高压直流输电换流器吸收无功的研究.doc

摘 要 高压直流输电在输电领域中是一个较新且较活跃的领域之一，它在远距离大功率输电及大区域电网并联方面起到了至关重要的作用。我国目前已有十多项高压直流输电工程投入运行，它们在国家电力网络构架中起到了优化网络的能源配置、保障国家的能源安全、以及促进国民经济的发展方面起到了重要的作用。本文围绕直流输电工程需要吸收无功做足分析计算及讨论。在高压直流输电工程中，利用普通晶闸管换流阀对高压直流输电换流站进行换流的，一般情况下采用电网电源的换相技术，但是这种方法的特点是当换流器在运行时需要从电网中吸收大量的无功功率。为了保证换流站和交流系统的稳定性，我们需要对换流站的无功消耗、无功补偿、及无功平衡进行分析和计算。本文重点分析研究高压直流输电换流器吸收无功的机理、影响因素以及对换流器进行无功补偿的分析讨论。在Matlab或PSCAD/EMTDC仿真软件上建立高压直流输电系统的仿真模型，利用所建的仿真模型，仿真计算高压直流输电换流器对无功方面的要求和关系。并对上述仿真结果进行分析、比较，给出合理解释，并提出高压直流输电无功补偿的合理化建议。关键词：高压直流输电，无功功率，无功补偿，换流器，仿真建模ABSTRACT In the field of transmission ,HVDC is a new and active area, it is in long-distance power transmission and large regional grid parallel has played a crucial role.China currently has more than a dozen high-voltage direct current transmission project put into operation, they are in national electricity network architecture optimized energy network configuration, ensuring national energy security, and promoting the development of the national economy plays an important role.This paper focuses on the DC transmission project needs to absorb reactive power to have enough analysis ,discussion and calculation.In HVDC transmission project, the commutation for HVDC converter station with the use of ordinary thyristor valves, for under normal circumstances,using mains power supply commutation technology, but the characteristics of this method is that when the converter at runtime need to absorb a large amount of reactive power from the grid. To ensure the converter station and communication system stability, we need to give converter station reactive power consumption, reactive power compensation, and reactive power balance analysis and calculations. This paper focuses on analysis of