畢業(yè)論文-特高壓直流接入交流750kV無(wú)功平衡方案研究

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第頁(yè)引言選題背景和意義 我國(guó)負(fù)荷和能源分配非常不均衡，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速地增長(zhǎng)也加速了用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，因此根據(jù)我國(guó)的國(guó)情需要發(fā)展和研究特高壓輸電技術(shù)，這對(duì)建設(shè)特高壓電網(wǎng)具有歷史性的經(jīng)濟(jì)意義和技術(shù)創(chuàng)新意義[1]。 特高壓直流輸電擁有輸送距離遠(yuǎn)、輸送容量大、運(yùn)行損耗低的送電特點(diǎn)，且調(diào)節(jié)方式靈活，能有效提高資源的利用率，減輕環(huán)境壓力，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，符合我國(guó)的國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略，得到了黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人及政府主管部門(mén)的高度重視和支持[2]。 特高壓直流輸電技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代。瑞典查爾姆斯大學(xué)于1996年開(kāi)始研究±750kV導(dǎo)線(xiàn)。此后蘇聯(lián)、巴西等國(guó)家也先后開(kāi)展了特高壓直流輸電的研究工作。20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)曾動(dòng)工建設(shè)哈薩克斯坦-中俄羅斯的長(zhǎng)距離直流輸電工程，輸送距離為2400km，電壓等級(jí)為±750kV，輸電容量為6GW。后來(lái)由巴西和巴拉圭兩國(guó)共同開(kāi)發(fā)的伊泰普工程采用了±600kV直流和765kV交流的超高壓輸電技術(shù)，1990竣工運(yùn)行正常[2，3]。 在特高壓直流輸電系統(tǒng)中換流站的運(yùn)行需要消耗大量的無(wú)功功率，且消耗的無(wú)功功率與輸送的功率容量有關(guān)。在一般情況下，整流站通常要消耗的無(wú)功功率占輸送功率的40%～50%，逆變站的無(wú)功功率消耗則占到50%～60%。 以額定容量為6.4GW的±800kV的UHVDC系統(tǒng)為例，逆變站和整流站分別需要補(bǔ)配3500～4600Mvar和3200～4600Mvar的無(wú)功，無(wú)功補(bǔ)償需求巨大。為了確保換流站中換流設(shè)備的穩(wěn)定與安全運(yùn)行，必需確保無(wú)功功率的供需平衡，因?yàn)闊o(wú)功功率的不足或者剩余都將可能導(dǎo)致交流端電壓的失穩(wěn)，在嚴(yán)重的情況下更可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)輸電系統(tǒng)的崩潰。因此確保換流設(shè)備所需要的無(wú)功功率，研究無(wú)功功率平衡的無(wú)功功率控制，對(duì)特高壓直流輸電發(fā)展有著重要的意義。換流站中，無(wú)功平衡涉及到設(shè)備控制、運(yùn)行以及安全性經(jīng)濟(jì)性和可靠性等因素[4]。 關(guān)于無(wú)功平衡和無(wú)功補(bǔ)償?shù)难芯?，不僅需要提出無(wú)功補(bǔ)償?shù)木唧w方案，還應(yīng)舉證說(shuō)明所提供的無(wú)功補(bǔ)償裝置在系統(tǒng)規(guī)定的條件下，在輸送范圍內(nèi)滿(mǎn)足任意功率水平的無(wú)功功率需求，同時(shí)給出兩側(cè)換流站無(wú)功功率自動(dòng)控制和過(guò)電壓控制的控制原則，無(wú)功功率自動(dòng)控制給出最佳控制方式。 本文以高壓直流輸電及其無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)典理論為基礎(chǔ)，開(kāi)展特高壓直流輸電無(wú)功補(bǔ)償及其控制策略的研究，以期對(duì)我國(guó)特高壓直流接入750kV交流電網(wǎng)無(wú)功平衡技術(shù)研究以及同類(lèi)型其他直流輸電的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)以及無(wú)功控制方案的確定提出有價(jià)值的建議。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外針對(duì)特高壓直流輸電的研究現(xiàn)狀 從20世紀(jì)60年代末，美、蘇、南非、巴西、加拿大等國(guó)考慮到超遠(yuǎn)距離輸電、特大容量的需求，在研究特高壓交流輸電系統(tǒng)的同時(shí)，也積極開(kāi)展了了特高壓直流輸電的研究工作。IEEE、CIGRE、巴西的CEPEL、美國(guó)的EPRI、加拿大IREQ、瑞典的ABB等制造廠(chǎng)商和科研機(jī)構(gòu)，在特高壓直流輸電系統(tǒng)分析、絕緣特性研究和工程可行性研究、環(huán)境影響研究、關(guān)鍵技術(shù)研究等方面獲得了豐碩的成果，其中主要結(jié)論有： 在1400到3000km的輸送距離傳輸大量的電能，從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等方面考慮，高于±660kV的特高壓直流是最佳的輸電方式。 ±800kV直流輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行在技術(shù)上完全可行的，但是應(yīng)該開(kāi)展一些工程研究以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[5]。 基于目前的技術(shù)及可遇見(jiàn)的發(fā)展，±1000kV的高壓直流輸電系統(tǒng)在理論上可行的，但是仍必須進(jìn)行大量的研究和開(kāi)發(fā)工作。 目前來(lái)看，發(fā)展±1200kV直流輸電系統(tǒng)是不切合實(shí)際的，即便將后來(lái)通過(guò)大量的深入細(xì)致的研究工作會(huì)有更好的設(shè)計(jì)，但是仍然需要有重大的技術(shù)突破，才有可能進(jìn)行較為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)，前景將難以預(yù)測(cè)。 以上說(shuō)明，±800kV特高壓直流輸電技術(shù)已經(jīng)具備較成熟的工程應(yīng)用的基本條件，目前可制造出±800kV直流所需要的所有設(shè)備，±800kV直流輸電技術(shù)已被許多工程應(yīng)用驗(yàn)證，是完全可行的。 中國(guó)的直流輸電研究起步并不早，在20世紀(jì)60年代，國(guó)內(nèi)運(yùn)行和制造部門(mén)就開(kāi)始了對(duì)直流輸電的試驗(yàn)室研究，在1974年西安的一所高壓電器研究所建成了一個(gè)200A、8.5kV、1.7MW、試驗(yàn)站采用的是6脈沖換流器的背靠背換流的運(yùn)行方式。1987年全部采用國(guó)內(nèi)技術(shù)的舟山直流輸電工程投入運(yùn)行，從此直流輸電開(kāi)始在我國(guó)得到了應(yīng)用和發(fā)展。從2003年8月開(kāi)始,南方電網(wǎng)公司就組織并開(kāi)展了±800kV特高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用研究,部分研究成果已達(dá)到了國(guó)際的領(lǐng)先水平。2006年8月10日,特高壓直流試驗(yàn)基地成功奠基,該試驗(yàn)基地由國(guó)家電網(wǎng)組織、中國(guó)電科院承擔(dān);2007年5月,北京特高壓直流試驗(yàn)基地投入使用。2008年,西藏高海拔直流試驗(yàn)基地建成。2009年,國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)±800千伏向家壩—上海特高壓直流線(xiàn)路工程開(kāi)展了如火如荼的建設(shè)。到2010年,國(guó)家電網(wǎng)將進(jìn)一步推進(jìn)向家壩—上海特高壓直流輸電示范工程,錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程建設(shè)[5]。國(guó)內(nèi)針對(duì)換流站無(wú)功補(bǔ)償和控制的研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)對(duì)±500kV的超高壓直流輸電工程的實(shí)際應(yīng)用和研究較為成熟，已有大量的工程實(shí)例作為技術(shù)支撐。 文獻(xiàn)[3]討論了換流站無(wú)功補(bǔ)償和交流側(cè)濾波在換流站側(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了其優(yōu)先級(jí)、無(wú)功補(bǔ)償?shù)牟呗缘确矫?，并提出自己?duì)未來(lái)?yè)Q流站無(wú)功補(bǔ)償與交流側(cè)濾波的設(shè)想。 文獻(xiàn)[6]以哈密–鄭州±800kV直流輸電工程為例，按相應(yīng)的計(jì)算原則計(jì)算了不同運(yùn)行方式下的換流站無(wú)功消耗，研究了兩端換流站的無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘亢托〗M容量要求，在此基礎(chǔ)上提出了換流站的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備配置方案。 文獻(xiàn)[7]根據(jù)直流換流站無(wú)功補(bǔ)償?shù)奶匦?結(jié)合兩端交流系統(tǒng),對(duì)換流站的無(wú)功功率平衡及補(bǔ)償方式進(jìn)行了研究,分析了換流站的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備總?cè)萘考昂头纸M配置方案,歸納了同塔雙回直流無(wú)功控制系統(tǒng)所面臨的主要問(wèn)題,并提出了相應(yīng)的解決方案。本文主要內(nèi)容 本文采用超高壓直流輸電工程中的經(jīng)典無(wú)功理論，結(jié)合酒泉-湖南±800kV特高壓直流輸電工程，對(duì)特高壓直流接入750kV交流電網(wǎng)無(wú)功平衡，無(wú)功補(bǔ)償及無(wú)功控制進(jìn)行了研究分析，提出了兩種解決方案，一種是直接研發(fā)750kV電壓等級(jí)下的新設(shè)備，這里涉及到電容的均壓、均流問(wèn)題；另一種方案是在原有的500kV基礎(chǔ)上，采用變壓器作為過(guò)渡連接設(shè)備，但涉及到變壓器容量制造尺寸和運(yùn)輸問(wèn)題。文章主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）在分析討論特高壓直流輸電系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)每極2組12脈動(dòng)換流器串聯(lián)運(yùn)行方式的特高壓直流輸電換流器的無(wú)功消耗的計(jì)算公式進(jìn)行了整理歸納。不但包含經(jīng)典的理論計(jì)算公式，還包括了適合于實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算公式；（2）根據(jù)特高壓直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型，按照換流站無(wú)功功率消耗理論計(jì)算了不同的運(yùn)行方式下?lián)Q流站消耗的無(wú)功功率；（3）滿(mǎn)足無(wú)功功率平衡要求的無(wú)功補(bǔ)償裝置分組配置；（4）基于諧波濾波和無(wú)功功率調(diào)節(jié)要求的無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切順序；

