也不会产生出口。比如，在该项目中整个动作切除流程可以详细划分为以下几个操作阶段。第一，在已经完成对滤波器的投放以后，若某类型的滤波器数量远高于对应功率所制定的绝对最小滤波器数量，那么系统在运行期间也将制定允许进行滤波器切除的指令。另外，在进行滤波器切除处理时，若系统对最小滤波器使用需求依然高于4 组，那么就需要依照相应逻辑做好对多余滤波器的切除工作，并结合优先级排序依次完成对超级电容器、滤波器等不同设施的切除处理，以此充分满足电网系统在运行期间的不同需求；若在减去最小滤波器使用需求无法达到该标准，那么就应当结合系统运行的功率水平做好对相应滤波器组数的切除工作，从而保证电网系统的安全运行。第二，在结合系统运行功率水平的情况下将绝对最小滤波器的需求组数进行切除，若系统依然表现出交流母线的过电压状态，那么就不需要综合考虑系统功率水平下的最小滤波器使用需求，持续执行第一阶段的切除逻辑，使其始终维持系统运行最低功率需要的相关滤波器，以此充分保障特高压直流输电系统的稳定运行[4]。在以上切除操作中，若交流母线电压可以顺利恢复至预期规定标准，将立刻针对交流过电压控制功能实施闭锁处理，不需要继续开展对滤波器组的切除处理。

　　从以上动作策略来看，在系统控制功能中，针对滤波器进行切除操作时，能够充分满足直流系统正常运行所需的目标滤波器组数，同时有效避免因最小滤波器组无法达到预期运行标准而导致直流系统闭锁的问题。

　　五、RTDS仿真试验数据分析

　　以实时数字仿真系统（Real Time Digital SimulationSystem，RTDS）完成对本项目运行期间电压管控逻辑的检验，其主要参数包含额定电流10 kV、额定电压800 kV、逆变站525 kV 等多项指标。

　　在该系统中针对整流侧的交流电压调整至1000 kV，整流站需要间隔250 ms 完成对交流滤波器的切除处理，以此取得双极均衡的稳定运行模式，在达到最低功率情况下则不需要进行最小滤波器的切除操作。在进行第三次的滤波器组切除操作以后，由于已有滤波器设备在运行期间难以达到8000 MW功率下相关滤波器的运行标准，到30 s 左右系统则将进行回降功率，使其逐渐下降至907 MW。

　　在对逆变侧的交流电压调整达到670 kV 的情况下，逆变站将在250 ms 的间隔时间段内做好对交流滤波器的切除处理，以此在符合最低功率的情况下，停止对其余滤波器的切除干预。在此阶段，受相关动作策略的影响，系统功率也将呈现出显著的降低趋势，此时交流过电压的控制动作也将处于正常状态。

　　在实施单极控制主机失电实验时，需要应用RTDS 完成对站1、站2 的规划，将交流系统短路容量调整至最低状态，将主机电源切断，模拟在双极全压的运行模式中，单极发生异常运行的不良现象。在开展此项实验时，故障问题的发生促使整体实验波形出现较大的变化。在完成断电处理后，极1 将紧急进行停止运行，并将控制极转移至其他设施，此时交流母线电压呈现出显著上升的发展趋势，而在经过一段时间以后逐渐出现降低趋势。同时，经过无功交换处理，将多组滤波器切除，促使系统恢复至稳定运行的滤波器组数，使其无功功率交换值保持至相应标准。在模拟故障发生以后，逆变站交流侧电压大幅上升，经过1.41 s逐渐下降至550 kV左右，其间在系统控制作用下先后完成对部分电容器、滤波器的切除。在此阶段，过电压始终保持低于预期控制策略的延时时间，所以在系统运行期间不会立刻向相关设备发出将滤波器切除的控制指令。

　　六、特高压直流输电工程的注意事项

　　目前，特高压直流输电技术在国内取得广泛应用，地方电力保障得到显著提升，其发展前景较为广阔；但是，该技术的应用依然需要相关部门保持较高的重视程度，一旦出现操作极易影响不仅影响地方供电，还会对员工安全构成威胁。首先，要加强特高压直流输电系统交流过电压控制的监管力度，保证员工均能严格按照规章制度、技术标准规范应用交流过电压控制操作，并组建相应的监管部门，结合各环节管理需要做好对监管措施的创新，以不定期的抽查措施深入了解特高压直流输电系统运行状况，从而有效规避送电问题的发生。在此阶段，一旦出现违规操作，需要根据管理制度全面落实各项处理措施，从而促使员工不断规范工作行为，保障电力输送的稳定性[5]。其次，要加大运维力度。特高压直流输电系统涉及多个地区，所以难免会在运行期间出现问题，而这在一定程度上就会影响供电效率。在开展运维管理工作时，相关部门要加大对员工专业能力的培训力度，不断提升员工专业水平，确保员工能够详细记录运维工作开展状况，若系统出现运行问题，还要及时汇报给技术人员，以此有效提升系统故障的处理效率。最后，要强化反思、总结，在交流过电压控制动作中，需要加大对日常运维数据的收集力度，深入挖掘数据信息的潜在价值，在充分掌握系统运行情况的基础上，为后续系统优化夯实基础。

　　结语

　　综上所述，在社会高速发展下，电力供应受到社会广泛关注，其稳定性、安全性在一定程度上会对地方经济建设带来较大的影响；所以，相关部门有必要提升对特高压直流输电系统的重视程度，不断强化对此方面的管控工作，从而有效规避异常现象的发生。对此，在特高压直流输电系统运行期间，应当进一步强化对无功功率控制功能的分析，明确交流过电压控制功能的重要作用；同时，在规范运用仿真软件的情况下，结合实际应用情境模拟交流过电压控制功能的实际作用，充分展现了在换流站中交流过电压控制功能对交流母线过电压的有效控制作用，能够严格按照直流运行系统的实际状况准确做好对切除逻辑的选择，以此确保交流母线电压始终处于稳定状态，从而最大限度降低交流系统运行期间对直流系统造成的不良影响，这对未来电力工程相关维修以及管理工作的落实提供了有力支持。

　　参考文献：

　　[1] 崔新岳.特高压直流输电频率控制功能分析及优化[J].宁夏电力,2023(S1):38-42+60.

　　[2] 杨韦国,周纲.±800 kV多端特高压直流系统的建模与模拟[J].无线互联科技,2023,20(23):146-148.

　　[3] 贾轩涛,熊飞,张玉铎.某特高压直流输电工程直流电压异常分析及解决措施[J].电气技术,2023,24(11):65-70.

　　[4] 李博洋.±800 kV特高压直流输电系统过电压仿真分析[J].江西电力,2021,45(10):1-5+9.

　　[5] 袁也,严海健,林诗焜.普侨特高压直流输电系统无功控制策略研究[J].电工技术,2021(09):163-169+173.

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