HVDC converter absorbs reactive mechanism, influencing factors and the analysis and discussion of reactive power compensation of the converter .In Matlab simulation software to build HVDC system simulation model, using the built simulation model, simulation HVDC converters requirements and relationships of reactive power .The simulation results were analyzed and compared, given a reasonable explanation, and proposed HVDC reactive power compensation rationalization proposals.KEY WORDS: HVDC，Reactive power，converter，reactive power compensation，Simulation and Modeling 目 录摘 要 1ABSTRACT2第1章 前言11.1 高压直流输电及无功补偿背景11.2 高压直流输电发展及现状31.2.1 针对高压直流输电的研究现状31.2.2针对换流站无功补偿及限制的现状41.3 本文主要内容5第2章 换流站无功及无功补偿62.1 高压直流输电系统的工作原理及运行方式62.2 换流站的无功平衡及无功原理72.2.1 换流器的功率因数72.2.2换流器的无功功率消耗82.2.3换流站内的无功平衡92.3换流站的无功补偿102.3.1 交流系统的无功补偿能力102.3.2 选择无功补偿的装置112.3.3 无功补偿与配置的综合考虑112.4无功对交直流系统的影响12第3章 换流站的无功补偿装置及容量的确定123.1换流站的无功补偿装置123.1.1机械投切式无功补偿装置123.1.2 同步调相机133.1.3 静止无功补偿装置143.2 换流站无功补偿容量及分组容量的确定153.2.1 容性无功补偿设备容量的确定163.2.2感性无功补偿设备容量的确定163.2.3无功分组容量的确定163.2.3.1 无功大组容量的估算173.2.3.2 无功小组容量的估算173.2.4 换流站无功补偿容量的校核173.3 无功补偿装置的控制17第4章 仿真建模及结论分析18第5章 结论与展望23参 考 文 献23附 录25致 谢2630第1章 前言1.1 高压直流输电及无功补偿背景我国幅员辽阔，发电能源的分布和用电负荷的分布又极不平衡。江浙等东部沿海地区及广东地区经济比较发达，电力负荷分布比较密集，对能源需求较高，而能源却极为匮乏；西部地区经济比较落后，用电需求和负荷较低，对能源需求较小，而能源却比较丰富。我国的这一客观现实决定了我国跨区域电力大规模流动的必然性。随着人口的不断增加，国民经济的快速增长，土地资源越发的匮乏和宝贵，电力的发展和建设越来越受到走廊资源和站址资源的限制。我国的这一国情决定了建设和发展高压直流输电（HVDC）具有重大的经济意义和技术创新意义。随着我们国家在南北互供和西电东送以及全国联网等逐步实施的能源发展战略有较大的发展，世界上在远距离大功率大容量等方面的输电网络格局已在我国的大部分大区域电网中出现1,2。而在当今的输电环境中，高压直流输电由于其特有的运行稳定且可靠、调节迅速、线路运行时消耗较小3,4还有没有稳定的安全性问题等优点而越来越受到人们的重视10。但是不管是在逆变站侧还是在整流站侧，不管是从交流系统中还是从无功补偿设备中，在运行时的高压直流输电总是要消耗相当多的容性无功功率，为了保障直流系统及交流系统的安全稳定，使整个高压直流输电系统及换流站内的无功功率实现平衡条件，需要在两边换流站交流母线上装设一定容量的无功补偿设备。