UHVDC系統(tǒng)工作原理與換流站無(wú)功理論UHVDC系統(tǒng)工作原理 多個(gè)晶閘管元件組成了一個(gè)閥（也稱(chēng)為橋臂），閥又構(gòu)成閥組，單個(gè)或多個(gè)閥組又構(gòu)成一個(gè)換流器，兩個(gè)6脈動(dòng)的換流器構(gòu)成了一個(gè)12脈動(dòng)的換流器，換流器和換流變壓器、直流濾波器、無(wú)功補(bǔ)償裝置和平波電抗器構(gòu)成換流站，換流站和直流輸電線(xiàn)路、接地極、直流控制系統(tǒng)、直流保護(hù)系統(tǒng)、直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成了特高壓直流輸電系統(tǒng)[8]。簡(jiǎn)單的直流輸電系統(tǒng)原理接線(xiàn)圖如下。++800kVDC500kVAC400kV400kV-800kVDC500kVAC400kV400kV圖2-1特高壓直流輸電系統(tǒng)原理接線(xiàn)圖換流器工作原理（1）6脈動(dòng)換流器 我們知道，換流閥的基本元件是晶閘管，而晶閘管的特點(diǎn)是只有在陽(yáng)極對(duì)陰極電壓為正，且控制級(jí)對(duì)陰極加以足夠能量的正向觸發(fā)脈沖時(shí)才能導(dǎo)通。6脈動(dòng)換流器的工作原理即在一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)換流閥相繼開(kāi)通和關(guān)斷，換流器在任何時(shí)刻總是有兩個(gè)閥組導(dǎo)通，每個(gè)閥組導(dǎo)通1/3個(gè)周期，三相交流電動(dòng)勢(shì)經(jīng)整理變成每周期有6個(gè)脈動(dòng)的直流電壓，因此稱(chēng)為6脈動(dòng)整流器。（2）12脈動(dòng)換流器 12脈動(dòng)換流器由直流側(cè)的兩個(gè)6脈動(dòng)換流器串聯(lián)組成，換流變壓器閥側(cè)的繞組一個(gè)為星形接線(xiàn)，而另一個(gè)為三角形接線(xiàn)，從而使兩6脈動(dòng)換流器的電壓在相位上相差30°。 12脈動(dòng)換流器一共由12個(gè)換流閥組成，每個(gè)周期內(nèi)12個(gè)換流閥將輪流導(dǎo)通，它由12個(gè)與系統(tǒng)同步的脈沖觸發(fā)，脈沖間距為30°。換流站無(wú)功理論換流器消耗無(wú)功功率分析 特高壓系統(tǒng)中，換流器不管是哪種運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)論整流還是逆變，都必須由交流系統(tǒng)提供大量的無(wú)功功率，也就是說(shuō)，換流器是在交流系統(tǒng)中是作為一種無(wú)功負(fù)荷存在的。由換流器知識(shí)可知，換流器的無(wú)功消耗可表示為 （2.1）其中 （2.2） （2.3）式中， 為整流器的理想直流空載電壓，kV，；P為整流器直流側(cè)功率，MW；為整流器消耗的無(wú)功，Mvar；為每相的換相電抗，Ω；?為整流器的功率因數(shù)角，°；μ為換相角，°；為直流運(yùn)行電流，kA；為極直流電壓，kV；α為整流器觸發(fā)角，°；為換流變壓器閥側(cè)繞組空載線(xiàn)電壓的有效值，kV；當(dāng)作為逆變器運(yùn)行時(shí)，上式中的α用γ代替，γ為逆變側(cè)熄弧角，°。 由上可看出，換流器消耗的無(wú)功功率不僅和有功功率有關(guān)，還與很多其他因素相關(guān)，其中最直接的便是觸發(fā)角α和熄弧角γ。 在本節(jié)中將重點(diǎn)結(jié)合實(shí)際的特高壓直流輸電工程，著重分析換流器的無(wú)功功率運(yùn)行軌跡。換流器無(wú)功功率運(yùn)行軌跡是換流器消耗的無(wú)功功率隨著換流器功率變化的曲線(xiàn)。在不同運(yùn)行方式下無(wú)功功率軌跡也不同，即定電壓控制、定觸發(fā)角控制、定電流控制和定熄弧角控制時(shí)的無(wú)功功跡也不盡相同。圖2-1各種運(yùn)行方式下無(wú)功軌跡 圖2-1所示為理論上幾種可能的換流器無(wú)功功率軌跡。這些軌跡表明，換流器吸收的無(wú)功可以相差甚遠(yuǎn)，這對(duì)提高換流器在無(wú)功電壓控制的利用給出了理論上的依據(jù)[9]。 另外，我們實(shí)際使用無(wú)功功率軌跡的時(shí)候不僅要考慮到實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備的額定值的限制，還要分析換流變壓器在絕緣配合的限制下的最大空載運(yùn)行電壓，及換流變壓器分接頭的限制下，可能取得的最小空載運(yùn)行電壓；另一方面，一旦參變量改變，例如換流變壓器分接頭的改變和交流母線(xiàn)電壓的變化等都會(huì)影響我們無(wú)功功率軌跡的使用。 實(shí)際工程中，人們利用換流器的無(wú)功功率軌跡主要有兩個(gè)方面。一方面，在正常運(yùn)行的區(qū)域，特別是換流功率與額定直流功率相近的區(qū)域，通常要采用各種各樣可能的控制方案，盡量讓換流器的無(wú)功消耗最小。而對(duì)逆變器，則采用的是定熄弧角控制方式，這無(wú)疑可以最容易達(dá)到目的。而當(dāng)采用定整流側(cè)直流電壓的時(shí)候，通常需要與換流變壓器分接頭控制合理配合，而且為了既確保整流器不會(huì)輕易地失去定電流控制的能力，又能盡量的減少消耗的無(wú)功，一般要配備換流變壓器分接頭控制，讓整流器的觸發(fā)角盡可能的小[10]。 另外，當(dāng)換流器運(yùn)行功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定功率時(shí)，考慮到濾波器的配置，需要投入若干的濾波器，這時(shí)換流站的無(wú)功過(guò)剩，因此需要換流器吸收更多無(wú)功；又或者系統(tǒng)為弱交流系統(tǒng)時(shí)，對(duì)換流器的不平衡無(wú)功非常敏感時(shí)，就要用換流器控制無(wú)功功率。這時(shí)候主要的限制因素常常是最大觸發(fā)角。

