高压直流输电系统低功率运行的无功控制策略

高压直流输电系统低功率运行的无功控制策略

廖川

南方电网超高压输电公司广州局 广东广州 510000

摘要：高压直流输电系统是一种重要的电力传输技术，具有高效率、长距离传输和占地面积小等优势。在实际运行中，为了确保系统的稳定性和电压平衡，无功控制策略变得尤为重要。无功功率是指电力系统中产生和消耗的无功电力，其主要作用是维持系统的运行稳定和电压平衡。在高压直流输电系统中，由于其特殊的电力传输特点，无功功率的控制更具挑战性。尤其在低功率运行模式下，由于功率较小，系统对无功功率的变化更加敏感，因此无功控制策略的研究尤为关键。当前，随着电力系统规模的不断扩大和需求的增加，高压直流输电系统的无功控制策略也面临着新的挑战和需求。因此，本文提出更有效的无功控制策略，希望以此提高高压直流输电系统的稳定性和可靠性。

关键词：高压直流输电系统；低功率运行；无功控制；策略

1高压直流输电系统概述

1.1高压直流输电系统的特点与应用

高压直流输电系统是一种重要的电力传输技术，具有长距离传输、大容量传输和灵活性强等特点，被广泛应用于电力系统中。高压直流输电原理图如下图1所示：

图1高压直流输电原理图

与传统的交流（AC）输电方式相比，高压直流输电系统具有以下特点：首先，高压直流输电可以实现长距离的电力传输。由于电力在直流输电过程中不受电磁感应和电抗的影响，损耗较小，因此适用于长距离的输电，特别是海底电缆和远距离输电。其次，高压直流输电系统具有较大的容量。由于使用直流电，无需考虑交流电的传输限制，可以实现大容量的电力传输，满足电力系统的需求。

1.2高压直流输电系统的结构和工作原理

高压直流输电系统由输电线路、换流站和控制系统组成。高压直流输电系统的工作原理是通过控制换流阀的工作状态来实现电力的传输。当交流电转换为直流电时，控制系统通过控制换流阀的导通和关断来实现对电流方向和大小的控制。当直流电转换为交流电时，控制系统通过控制换流阀的触发角来实现对交流电的控制。

1.3低功率运行模式的意义与要求

在高压直流输电系统中，低功率运行模式是指系统功率较小的情况。低功率运行模式对无功控制具有更高的要求，因为功率较小时无功功率的变化对系统的影响更为敏感。低功率运行模式下的无功控制在高压直流输电系统中具有重要意义和要求。它能够保证系统的稳定性和电压平衡，提高系统的效率，并适应电力系统的运行变化和需求。因此，研究和优化无功控制策略对于高压直流输电系统的稳定和可靠运行具有重要意义。

2高压直流输电系统无功控制概述

2.1无功功率及其作用

无功功率是电力系统中产生和消耗的无功电力，与有功功率相对应。它是电力系统维持稳定运行和电压平衡的重要组成部分。无功功率可以维持电网的电压平衡。电力系统中，通过控制无功功率的注入和消耗，可以调整电压水平，防止电压过高或过低，保持电网的稳定运行。另外，无功功率对调节电力系统谐波和降低电压波动也具有一定作用。通过引入适量的无功功率，可以降低系统的谐波含量和电压波动，保障电力质量和稳定性。

2.2高压直流输电系统中的无功控制策略

在高压直流输电系统中，无功控制策略是确保系统稳定性和电压平衡的重要手段。常用的无功控制策略主要为通过控制换流阀的触发角度来调节无功功率的流动。具体而言，在高压直流输电系统中，触发角（α）的控制可以实现有源无功功率的调节。触发角的控制策略有两种常见的形式：定值调节和闭环控制。以基本的双向换流器为例，触发角可以通过以下公式计算：

α = acos((E_d * E_acosθ - E_q * E_asinθ) / (V_ac * I_dc))

其中，α为触发角度，E_d和E_q为直流侧电压在d轴和q轴上的分量，E_acosθ和E_asinθ为交流侧电压在a轴和b轴上的分量，V_ac为交流侧电压幅值，I_dc为直流侧电流幅值。

当需要增大无功功率时，可以适当增加触发角以延迟换流阀的换流过程，引入滞后的无功电流。反之，当需要减小无功功率时，可以适当缩小触发角以提前换流过程，减少无功电流。另一种策略是通过调节直流滤波器的阻抗来控制无功功率。通过增加或减小阻抗，可以相应地吸收或释放一定的无功功率。