换流站的无功平衡显示出了无功补偿在控制、配置以及调节等方面对客观及主观因素的要求，它是指无功补偿控制的电压模式下和交流系统对无功功率的补偿能力以及这些无功补偿设备对直流系统的无功补偿能力这三个方面之间的平衡10。本文从分析换流站内的功率因数到简述高压直流系统的无功平衡，并分析了在不同的运行方式下换流站内的无功功率消耗，然后描述了换流站内的容性无功补偿容量和感性无功补偿设备容量以及无功分组容量的确定，最后仿真模拟了直流输电系统在投入不同无功补偿装置下运行并得出结论。直流输电和交流输电相比具有诸多的优点：首先，制造直流输电线路的成本较低，因此可以减少电缆花费产生的费用；其次，直流系统在运行时线路的功率损耗较小，因此其在运行时输电节能成效比较明显；还有，由于可以铺设海底电缆，直流输电可以通过海下电缆输电。除了直流输电经济方面的优点，直流输电在技术方面也有很多长处。直流输电系统的运行能限制交流系统内的短路电流，而且直流输电系统具有比较强的稳定性，直流输电具有比较快的调节速度，而且运行可靠。在正常运行的情况下能够稳定的输出功率，在直流系统出现故障的时候可以紧急支援故障部分，因为由于直流输电的特点，是由晶闸管换流器组成的，因此故障时直流系统可以实现通过晶闸管控制迅速调整功率、完成功率潮流翻转。另外，直流输电系统内并没有充电电容电流，直流电压分布比较稳定，负载及其功率没有发生电压不正常且不需要并联电抗器。高压直流输电比较适合用于下面的场合：相同频率不同期或者不相同频率之间的交流输电系统之间的传输纽带；通过海底电缆输电；大功率较长距离输电；用城市之间的地下电缆向城市输送电能；配电网增加电容或者交流系统之间相连时，高压直流传输系统可以限制故障时的短路电流；新能源可以采用高压直流输电系统进行输电。高压直流输电可以完成大区域电网互联，在交流系统里，所有的和交流系统相连的同步发电机需要保证同步运行方式，由于直流线路传输的是纯有功功率，并没有电抗，因此当两个交流系统采使用直流线路连接时，不存在稳定问题，这样就表明运用直流输电可以不受输电距离方面的的制约。在交流系统日益发展的今天，大区域交流电网不可避免的出现了多多少少的问题，而采用直流输电线路传输电能则可很好地解决这些问题。随着高压直流输电技术的日益发展和成熟以及输电设备的研发日益加快，保障了高效、稳定的运行下的高压直流输电，高压直流输电在远距离大功率输电及大区域电网之间互联方面显示出极大的优越性。图1-1 直流输电系统原理图1换流变压器 2换流器 3平波电抗器 4交流滤波器5直流滤波器 6接地装置 7控制保护装置 8远东通信系在当今的高压直流输电工程中，高压直流输电换流站一般是使用普通晶闸管换流器实现换流的，这种方法一般采用的是基于电网电源的换相技术，但是这种方法的特征是当换流器在正常工作时需要从外部交流系统中吸收相当多的无功功率。换流站的整流换流站和逆变换流站从外部电网源中吸取的无功功率与换流站和外部电网之间交换的有功功率是成正向关系的，整流换流站侧吸收的无功功率大约为吸收有功功率的30%50%，逆变换流站侧吸收的无功功率大约为吸收有功功率的40%60%。不管是整流站侧还是逆变站侧都将吸收一定的容性无功功率，而且吸收的数值不仅和换流站的运行方式及无功控制方式有关，还和高压直流系统输送的直流功率数值有关。由于有晶闸管触发角的存在，使换流器在运行时交流侧电流总是滞后于电压。无功功率补偿的基本原理就是，是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。通常在额定负荷运行时，换流器所消耗的无功功率可达额定输送功率的3060，因此换流站需要投入相当多的无功补偿装置。但是当高压直流系统低负荷运转时，换流站内无功功率的消耗将快速减小，当如果无功补偿设备提供的无功功率不变时，交流电网将吸收来自高压直流系统换流站交流母线侧无功补偿装置产生的过剩的无功功率，从而引发换流站的交流母线侧电压的迅速上升。因此，为了保障直流系统及周边交流系统的安全及稳定性，必须对投入的无功补偿装置进行控制14。