無(wú)功補(bǔ)償裝置及與濾波器的配合無(wú)功補(bǔ)償裝置的類(lèi)型（1）并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置 并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備為目前特高壓直流輸電工程中換流站主要無(wú)功平衡設(shè)備，其類(lèi)型的選擇主要決定于系統(tǒng)強(qiáng)度。一般當(dāng)短路比大于5時(shí)，可只考慮電容器和電抗器，出于濾波要求的考慮，最小濾波電容容量約占換流容量的30%左右；當(dāng)短路比為3—5時(shí)，可能會(huì)涉及電壓穩(wěn)定性問(wèn)題，需考慮采用具有電壓控制能力的靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備；當(dāng)短路比小于3時(shí)，交流系統(tǒng)較弱，除采用常規(guī)的換流技術(shù)外，還需考慮裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)等[11]。1）并聯(lián)電容器及濾波器 傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制的主要手段是設(shè)置并聯(lián)電容器和交流濾波器，通常將并聯(lián)電容器及交流濾波器接于網(wǎng)側(cè)交流母線(xiàn)上。交流濾波器電容可提供基波無(wú)功補(bǔ)償，容量占換流站無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘康?0%左右。并聯(lián)電容器運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，運(yùn)行費(fèi)用低。交流濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可以濾除諧波，又可以補(bǔ)償無(wú)功功率，穩(wěn)態(tài)性能好；主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，可能發(fā)生并聯(lián)諧振。并聯(lián)電容及交流濾波器在投切時(shí)無(wú)功功率呈階躍變化，不能連續(xù)調(diào)節(jié)，一旦直流系統(tǒng)遭受擾動(dòng)，難以對(duì)變化的無(wú)功功率進(jìn)行有效的補(bǔ)償。而且當(dāng)換流站交流母線(xiàn)的電壓降低時(shí)，換流站為為維持電壓穩(wěn)定使得需要的無(wú)功功率增加，然而電容器提供的無(wú)功與電壓的平方成正比，電壓下降時(shí)電容提供的無(wú)功也成比例降低，這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定是不利的。在某些弱交流系統(tǒng)中，無(wú)功對(duì)電壓的波動(dòng)是非常敏感的，在某些情況下，這種方式的惡性循環(huán)將會(huì)導(dǎo)致電壓失穩(wěn)[12]。 2）同步調(diào)相機(jī) 同步調(diào)相機(jī)是傳統(tǒng)的無(wú)功功補(bǔ)裝置，是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)提供無(wú)功的同步電機(jī)。，在欠勵(lì)磁或過(guò)勵(lì)磁的情況下，它既可以發(fā)出無(wú)功又可以吸收無(wú)功，能對(duì)無(wú)功及電壓進(jìn)行平滑的調(diào)節(jié)。它的無(wú)功輸出可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流而連續(xù)變化，欠勵(lì)磁時(shí)類(lèi)似于電感器，從交流系統(tǒng)吸收無(wú)功；在過(guò)勵(lì)磁情況下，作用類(lèi)似于電容器，向系統(tǒng)注入無(wú)功。該方式不僅增加了交流電網(wǎng)的短路容量，進(jìn)而提高系統(tǒng)的短路比，有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，尤其是對(duì)弱交流系統(tǒng)。然而由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，損耗和噪聲都較大，可靠性不如靜止設(shè)備。（2）串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置1）電容換相換流器CCC 采用CCC后，不再需要并聯(lián)電容器組，大量的無(wú)功補(bǔ)償任務(wù)由它來(lái)承擔(dān)，交流濾波器提供的無(wú)功只用來(lái)補(bǔ)償CCC滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的無(wú)功缺額，所需濾波器容量較?。