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1、天广直流系统无功功率控制 摘要：本文对天广直流系统中站内无功功率的控制进行了简要的分析，包括无功功率的需求计算、稳态条件下的无功功率控制、暂态条件下的无功功率控制、低负荷下的无功功率控制。对站内小组交流滤波器的控制、无功功率的检测、小组交流滤波器的投切频率控制也进行了简要的阐述。最后重点对天广直流并联电容器频繁损坏机理及改进措施探讨。 关键字：无功功率；并联电容器 0 概述 无功功率控制是与站相关的控制，因此属于直流站控，220kV 交流母线电压与无功功率水平受以下几个因素的影响： 与母线连接的交流滤波器，C 型滤波器 换流器消耗的无功功率 换流站与交流系统交换的无功功率以及电压的运行范围可以
2、由运行人员输入的参考值确定。 无功功率控制最重要的组成部分为小组交流滤波器的投切控制。小组交流滤波器的投切由直流站控，投切的优先级别： 按照运行人员设定的交流母线电压值投退 按虑除谐波的最优效果来投退 按照设定的整个站的无功消耗功来投退 母线电压只能靠本站的无功补偿设备来维持，谐波可以本站滤除或者其他办法，流入系统的无功功率可以靠调节本站无功和系统的无功潮流来控制。 cos2dCdiollUXUdIE=1 换流站无功控制 1.1 换流站需要的无功功率： tandcQP= 其中 ( /180) sin( ) cos(2 )tansin( ) sin(2 )uu u +=+arccos2dCddi
3、o llUXIuU E= 1.2 稳态条件下的无功功率控制 天广直流系统是设计在最小以及最大功率传输条件下都能确保损耗的功率很小。为了达到额定负荷，分接头调节运行在定角度模式，当过负荷时，分接头运行在定电压模式。 1.3 低负荷下的无功功率控制 在低负荷条件下，为了增加换流器的无功功率消耗，需要增大触发角运行，这也取决于交流系统的无功消耗能力。为了减少流入交流系统的无功功率，运行人员有两种选择。一方面可以选择一个预先定义的 Udc 特性或者手动降低直流参考电压，或者调节预先定义的直流电压特性。这样增加无功的消耗可以防止过多的无功功率流入交流系统。 2 滤波器控制 2.1 小组滤波器的投退控制
4、小组滤波器的投退级别，从高到底的级别为： A 型滤波器，双调谐，12/24 次谐波 B 型滤波器，双调谐，3/36 次谐波 C 型滤波器，单调谐，36 、48 次 换流器解锁时最少滤波器的投入组数为 1A 型加上 1B 型，再次投入 1 组 B 型，再次投入一组 A型，若所有的 A、B 型小组滤波器投入完毕，则投入 C 型电容器。若某组滤波器不可用，则按照 B型、A 型、C 型滤波器的顺序替代。 2.2 小组滤波器的状态监视 无功控制功能可以监视小组滤波器的状态。若小组滤波器没有按照虑除谐波的要求来配置，则SER 将会发“RPC AUTO ON REQUEST BY HARMONIC PERF
5、 ”这可能是由以下几种情况引起的： 小组滤波器被手动退出 交流电压参考值被修改。 (在这种情况下不需要按谐波需要投入滤波器，因为按电压投入滤波器的需要级别高于按谐波需要投入滤波器) 当系统运行在少于需要的滤波器组数时是不允许的，因为此时运行的滤波器处于过负荷状态，并且谐波将对网络产生影响。在延时 2 秒以后将向极控请求降低电流到与投入滤波器相匹配的值。控制系统将投入其他的滤波器，当延时时间到时，将根据实际投入的滤波器数限制电流到相应值。 3 无功功率检测环节 3.1 无功功率及交流电压的测量 小组交流滤波器的无功功率的测量直接用 CT/PT 来计算。小组交流滤波器的电流输入为 CT-T3，电压