由于高压直流系统的无功功率的不稳定或者不足、过剩将会直接导致电网电压的不稳定，如果严重时甚至会波及到整个交直流系统的安全可靠运行，因此，为了保障换流站安全稳定运行，必须保证合理的进行无功补偿。无功功率对交流系统的影响：引起导线、变压器及发电机等许多电气设备容量的增大；而且无功功率会引起用电设备容量的增大；无功功率会直接引起电流变大，并且增加总功率大小，这样的话，测量仪表控制设备等保护装置的规格容量大小等参数都需要做出调整；而且由于无功功率增加能直接导致整个回路的电流大小增加，从而导致回路中电能的消耗也增加；无功功率还会使电气设备的电压最大最小值拉大，而且电压还会在冲击性无功功率负载下导致剧烈波动，并导致电能质量的降低。由于对无功功率不正确的控制，导致整个交流系统产生巨大的冲击并带来损失，所以我们应当合理的对高压直流输电系统装设无功补偿设备。电网电源不能作为唯一的无功功率电源给正常运行时的换流站提供无功功率，并且电网电源和其所连接的高压直流输电系统是不应该有过多的无功功率输入输出。这是因为在高压直流输电系统和电网之间进行大量的无功功率吸收与输出时，会伴随着无功功率损失，而且这样的话，换流站的交流母线侧电压会大幅降低并且不稳定。因此，为了保障高压直流输电系统安全稳定的工作，我们必须同时考虑直流系统内无功功率的特性来安装适合的无功补偿装置。1.2 高压直流输电发展及现状1.2.1 针对高压直流输电的研究现状1928年，具有栅极控制功能的汞弧阀成功问世，让高压直流输电的实施得到了实现。首先，海底电缆输电使用了高压直流输电技术进行输电。首先，1967年在意大利投入运行的撒丁岛高压直流工程和1954年在瑞典投入运行的哥特兰岛高压直流工程是在在高压直流输电开发运行的早期。远距离大功率输电然后也应用了高压直流输电技术。到2006年的时候，全世界已经有80多个开发投入运营的高压直流输电工程。在这80多个高压直流输电工程中，利用汞弧阀组成的高压直流输电工程差不多有11个，它们几乎都是高压直流输电技术刚开始的前25年的研究并投入运行的项目。其他的晶闸管高压直流输电工程都是近期的研究发展成果。在这些全部的高压直流输电工程中，有大约所有工程的，大约为28个工程是背靠背高压直流输电工程，剩下的为远距离高压直流直流输电工程。我国开始进行高压直流输电的研究是从二十世界五十年代开始的，而我国的高压直流输电技术获得关键性大幅度提升是从二十世纪八十年代末开始的，到目前为止，已经有10多个竣工并且投入运营的高压直流输电工程，按照目前的进度和计划，在2020年前我国将有至少30个高压直流输电工程建成并投入运行。我国第一条100kV高压直流输电工程是在1987年建成并投入运行的，在我国舟山地区的跨海高压直流输电工程技术得到解决以来，我国的高压直流输电技术发展迅速，上海-葛洲坝和广州-天生桥等远距离大功率高压直流输电工程陆续建成并投入运行。2003年五月五号的七点，常州长沙500kV的高压直流输电工程成功结束了176个实验测试并投入试运营，它的运行成为了世界上高压直流输电工程中输送电能功率最大的项目。它的试运行奠定了三峡水电厂电力向外输送的基础，并且增加了西电东送线路容量，贯彻落实了这一政策。国家电网公司为了实现最近建设电网的新要求，规划了在2010年的时候完成建设至少十个大型的高压直流输电工程。到目前为止，我国已经完成建设全球输送功率最大800kV高压直流输电工程，除此之外，还有众多的1000kV，800kV，660kV，等高压直流输电工程正在建设，这些措施进一步贯彻落实了我国的西电东送这一政策。高压直流输电仍将是我国从今往后几十年重点发展的项目，高压直流输电和大电网交流输电之间相互配合相互补充6。1.2.2针对换流站无功补偿及限制的现状现今，并联无功补偿装置是目前世界上投入运行的高压直流输电工程无功补偿的主要措施，选择什么样的无功补偿装置主要取决于当地的交流系统强度。