煌瑫r(shí)該裝置為主閥提供了一個(gè)強(qiáng)迫換相設(shè)備，有助于防止換相失敗的發(fā)生;CCC改進(jìn)了電力系統(tǒng)抗干擾能力，在交流電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾的時(shí)候，直流系統(tǒng)仍有足夠的裕度保持安全穩(wěn)定運(yùn)行，起到隔離故障的作用；根據(jù)系統(tǒng)電流變化自動(dòng)調(diào)整無(wú)功補(bǔ)償量，補(bǔ)償效果好，大大提高了換流器動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；對(duì)于弱交流系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)運(yùn)行更穩(wěn)定，直流側(cè)發(fā)生線(xiàn)路故障或閥短路故障及三相交流故障時(shí)，CCC的故障恢復(fù)特性方面就要比一般的換流器好的多，這有利于提升閥成功換相的能力，更利于甩負(fù)荷過(guò)電壓的降低，它在整流設(shè)備中的閥短路過(guò)電流也比一般的換流器的小。然而CCC的缺點(diǎn)包括：為了運(yùn)行在超前功率因數(shù)下和完全消除換向失敗，需要串聯(lián)大量的電容，這樣會(huì)增大諧波；在不對(duì)稱(chēng)故障中，其系統(tǒng)的恢復(fù)特性沒(méi)有傳統(tǒng)換流器系統(tǒng)好，不能像自然換相的換流器那樣有可能恢復(fù)正常運(yùn)行。 2）晶閘管控制串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)TCSC若串聯(lián)電容裝設(shè)在交流系統(tǒng)與換流變壓器之間時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生鐵磁振蕩，為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，需改進(jìn)CCC的結(jié)構(gòu)，而采用晶閘管控制串聯(lián)電容器TCSC。TCSC由電容器與晶閘管控制電抗器TCR并聯(lián)組成，實(shí)際應(yīng)用中需要將多個(gè)TCSC單元級(jí)聯(lián)起來(lái)構(gòu)成一個(gè)所需容量的TCSC裝置。TCSC的基本思路是用TCR去部分抵消串聯(lián)電容的容抗值以獲得連續(xù)可控的感性和容性阻抗。TCSC的穩(wěn)態(tài)基波阻抗可看作是由一個(gè)不變的容性阻抗XC和一個(gè)可變的感性阻抗XL并聯(lián)組成的，通過(guò)控制觸發(fā)延遲角調(diào)節(jié)串聯(lián)補(bǔ)償阻抗。其優(yōu)點(diǎn)包括:可快速、連續(xù)地調(diào)節(jié)線(xiàn)路串聯(lián)補(bǔ)償度；動(dòng)態(tài)控制輸電線(xiàn)路潮流，優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布，降低網(wǎng)損；提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性；有助于調(diào)節(jié)母線(xiàn)電壓，緩解電壓不穩(wěn)定問(wèn)題；可以轉(zhuǎn)入可控感性模式，降低線(xiàn)路短路電流。缺點(diǎn)則是TCSC的TCR支路電流包含大量的諧波成分，從而在電容電壓中產(chǎn)生諧波分量，需專(zhuān)門(mén)裝設(shè)濾波器。靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置 作為傳統(tǒng)并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)充，靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC和靜止同步補(bǔ)償器STATCOM應(yīng)用于換流站無(wú)功補(bǔ)償中對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)跟蹤。靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC 應(yīng)用于換流站無(wú)功補(bǔ)償?shù)腟VC裝置可由晶閘管控制電抗器TCR與固定電容器FC、機(jī)械投切式電容器MFC或晶閘管投切式電容器TSC并聯(lián)構(gòu)成。根據(jù)投切電容器的元件不同，可分為T(mén)CR+FC型、TCR+MFC型和TCR+TSC型三種。晶閘管控制電抗器TCR由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器串聯(lián)組成，其作用類(lèi)似一個(gè)可變電納，通過(guò)調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變電納值。通過(guò)適當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)電容器的投切和電抗器的控制，輸出無(wú)功功率可以在容性和感性之間快速、連續(xù)地變化，達(dá)到調(diào)整無(wú)功出力的效果。上述三類(lèi)的SVC均可對(duì)三相不平衡負(fù)載進(jìn)行分相補(bǔ)償，但這種方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無(wú)功功率時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波，需要額外加濾波器來(lái)濾除。而且SVC運(yùn)行時(shí)電容和電感的一部分容量相互抵消，因而并不經(jīng)濟(jì)，且電容分組的不連續(xù)投切也會(huì)影響調(diào)節(jié)的平滑性。