6、输入为 PTT5 。测量环节如图 1 所示。 每大组滤波器的交流母线电压直接送到直流站控，经过一个 6 相整流，各组母线电压经过一个20ms 的积分时间的模数转换后被记录下来。大组母线中的电压最大值作为进一步控制的信号量。与交流系统交换的总的无功功率通过计算各小组交流滤波器产生的无功功率以及换流器的无功功率之和来得到。当无功功率为正值时表示感性无功，当无功功率为负值时表示容性无功。 3.2 无功功率测量值的检查 若小组无功功率的测量回路中发生故障时，则采用有名值来代替测量值，来计算总的无功功率。若滤波器处于投入状态时，且测量的无功功率值大于额定值的 150或者小于额定值的 50，则说明测量回路
7、有故障，且发出告警信号。如果所有的电压测量通道故障，则交流电压控制以及交流电压限值控制将会转为用交流滤波器小组间隔控制单元的测量值，交流滤波器小组间隔控制单元的测量值通常只是用来作为监视用。 图 1 无功功率测量环节 4 小组滤波器投切控制 4.1 投切频率控制 各小组交流滤波器的投切也受到控制，使各个小组交流滤波器的开关动作的频率接近相等，使各个小组滤波器的电容，电阻以及电感的工作负荷接近一致。对于各小组交流滤波器来言，按照先投先退的原则来进行。 4.2 手动投退小组交流滤波器 所有小组交流滤波器均可以进行手动投切。当小组交流滤波器处于手动控制状态时，可以在无功功率控制模式为手动和自动状态时
8、进行手动投切。 无功控制将显示下一组会根据定义的电压和无功限值自动投切的小组滤波器。但是投切的命令必须由运行人员手动发出。运行人员也可以投切其它的滤波器，但是此时处于非最优滤波器的配置状态。需要注意的是，如果无功控制处于手动控制模式时此时必须投入最少滤波器组数，以防止换流器解锁时会由于无交流滤波器运行而自动闭锁。 运行状态 无功控制模式 小组交流滤波器 控制种类 自动 由无功控制自动投切 解锁 自动控制模式 手动 小组交流滤波器不由无功控制投切 小组交流滤波器不考虑投切频率控制 开关和刀闸可以单独合分 自动 小组交流滤波器不由无功控制投切 小组交流滤波器考虑投切频率控制 开关和刀闸可以单独合分
9、 自动控制 手动 小组交流滤波器不由无功控制投切 小组交流滤波器不考虑投切频率控制 开关和刀闸可以单独合分 其它状态 手动 开关和刀闸可以单独合分 5 小组交流滤波器的投切与换流器的配合 在解锁极时，可用的滤波器小组数将由直流站控进行检测。如果最小交流滤波器组数可用（ 1组 A 型，1 组 B 型）的使能信号将传送给极控允许极解锁。通常在一极顺序操作过程中最小交流滤波器投入。在解锁一极的时候也可以由手动方式事先投入几小组交流滤波器。如果有需要可以再投入额外的交流滤波器。如果手动投入的交流滤波器使电压或者无功限值超出了限制，则会自动退出多余的交流滤波器。极控发出解锁信号到极控，例如直流电流上升到
10、门槛值超过零时，这时发出触发信号投入一组 A 型及一组 B 型小组滤波器。如果一组滤波器因为故障没有投入，下一组可用的滤波器会自动投上。当换流器达到解锁稳态后 500ms 后最小滤波器配置完成。如果一极跳闸，根据无功和电压限制值将会退出交流滤波器，这样将会最大程度地减小电压波动。 6 天广直流并联电容器频繁损坏机理及改进措施探讨 6.1 天广直流并联电容器配置及运行情况 天广直流输电工程额定输送能力电容器，3 小组为并联补偿电容器），广州换流站配置了 11 小组额定容量为 80MVar 的交流滤波器（其中 7 小组为 1800MW，额定参数运行时，天生桥换流站消耗的无功功率约为 720MVar
11、,广州换流站消耗的无功功率约为 900MVar，降压运行时，系统将消耗更多的无功功率。为此，天生桥换流站配置了 9 小组额定容量为 80MVar 的交流滤波器（其中 6 小组为滤波滤波电容器， 4 小组为并联补偿电容器）。如果交流滤波器不能提供足够的无功，直流系统将限负荷运行。两站的滤波电容器采用芬兰 NOKIA 公司的原装进口产品，并联补偿电容器采用国内某厂产品。天广直流并联电容器组采用 H 型结构，额定电压 220kV ，每相额定电容值为 6.01F ，每个桥臂 3 并 24 串 72 只电容器，每相 144 只电容器，单个电容器额定电压为 6.28kV，额定输出为298kVar，额定电流