一般的情形下，当交流系统的短路比不大于3的时候，电网的稳定性较弱，我们应该考虑安装一些其它的无功补偿装置，并非非要采取一般的换流技术，主要的办法是可以安装同步调相机；当交流系统短路比介于3和5之间时，交流系统的电压可能会不稳定，因此可以考虑采取静止无功补偿装置，这种装置具有控制电压的能力；当交流系统的短路比不小于5的时候，从投资等方面考虑，可以考虑只装设电容电抗器。正常的装设无功补偿装置和进行滤波的大部分措施是装设交流滤波器还有并联电容器，几乎所有高压直流输电工程的百分之九十都是采用的。我国近期投运的一些高压直流输电工程都是采取的这种方法，例如云广800 kV高压直流输电工程、三峡常州500 kV高压直流输电工程、三峡广东500 kV高压直流输电工程、南桥葛洲坝500 kV高压直流输电工程，还有灵宝背靠背高压直流输电工程。根据近期的高压直流输电机械投切的电容器，电抗器和同步调相机是传统形式的无功补偿设备，而静止无功补偿装置是较为新型的无功补偿装置。静止无功补偿装置在直流工程中已得到应用，英法海峡直流工程和加拿大恰图卡背靠背工程，还有中国和俄罗斯的黑河背靠背工程，青海至西藏的直流工程等都采用了静止无功补偿器。但它在直流工程中应用的仍较少。1.3 本文主要内容 本文以经典的直流输电理论研究直流输电系统的无功理论。主要研究内容： （1）重点分析了高压直流输电换流器吸收无功的机理、影响因素； （2）通过换流站的无功消耗公式分析计算不同运行方式下换流站的无功消耗以及对换流器进行了无功补偿的分析讨论； （3）介绍了不同的无功补偿装置及其运用的方式及场合； （4）在满足无功平衡下的无功补偿装置的配置； （5）在Matlab或PSCAD/EMTDC仿真软件上建立高压直流输电系统的仿真模型，利用所建的仿真模型，仿真计算高压直流输电换流器对无功方面的要求和关系。并对上述仿真结果进行分析、比较，给出合理解释，并提出高压直流输电无功补偿的合理化建议。 图1-2 葛-南高压直流输电工程模型 第2章 换流站无功及无功补偿2.1 高压直流输电系统的工作原理及运行方式一般正常情况下的高压直流输电工程大多数都采用电网电源的换流方式，这是因为大多数的包含整流装置和逆变装置的高压直流输电工程的换流器是用可控硅晶闸管构成的。高压直流输电工程里换流装置扮演者一个至关重要的角色。换流器采用三相桥式的连接方式是高压直流输电工程换流装置一般采用的方法。这里的换流器一般指6脉动换流器，6脉动换流器的每个换流阀是由六个桥（又称桥臂）构成的，这六个桥臂每个桥的周期是的基波周期，并且按时间顺序一个个触发，接在电网中。三相桥式的换流装置利用半控型的晶闸管触发和断开使系统的电路模型构成发生了变化，这样就发生了交流系统和直流系统间的交直流的互相转化。换流装置的换流过程是通过换流变压器阀的绕组的短路电流来完成的。与整流装置极性相反的逆变装置是需要高压直流输电工程所接入的电网来供给换相所需的电流电压7。正常情况下，高压直流输电工程的两端换流站中任一个是采用正负两极换流器在换流站的直流侧串联的方式构成的。这时，由于想让直流电压的波动频率变得更少，因此正负换流装置交流侧电压之间的相位差是30，此时换流器阀之间图2-1 高压直流输电系统模型图的相位差也是30，于是就构成了12脉动换流装置9。因为要降低高压直流输电工程产生的谐波对交流系统的影响，并且可以减少并化简换流站交流滤波器和整个换流站的结构，一般采用交流端通过换流变压器并联，而且有两个六脉动的换流装置串联在直流系统的直流端构成一个十二脉动的换流器，这样就可以减少建设高压直流输电工程的投资。高压直流输电的工作原理就是通过直流输电线路在交流系统1和交流系统2之间输送功率，高压直流输电系统里和交流系统1相连的换流站1被称为整流站，它是由整流器构成的，运行方式是整流方式；直流系统里和交流系统2相连的换流站2被称为逆变站，它是由逆变器构成的，运行方式是逆变方式。当高压直流输电系统两侧的交流系统有功率交换时，首先交流系统1送来的交流功率被换流站1转换成直流功率，然后转换的直流功率通过直流线路传输到换流站2，并利用换流站2将直流功率变化成交流功率，这样就完成了交流系统1到交流系统2的功率传输，称为高压直流输电原理过程。