靜止同步補(bǔ)償器STATCOM STATCOM是利用全控型電力電子元件的新型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，可補(bǔ)償換流站無(wú)功需求的10%—20%，其余80%—90%仍需通過(guò)傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償。STATCOM可平滑無(wú)功出力，還可增強(qiáng)輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)傳輸能力，是靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。STATCOM用緊湊的電子變流器代替了無(wú)源電路元件，占地面積?。徊捎萌匦推骷癙WM控制等控制方式，增強(qiáng)了控制的靈活性;輸出的無(wú)功電流不受交流母線(xiàn)電壓的影響，表現(xiàn)為恒流源特性，運(yùn)行范圍寬；響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間在10ms以?xún)?nèi)，從額定容性無(wú)功功率變?yōu)轭~定感性無(wú)功功率可在1ms內(nèi)完成，完全可以勝任對(duì)沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償;比SVC有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，對(duì)系統(tǒng)阻抗變化等有更好的適應(yīng)性和魯棒性。然而STATCOM由于需要采用GTO或IGBT、IGCT構(gòu)成，投資成本較高，且由于電力半導(dǎo)體技術(shù)限制，容量比較小，使無(wú)功輸出的可調(diào)范圍受到影響。無(wú)功補(bǔ)償容量的確定 換流站需要在考慮交流系統(tǒng)容性及感性無(wú)功提供能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行換流站的無(wú)功平衡，進(jìn)而確定換流站的無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘俊⒎纸M容量及分組等。容性無(wú)功補(bǔ)償容量 換流站需要裝設(shè)的容性無(wú)功補(bǔ)償裝置總?cè)萘坑?jì)算如下： （3.1） 式中：Qtotal為額定電壓下交流濾波器或并聯(lián)電容器提供的總無(wú)功功率（Mvar）；Qsb為額定電壓下最大單組（小組）交流濾波器或并聯(lián)電容器提供的無(wú)功功率（Mvar）；N為備用無(wú)功補(bǔ)償裝置組數(shù)；Qac為交流系統(tǒng)所能吸收的最大無(wú)功功率（Mvar）；Qdc為換流器最大無(wú)功功率吸收量（Mvar）；U為換流站交流母線(xiàn)設(shè)計(jì)電壓（p.u.）。感性無(wú)功補(bǔ)償容量 換流站感性無(wú)功補(bǔ)償裝置總?cè)萘坑?jì)算如下： （3.2） 式中：Qr為額定電壓下并聯(lián)電抗器吸收的總無(wú)功功率（Mvar）；Qac為交流系統(tǒng)所能吸收的最大無(wú)功功率（Mvar）；Qdc為換流器最大無(wú)功吸收容量（Mvar）；Qfmin為額定電壓下由最小交流濾波器組產(chǎn)生的無(wú)功功率（Mvar）；U為換流站交流母線(xiàn)設(shè)計(jì)電壓（p.u.）。無(wú)功分組容量 特高壓直流輸電的運(yùn)行方式多、功率調(diào)節(jié)快速，因此直流傳輸功率變化很大，通常在額定直流輸送容量的10%~110%范圍內(nèi)變動(dòng)。為適應(yīng)直流功率的改變，同時(shí)滿(mǎn)足換流站交流母線(xiàn)電壓變化的需要，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備必須要實(shí)行分組投切。一般特高壓直流輸電的實(shí)際工程中會(huì)將無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備分成兩個(gè)到四個(gè)無(wú)功大組，每一個(gè)大組包括兩到四組無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，我們稱(chēng)它為無(wú)功小組，且各種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)盡可能均勻地分配到每個(gè)無(wú)功大組之中。 在一定的總無(wú)功補(bǔ)償容量下，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的分組越少，換流站占用的面積就越小，投資也就更小；而無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備分組越多，交流母線(xiàn)側(cè)電壓的變化率也就越大。按照相關(guān)規(guī)定，投切無(wú)功小組時(shí)的電壓變化率一般不超過(guò)1.5%，投切大組時(shí)的電壓變化率一般不超過(guò)5%。根據(jù)換流站交流系統(tǒng)的短路容量可初步估算無(wú)功小組及大組容量。（1）無(wú)功大組容量估算： （3.3）式中：?Q為無(wú)功大組容量（Mvar）；?U為允許的換流站交流母線(xiàn)暫態(tài)電壓變化率（p.u.）；Sd為換流站交流母線(xiàn)短路容量（Mvar）；∑Qf為投切無(wú)功大組后換流站交流母線(xiàn)上總的無(wú)功補(bǔ)償容量（Mvar）；（2）無(wú)功小組容量估算：換流站交流母線(xiàn)的電壓變化率與投切無(wú)功最大小組容量之間的關(guān)系為 （3.4）式中：?Q為最大無(wú)功小組容量（Mvar）；?U為允許的換流站交流母線(xiàn)電壓變化率（p.u.）；Sd為換流站交流母線(xiàn)短路容量（Mvar）。