12、为 47.45A，额定电容为 24.06 F。在 2 个桥臂的中间点配置有不平衡 CT 用于检测正常运行时的不平衡电流，并记录桥臂内电容器损坏时引发的不平衡电流突变的次数，必要时作用于告警或跳闸。根据天广直流系统设计要求，并联电容器组晚于滤波电容器组投入，并先于滤波电容器组退出。自 2000 年 12 月天广直流投运以来，天广直流并联电容器运行状况很差，频繁损坏，至今两站累计损坏逾 130 只，占全部安装总数的 3.76。 6.2 天广直流并联电容器配损坏原因 1）电容器元件承受电压偏高，电极结构设计不合理 天广直流工程并联电容器组单个电容器的额定电压为 6.28kV，内部结构为 20 并 3
13、 串，因此单个电容元件的额定电压为 2.093kV。对于全膜结构的电容器，制造厂通常会将元件额定电压控制在1.7kV 以下。并且该电容器采用的是隐极式引线片结构，而非常规的铝箔折边和外凸结构。由于引线片的存在将会使元件内部的场强发生畸变，元件电压一般不宜过高，否则这种结构无法通过耐久性试验。尤其是对于全膜电容器，设计场强高，更不适宜采用引线片结构。根据国内某知名电容器厂的试验结果，对全膜电容器而言，即使元件电压不超过 1.8kV，引线片结构也无法通过耐久性试验。 2）内熔丝结构及规格选择不合理，极容易发生熔丝群爆。天广直流并联电容器内熔丝绕制在一张有 7 个卡口厚度为 0.5 mm 的纸板上，
14、共 6 圈，直径为0.37mm ，长 150 mm，整体安装于每个电容元件的端部。这种结构复杂的敞开式内熔丝结构，上限隔离效果很差，残压很低，遮断能力差，各熔丝间的影响很大，极易发生融丝群爆现象。根据模拟试验结果，一个电容元件损坏常会导致 710 根熔丝的熔断。这意味着只要有元件击穿，就极有可能产生群爆，导致整台电容器故障退出。 3）内放电电阻设计不合理。天广直流并联电容器内放电电阻安装于出线端子之间，而不是常规的安装于每并联段的两端，不能有效释放内熔丝动作产生的直流电压分量。而且由于内熔丝设计上的不合理，直流电压分量会很高，使电容器运行条件恶化，引起绝缘老化。另一方面，由于内放电电阻没有安装
15、在每个并联段的两端，不利于抑制内熔丝的断口熄弧，间接加剧了内熔丝的群爆。 4）液体介质选用不当。天广直流并联电容器的浸渍剂为二芳基乙烷（PXE ） ，而不是常用的苄基甲苯（C101 ）。用 PXE 浸渍剂生产的全膜电容器，局部放电起始电压和熄灭电压比 C101 浸渍的电容器低 25。又由于天广直流并联电容器的电容元件的额定电压已经偏高，性能不佳的液体介质进一步降低电容元件的耐压水平和抗老化能力，引起电容器频繁故障。 5）制造工艺不佳。天广直流并联电容器的箱体采用铁磁材料制作，并用普通的电弧焊焊接，而非常用的不锈钢板加高频氩弧焊，容易发生箱体渗漏现象。另外，天广直流并联电容器套管与器身、接线柱的
16、连接全部采用铅锡焊。此焊接方式的稳定性较差，受工人的技术水平和工作态度的影响很大，并且焊缝的强度不够，在受到较大外力作用时容易产生细小裂缝，引起渗漏。根据广州换流站现场运行情况统计，因箱体渗漏而退出运行的电容器共 13 台，约占故障总台数的 16.05；因套管焊接部位渗漏而退出运行的电容器共 20 台，约占故障总台数的 24.69。 6.3 建议采取的改进措施 根据上述的分析结果，设计参数选取不当，耐受过电压和涌流冲击能力较低是引发天广直流并联电容器频繁故障的主要原因。因此可以采取下述措施进行改进： 1 增加串联段。在天广直流并联电容器原来 24 个串联段的基础上增加 12 个串联段，使单台电容器承受的运行电压降低，弥补原电容器组场强裕度不够的缺陷。该措施容易实施，但会改变小组滤波器的电容量，从而改变额定无功输出容量及调谐特性。 2 加装过电压阻尼装置。在天广直流并联电容器组的串联电抗器的两端并联过电压阻尼装