高压直流输电的换流站的运行方式有主要：（1）双极全压的运行方式，这时直流系统输送的是额定功率；（2）单极大地回路的运行方式，这时直流系统输送的功率是额定功率的二分之一；（3）单极金属回路的运行方式，直流系统输送的功率依然是额定功率的二分之一；（4）反向输送功率方式；（5）电压降低70的运行方式，直流系统输送的功率是额定功率的70；（6）电压降低80的运行方式，直流系统输送的功率是额定功率的80。图21代表整个高压直流输电系统的模型图，RPC代表一组交流滤波器模块，SVC代表一组静止无功补偿器模块。2.2 换流站的无功平衡及无功原理众所周知，当一个电力设备的电压和电流之间的相角不为零的时候，总是伴随着无功功率的流动，而换流器运行时导致交流侧电流变畸形，因此换流站运行时理所当然有无功功率的吸收或发出。晶闸管是换流器的主要构成器件，换流器运行时整流器侧的交流侧的电流是滞后于电压的，是由于换流器在工作运行时总是有触发角和换相角存在的，于是这就产生了整流器在正常工作时必须多多的吸取无功功率。 2.2.1 换流器功率因数(1)整流装置的基波功率因数可由以下公式得出 （2-1） 基波功率因数角可近似由以下公式得出 （2-2）(2)逆变装置的基波功率因数可由以下公式得出 （2-3） 在式中，是交流的基波功率因数角，它可以认为是相电流相角超前于相电压向量的相角，则基波功率因数角可有以下公式表示9 （2-4）以上各式中，是熄弧角；是整流器的换相角；是逆变器的换相角；是交流侧整流器的基波功率因数角。从式(2-1)和式(2-3)可以看出，换流器的功率因数角是和触发角或熄弧角还有换相角密切相关的，当触发角或熄弧角角度变大时，增加，这时，换流装置则应该吸取更大的无功功率。 当高压直流输电系统输送的有功功率增多时，相应的直流系统的无功功率消耗也会增加，当高压直流系统额定运行且在正常的控制之下时，其触发角变化时，直流系统对应着不一样的无功功率消耗，由式(2-1)和式（2-3）可见，功率因素和触发角( 逆变侧为熄弧角) 是有种反向的关系，换流站内的功率因素会由于触发角的变大导致降低，进而增大无功功率的消耗。当触发角是30的时候，换流站内的无功功率消耗将大概增加60（相比于触发角为15时）。因此，维持触发角在一个较小的水平、即维持功率因数在一个较大的水平将对降低系统的无功功率消耗起到至关重要的作用。但是在换流站正常工作时将大量产生谐波，但当高压直流系统输送的有功功率较少的时候，交流滤波器中产生的无功功率不变，此时相对于换流站其产生的无功功率过多，这时可以调整触发角使其增加同时降低了功率因数，可以使高压直流输电系统吸收过剩的无功功率保证系统的稳定。 2.2.2换流器的无功功率消耗无论是工作在整流情况下的换流器还是工作在逆变情况下的换流器，换流器都将从交流系统中大量的吸取无功功率，这样就说明从整个交流系统范围来考虑，高压直流系统的换流器相当于大的无功负荷。要计算整个换流站的无功功率消耗需要参考到不同情况下的换流器的运行方式，同时直流输电系统和电网中各种运行参数的条件也要考虑。在这里，电网的参数条件是指短路时的容量、交流系统的无功供给能力、电压维持的范围、还有高压直流系统两侧交流系统的电压等级等；高压直流系统的参数条件包括直流电流以及直流电压、运行方式等直流线路的参数还有接地的参数等。这样，换流站的消耗无功功率的多少是和直流电压电流、换相电抗、换相角、还有高压直流系统传输的有功功率密切相关的10。换流器件无功功率的消耗可以从以下公式计算得出8 （2-5）而 （2-6） （2-7） （2-8）在上式中，可以表示为换流器在空载时理想的直流电压，kV；P表示在换流器直流侧的功率，MW；表示换流器运行时的无功功率消耗，Mvar；表示换流器功率因数角；表示换流器的换相角；表示换相电抗（一相），；表示换流器直流侧的电流，kA；表示整流侧换流器的触发角；表示空载情况下线电压的有效值（换流变压器阀侧绕组），kV；表示正负极侧直流电压，kV9。在式中用替代，其中表示逆变器侧的熄弧角，这时可以表示换流器逆变运行时的方式。