濾波器類(lèi)型交流濾波器 在特高壓直流輸電的實(shí)際工程應(yīng)用中，無(wú)源電力濾波器是最主要的、最廣泛使用的諧波處理措施，它利用電感、電容的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗之路，使相應(yīng)的諧波電流大部分流入濾波支路以達(dá)到治理目的。當(dāng)前，特高壓直流工程中典型的交流濾波器主要有兩種型式：（1）調(diào)諧濾波器或帶通濾波器，它用于濾除一個(gè)或幾個(gè)較低諧波的諧波頻率。(2）阻尼濾波器或高通濾波器，對(duì)較大頻率范圍的諧波提供低阻抗通路，用于濾除高次諧波。在工程上，應(yīng)該考慮設(shè)備制造偏差和環(huán)境溫度等因素對(duì)設(shè)備參數(shù)的影響，因此不僅應(yīng)該考慮調(diào)諧點(diǎn)的阻抗，還應(yīng)該綜合考慮調(diào)諧點(diǎn)附近頻率的阻抗，即濾波器的品質(zhì)因素。對(duì)低次諧波濾波器，還應(yīng)該考慮其基波阻抗，盡可能減小基波損耗，同時(shí)還要結(jié)合占地及濾波器的布置，對(duì)交流濾波系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 在交流濾波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于較低次數(shù)的特征諧波含量較高，宜采用專(zhuān)門(mén)調(diào)諧在特征諧波頻率處的雙調(diào)諧濾波器。由于隨著諧波次數(shù)的增加，諧波含量也隨之下降，可采用高通濾波器濾除高次諧波。如果非特征的低次諧波如3、5次諧波含量超標(biāo)，可以設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的濾波器進(jìn)行濾除，比如HP3。雙調(diào)諧濾波器除串聯(lián)支路器件承受全部沖擊電壓外，還有基頻功率損耗小的優(yōu)點(diǎn)；此外，并聯(lián)電路中的電容容量?jī)H允許按諧波無(wú)功容量設(shè)計(jì)，其值一般較小。故近年來(lái)國(guó)內(nèi)外高壓直流輸電工程中雙調(diào)諧濾波器應(yīng)用較為廣泛。我國(guó)的葛南、天廣和三常等高壓直流輸電工程均采用了雙調(diào)諧濾波器。三調(diào)諧的交流濾波器在國(guó)內(nèi)的一些高壓直流輸電工程也有一定的應(yīng)用，例如，我國(guó)的貴廣第二回高壓直流輸電工程采用了用于抑制12/24/36次諧波的三調(diào)諧直流濾波器，高肇直流輸電工程采用了用于抑制3/24/36次諧波的三調(diào)諧直流濾波器。在一個(gè)站的交流濾波器選型和設(shè)計(jì)中，要盡量避免采用多種不同類(lèi)型、不同容量的濾波器，這樣有利于減少交流濾波器元件種類(lèi)和備用元件的種類(lèi)和數(shù)量。在特高壓直流輸電工程中，常用的交流濾波器包括BP11/13、HP24/36、HP3和HP12/24。直流濾波器 特高壓直流換流器運(yùn)行時(shí)在輸電系統(tǒng)直流側(cè)引起諧波電壓和諧波電流，從而對(duì)直流線(xiàn)路鄰近的通訊設(shè)備產(chǎn)生不良影響，而在直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)安裝直流濾波器可以降低直流諧波，從而降低直流線(xiàn)路對(duì)通訊設(shè)備的電磁干擾。 特高壓直流輸電工程的直流濾波系統(tǒng)主要組成部分包括：（1）直流濾波器 對(duì)于具有架空線(xiàn)路的直流輸電工程通常需裝設(shè)直流濾波器，這是專(zhuān)門(mén)為降低流入直流線(xiàn)路和接地極引線(xiàn)中的諧波成分而裝設(shè)的，其通常采用雙調(diào)諧或三調(diào)諧型式，連接于極母線(xiàn)和中性母線(xiàn)之間。直流濾波器的型式和參數(shù)選擇必須使直流系統(tǒng)在任何正常運(yùn)行方式下的性能要求得到滿(mǎn)足，即對(duì)任意直流輸送方向，從最小功率到額定直流功率的任意直流輸送功率，所設(shè)計(jì)的直流濾波器都要保證直流線(xiàn)路任意位置和兩端接地引線(xiàn)走廊任意點(diǎn)的等效干擾電流值不超標(biāo)。常用的直流濾波器為雙調(diào)諧或三調(diào)諧型式，其結(jié)構(gòu)型式和阻抗頻率特性與交流濾波器相似。（2）平波電抗器 每一換流站的平波電抗器位于換流器和直流濾波器間的直流回路上，通常用來(lái)限制故障情況下電流上升率和保證直流系統(tǒng)在電流較小情況下能正常工作。對(duì)于諧波電流而言，平波電抗器是串接在主電流回路上的一個(gè)大阻抗，對(duì)諧波電流有一定的阻塞和抑制作用。除了參與抑制諧波電流外，平波電抗器還是過(guò)電壓保護(hù)的一部分，可以阻止陡峭的雷電流進(jìn)入換流器，它還可以限制由于換流器短路或直流線(xiàn)路故障導(dǎo)致的放電電流。在特高壓直流輸電系統(tǒng)中，平波電抗器的電感值多為2×75mH。（3）中性母線(xiàn)電容器 中性母線(xiàn)電容器是連接在直流中性母線(xiàn)與換流站接地網(wǎng)之間的電容器組，其作用是為換流變壓器雜散電容入地的諧波電流提供就近的返回中性點(diǎn)低阻抗通道。該電容器除了參與濾波外，還能緩沖接地極引線(xiàn)落雷時(shí)的過(guò)電壓。交、直流濾波器的比較（1）換流站在運(yùn)行時(shí)要吸收大量的無(wú)功功率，而無(wú)功功率主要由并聯(lián)電容器組和交流濾波器組來(lái)提供的。因此在交流濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)無(wú)功的要求在不同組別濾波器組之間進(jìn)行無(wú)功的分配，不僅具有濾波的功能，還有無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊螅绷鳛V波器只是考慮濾波性能的要求，而沒(méi)有無(wú)功容量的設(shè)計(jì)問(wèn)題。