2.3现有无功控制策略的局限性

尽管现有的无功控制策略在一定程度上可以实现对高压直流输电系统无功功率的控制，但仍存在一些局限性：现有策略中无功功率的控制范围较窄。由于系统参数和工作状态的限制，现有策略往往无法实现大范围的无功功率控制；现有策略对系统响应速度和控制精度的要求较高。由于高压直流输电系统对电压和无功功率的变化要求非常敏感，因此需要快速、准确地响应和控制无功功率的变化。

3基于电压源换流器的无功控制策略

3.1电压源换流器的基本原理与特点

电压源换流器是高压直流输电系统中常用的换流阀类型之一。它基于可控开关元件（如晶闸管或绝缘栅双极晶体管）来实现电压的变幅和频率转换。与电流源换流器相比，电压源换流器具有以下特点：首先，电压源换流器具有较低的损耗。由于可控开关元件的导通电阻较小，电压源换流器的换流损耗相对较低，有助于提高系统的效率。其次，电压源换流器具有较高的可调性。通过调节可控开关元件的触发角度和开关频率，可以实现对输出电压幅值和频率的精确控制，从而适应不同的输电需求。

3.2无功电流的控制方法及其优化

当系统需要增加无功功率时，可以通过适当调节电压源换流器的输出电压幅值来引入一定的无功电流。反之，当系统需要减小无功功率时，可以通过适当降低输出电压幅值来减小无功电流的流入。在无功控制中，还可以采用优化方法来精确控制无功电流。例如，结合模型预测和优化算法，通过自适应调整电压源换流器的输出电压和滤波器的阻抗，以满足系统无功功率的需求并最大化系统的稳定性和经济性。

3.3低功率运行下的无功控制算法设计

在设计无功控制算法时，需要考虑到系统的实际运行情况和要求。可以建立系统的数学模型，并基于该模型设计无功电流控制算法。算法可以根据系统的工作状态和无功功率需求，自适应地调整电压源换流器的输出电压幅值和滤波器的阻抗，以实现精确的无功控制。此外，还可以采用优化算法来改进无功控制策略。通过对系统的经济性和稳定性进行综合评估，可以设计出最优的无功控制算法，实现系统最优运行。

4基于电流源换流器的无功控制策略

4.1电流源换流器的基本原理与特点

电流源换流器是高压直流输电系统中常用的换流阀类型之一。它采用了可控硅器件（如晶闸管）作为开关元件，通过控制晶闸管的触发角来实现直流到交流或交流到直流的变换。

与电压源换流器相比，电流源换流器具有以下特点：首先，电流源换流器具有较低的换流损耗。它采用可控硅器件作为开关元件，具有较小的导通电阻和开关速度快的特点，从而降低换流损耗，提高系统的效率。其次，电流源换流器具有较高的可控性和稳定性。通过调节晶闸管的触发角，可以精确地控制电流的方向和大小，使系统更加稳定可靠。此外，电流源换流器还具有较好的应对能力和灵活性。它可以适应不同的电力系统运行模式和需求，并能够实现双向功率传输，实现灵活的电力调度和控制。

4.2无功电流的控制方法及其优化

在高压直流输电系统中，无功电流的控制是保持系统稳定和电压平衡的关键。基于电流源换流器的无功控制方法主要包括控制换流阀的电流滞后和提前工角。

当系统需要增加无功功率时，可以通过控制晶闸管的触发角来使其延迟导通，引入一定的滞后电流，从而增加无功功率的流入。反之，当系统需要减小无功功率时，可以通过提前触发晶闸管，使其提前导通，从而消耗一部分无功功率。

4.3分析无功控制策略对系统稳定性和经济性的影响

首先，无功控制策略可以帮助维持系统的稳定性和电压平衡。通过控制晶闸管的触发角来调节无功电流的流动，可以保持系统电压的稳定，防止电压过高或过低，从而维持系统的稳定运行。其次，无功控制策略可以影响系统的经济性。通过调节无功功率的交换，可以降低系统的无功功率消耗或释放，从而降低能量损耗和相关成本。此外，通过优化触发角的控制策略，还可以实现系统的能量调度和经济调度，进一步提高系统的经济性。

5结论与展望

高压直流输电系统低功率运行的无功控制策略是确保系统稳定和电压平衡的关键环节。通过控制换流阀电流、调节直流滤波器阻抗和控制电压调节器，可以实现无功功率的精确控制。未来的研究可以进一步优化无功控制策略，提高系统控制的精度和响应速度。同时，考虑新能源接入对无功功率的影响和需求，研究针对低功率运行的新型无功控制策略，进一步提高高压直流输电系统的稳定性、可靠性和经济性。

参考文献：

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