有上面的公式分析计算可以得出，换流器消耗的无功不仅和高压直流系统传输的有功功率有关，还和很多的其它参数有关，尤其是触发角和熄弧角，他们对换流器消耗无功的影响尤为重要11。正如上面所说，把上述式里的替代成就是逆变器侧的无功消耗的计算公式12。在稳态控制时的大概波动范围是12.517.5，在稳态控制下的大概波动范围是17.019.5。不仅要考虑Ud、Id、等多方面的测量误差，还要考虑到换流变产生的公差，从这里可以分析得出在不一样的运行方式下的两侧换流站产生的无功消耗，如表2-1所示。在表中，电压降低70%的情况下 = 30.4， = 36.9；电压降低80%的情况下， = 14.3， = 25.0；还有双极全压的情况下 = 17.7， = 20.5。 表2-1 不同运行方式下换流站的无功消耗运行方式直流功率/MW运行电压/KV整流侧无功消耗/Mvar逆变侧无功消耗/Mvar双极全压500080029243037降压80400064023502788降压70350056030483368 从表2-1可以很明显的得出一些结论，在降低交直流电压运行时，高压直流系统输送的有功功率由此也减少，但是由于无功功率消耗是和触发角和熄弧角密切相关的，而触发角和熄弧角大幅增加，那么相应的整个高压直流输电系统的无功功率消耗将会相应增加。2.2.3换流站内的无功平衡 由于换流器和交流系统之间有无功功率交换，那么它们之间就有无功平衡的关系，这种关系可以由以下公式表示 (2-8)在上式中：表示电网吸收或提供的的无功功率，Mvar；表示去掉并联电抗器吸收的无功功率之后的容性无功补偿设备发出的无功，Mvar；表示换流器在整个过程中吸取的无功功率，Mvar。假设的数值是正的，于是交流系统将会吸收换流器产生的容性无功功率；同理，若为负，交流系统将会提供给换流站一定的容性无功功率。为了满足高压直流输电工程里的无功功率平衡，这就需要考虑到高压直流系统连接的电网所支持的无功交换能力的上限5，并根据确定的无功死区，选择出最佳的无功补偿装置的切除点和投入点等10。换流站的无功平衡的主要设计目标是首先确定交流系统交换无功的能力，确定和分析计算换流站内的无功平衡，选择和装设无功补偿装置，确定无功控制方式及策略，提出无功补偿装置的控制、调节、平衡等多方面综合考虑的要求，确定换流站交流侧无功补偿设备的容量及分组容量13。对无功补偿及其配置等方案的考虑必须要求满足高压直流输电工程和交流系统之间无功平衡的需要，而且需图2-2换流站无功功率平衡要多方面考虑交直流系统对无功控制等控制方案还有谐波滤波的要求14。2.3换流站的无功补偿消耗大量的无功功率是不管整流站还是逆变站共有的特点，其消耗无功的数值大小不仅和换流站的无功控制和其运行方式密切相关，还和高压直流系统传输的有功功率数值有关。一般换流站工作在额定情况下时，换流站运行时所吸收的无功功率将达到直流线路传输有功功率数值的3060，所以应当对换流站增加装设无功补偿装置。一般换流站工作在低于额定功率情况下时，这时线路传输有功功率降低，换流器消耗的无功也随之降低，若不改变无功补偿装置容量，这将导致由于大量过剩的无功功率涌入直流系统连接的电网，增高了换流站交流母线侧电压，由此需要科学合理的对高压直流系统进行无功补偿。比如通过对换流站的无功补偿设备进行合理控制来避免上述状况14。这里无功功率控制是指改变晶闸管触发角以及根据高压直流系统吸收的无功大小来选择性投入无功补偿装置，从而保证交直流系统工作在正常电压下。装设无功补偿设备的作用是提高周边电能质量、维持换流站交流母线侧电压、调节交直流系统的无功、改善动暂态电压的稳定性、同时设备还可以当做滤波设备运行，当然最主要的还是给换流站提供无功支持11,15,16。 2.3.1 交流系统的无功补偿能力交流系统的无功补偿能力在这里是指交流系统给高压直流系统提供无功功率、维持换流站内无功保持平衡的能力。但是这种能力受多方面影响，发电机的运行功率、交流系统电压的控制、无功补偿装置的投入、交流系统的负荷容量以及交流系统的拓扑变化等都是影响交流系统的无功补偿能力的因素18。由此，受不同因素影响的交流系统对无功功率的供给能力是不同的。