（2）交流系統(tǒng)在特定頻率阻抗變化幅度較大，在一些特殊的運(yùn)行方式下，比如線(xiàn)路發(fā)生故障、保護(hù)動(dòng)作、切除故障線(xiàn)路以及設(shè)備檢修時(shí)，可能會(huì)引起交流濾波電容器與系統(tǒng)電感發(fā)生諧振，因此在設(shè)計(jì)時(shí)往往要釆取一定的阻尼措施，以防發(fā)生諧振引起的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。而直流系統(tǒng)阻抗是相對(duì)恒定的，因此不會(huì)出現(xiàn)上述的情況。（3）在交流濾波器中交流電流可以流通，因此內(nèi)部串聯(lián)的電容可以均壓，而直流濾波器電容則起到隔離直流的作用，承受直流高電壓，在實(shí)際工程中由于直流泄漏電阻的存在，會(huì)導(dǎo)致直流電壓的不均勻分布，因此需要在直流濾波器內(nèi)部加裝并聯(lián)均壓電阻。

特高壓直流系統(tǒng)中的無(wú)功功率控制特高壓直流輸電控制系統(tǒng)的基本控制策略 特高壓直流輸電控制系統(tǒng)的基本控制策略與傳統(tǒng)±500kV高壓直流基本相同，整流側(cè)有3種基本控制模式：定電流控制、定電壓控制、最小α角控制，逆變側(cè)有4種基本控制模式：定電流控制、定電壓控制、定熄弧角控制、電流偏差控制（CEC）。 正常運(yùn)行時(shí)，整流側(cè)采用定電流控制模式，逆變側(cè)采用定電壓控制模式。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障換流站電壓降低或升高較多時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)為其他控制模式。直流系統(tǒng)的運(yùn)行特性主要是由助理電流調(diào)節(jié)器、直流電壓調(diào)節(jié)器和熄弧角調(diào)節(jié)器三個(gè)基本控制器完成。采用選擇輸入邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)控制器的協(xié)調(diào)配合。三個(gè)控制器合用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，整流運(yùn)行時(shí)，選取、中的最小值作為調(diào)節(jié)器的輸入；逆變運(yùn)行時(shí)，選擇、和中的最大值作為調(diào)節(jié)器的輸入。通過(guò)共用同一個(gè)PI調(diào)節(jié)器的方式，當(dāng)有效控制器在電流/電壓/熄弧角調(diào)節(jié)器之間發(fā)生變化時(shí)，這種變化過(guò)程是平穩(wěn)的，不會(huì)引起觸發(fā)角指令的突變，也不會(huì)使輸送的功率產(chǎn)生波動(dòng)。特高壓直流系統(tǒng)換流站的無(wú)功控制 在特高壓直流輸電系統(tǒng)中，無(wú)功功率控制（reactivepowercontrol，RPC）是通過(guò)直流站控系統(tǒng)通過(guò)控制交流濾波器的投切來(lái)來(lái)控制母線(xiàn)的無(wú)功功率和電壓水平。無(wú)功功率控制模式包括自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種。自動(dòng)控制模式又包括定無(wú)功功率控制和定交流母線(xiàn)電壓控制兩種方式。一般采用自動(dòng)定無(wú)功功率控制方式。交流濾波器自動(dòng)投切的原則如下： 按照交流母線(xiàn)電壓限制控制功能自動(dòng)投退，保證交流母線(xiàn)電壓在規(guī)定范圍（，）之內(nèi)。當(dāng)交流母線(xiàn)電壓低于時(shí)，直流站控系統(tǒng)將在1s后發(fā)出投入1組交流濾波器命令，若投入1組交流濾波器后仍低于，則每隔150ms再投入一組，至交流母線(xiàn)電壓高于，再每隔1s再投入1組濾波器，直至滿(mǎn)足交流母線(xiàn)電壓額定要求。當(dāng)交流母線(xiàn)電壓高于時(shí)，交流母線(xiàn)電壓越限，直流站控系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出退出交流濾波器命令，此時(shí)在保證最小濾波器不能切除的前提下，即使已經(jīng)投入的小組濾波器為手動(dòng)控制模式，也將自動(dòng)退出，只有這樣才能保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 滿(mǎn)足直流功率對(duì)應(yīng)最少交流濾波器組請(qǐng)求，即在特高壓直流系統(tǒng)傳輸一定直流功率的情況下，需要至少投入的交流濾波器組數(shù)。若在當(dāng)前傳輸?shù)闹绷鞴β仕较拢捎玫慕涣鳛V波器無(wú)法滿(mǎn)足希求，則直流功率將會(huì)自動(dòng)降低至當(dāng)前可用交流濾波器所能支撐的水平。 按濾波的最優(yōu)效果進(jìn)行交流濾波器最優(yōu)組合投入。因?yàn)閾Q流器交流側(cè)的電壓和電路均非正弦波，故它們都含很多種諧波分量。為防止諧波分量對(duì)交流電網(wǎng)的不良影響，必須使用交流濾波器對(duì)其進(jìn)行濾除。直流站控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前傳輸?shù)闹绷鞴β视?jì)算出所需要投入的交流濾波器，以達(dá)到濾波器最優(yōu)的效果。

結(jié)論與展望 特高壓直流輸電工程無(wú)功功率消耗量巨大。對(duì)特高壓直流輸電工程無(wú)功補(bǔ)償、無(wú)功平衡