这样，当换流站设在大型的发电厂周边的时候，高压直流系统传输大量的电能的时候，电网将可以给直流系统供给容性无功；当高压直流系统传输的功率较小时，而无功补偿设备产生的无功过剩，那么交流系统可以利用发电机进相能力来吸取多余的无功功率。因为交流系统的无功供给能力可以减少设置无功补偿设备，并降低无功补偿设备的的投资，减少无功补偿设备的容量及分组，同时还可以节省许多电力设备、保护控制设备的投资，减少整个直流工程的造价，因此合理性的利用电网的这一能力对高压直流工程的投资还有换流站运行时的稳定性起到了至关重要的作用10。2.3.2 无功补偿装置的选择 对于大多数的高压直流工程，其整流换流站一般选择建设在电力系统强度较大的位置（如发电厂附近），这样电网对直流系统的无功支持能力很强，这时应当先考虑电网的无功能力再依据谐波抑制需求和无功补偿需要装设无功补偿装置。而逆变站则一般是功率传输的另一端，多选择建设在负荷密度较大的位置，这里的交流系统能力较弱，不能大量提供无功功率，由此，只能根据换流站本身无功平衡的要求装设无功补偿设备。背靠背高压直流输电工程一般用于交流系统之间的非同步互联，其和其所互联的电网没有任何无功功率交换，因此只能全部由装设的无功补偿设备来提供换流站运行时无功功率的消耗。无功补偿设备一般是安装在换流站的交流母线侧，并联电容器、滤波器、静止无功补偿器等都是经常采用的无功补偿设备。容性无功补偿器产生的总无功功率为 （2-9）其中C表示无功补偿装置总的有效电容；f表示高压直流系统连接的电网侧的频率。常规经常使用的无功补偿装置主要分为三类：第一一般是机械投切式的电容电抗器、滤波器；第二是同步调相机；第三是静止无功补偿装置。这三种装置下一章还会讲到。在选择无功补偿装置的时候需要根据换流站所连的交流系统的强度决定，一般短路比大于3时只选择电容电抗器还有滤波器，短路比小于3时选择其他的无功补偿装置。2.3.3 无功补偿与配置的综合考虑无功补偿与其配置的任务是明确高压直流输电工程里选择的无功补偿设备、确定其总容量以及其分组容量。做无功补偿任务时需要合理的考虑多方面要求，如无功功率的控制、换流站的投资、谐波的抑制等要求，同时还必须要能够满足高压直流输电系统内换流站无功平衡的条件。无功补偿容量在确定时需要考虑直流系统内各个设备运行时参数误差，同时它是要依照换流器额定运行时的运行参数决定最终数值的。高压直流系统超过额定运行方式时，换流站将吸收更多的无功功率，多余的消耗可以通过备用的无功补偿设备和电网进行额外提供无功来解决；确定高压直流工程的无功补偿设备容量时可以不用考虑直流降压的运行方式的，同时长距离高压直流工程的无功补偿设备容量在确定时是不用考虑功率反送的运行方式的；降压方式缺少的无功功率可以通过电网和直流系统的相互配合以及无功补偿设备来提供19。在配置高压直流工程的无功补偿设备时需要尽量往减少换流站投资，减少电力设备、保护控制设备的投资方面考虑，就无功补偿这一方面，可以通过利用电网强大的无功支持和供给能力，减少无功补偿设备容量、分组容量及投资来实现削减预算的目的。这样，当换流站设在大型的发电厂周边的时候，高压直流系统传输大量的电能的时候，电网将可以给直流系统供给容性无功，这样可以减少无功设备的投资；当高压直流系统传输的功率较小时，而无功补偿设备产生的无功过剩，那么交流系统可以利用发电机进相能力来吸取多余的无功功率，这同样也可以减少无功设备。 因此当需要对直流输电系统换流站进行无功补偿时，需要考虑到直流系统的本身容量、附近交流系统的无功供给能力、无功补偿设备的选择等多方面的因素。2.4无功对交直流系统的影响由上述可以得到，为了使高压直流系统安全稳定可靠运行，需要合理的处理换流站运行时大量产生的无功。下面就介绍当无功功率不足或过剩的时候造成的影响。无功功率的不足或过剩会直接导致交流系统的电压不稳定，甚至会危及到整个交、直流系统的安全稳定运行。若无功功率的长期维持在高水平，首先会使正常时电流增加，其次是视在功率升高，这些都将直接导致变压器、发电机、导线、以及用电设备等其它的电力设备的容量增加，同时保护控制装置的仪表、刻度、规格等都