800kv云廣直流換流站無(wú)功補(bǔ)償配置方案

800kv云廣直流換流站無(wú)功補(bǔ)償配置方案

0特高壓直流輸電系統(tǒng)改造南方電氣云南-廣東特高壓直流設(shè)計(jì)800kv。它是南方電氣“五個(gè)”牌的重要組成部分，也是世界上第一個(gè)800kv直接相關(guān)能源項(xiàng)目。采用±800kV特高壓直流輸電方案可節(jié)省輸電走廊資源、減少輸電損耗、提高輸電技術(shù)水平。該工程的建設(shè)能促進(jìn)區(qū)域資源優(yōu)化配置,是南方電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要,也是我國(guó)電力裝備制造業(yè)自主創(chuàng)新、提高水平的需要。特高壓直流無(wú)功配置包括確定交流系統(tǒng)無(wú)功能力、配置換流站無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、確定直流系統(tǒng)的無(wú)功電壓控制策略等,體現(xiàn)了補(bǔ)償配置的平衡和調(diào)節(jié)與控制過(guò)程的平衡2方面的要求。本文根據(jù)特高壓換流站無(wú)功需求的特點(diǎn),結(jié)合±800kV云廣直流送受端交流系統(tǒng),提出換流站的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備總?cè)萘考捌浞纸M配置方案,并驗(yàn)證其可行性。1800km云廣直流供電工程及其運(yùn)行模式1.1端麻黃換流站項(xiàng)目云廣直流輸電工程額定電壓為±800kV,額定輸電容量為雙極5000MW,額定電流為3125A,采用雙12脈動(dòng)閥組串聯(lián)接線(xiàn)方式。送端楚雄換流站位于云南楚雄州祿豐縣,受端穗東換流站位于廣州增城東部,工程計(jì)劃2009年6月單極投產(chǎn),2010年雙極投產(chǎn)。楚雄換流站通過(guò)2回500kV交流線(xiàn)路與和平500kV變電站相連;小灣水電站通過(guò)2回500kV線(xiàn)路接入楚雄換流站、經(jīng)1回500kV線(xiàn)路接入和平變電站;金安橋水電站通過(guò)2回500kV線(xiàn)路接入楚雄換流站;穗東換流站500kV交流出線(xiàn)6回,至500kV增城、橫瀝和水鄉(xiāng)變電站各2回。1.2單極金屬回路運(yùn)行方式云廣直流工程的主要運(yùn)行方式有:1)雙極全壓運(yùn)行方式,直流輸送額定功率;2)單極大地回路運(yùn)行方式;3)單極金屬回路運(yùn)行方式;4)降壓80%運(yùn)行方式,相應(yīng)的直流輸送功率為80%額定功率;5)降壓70%運(yùn)行方式,相應(yīng)的直流輸送功率為70%額定功率;6)雙極不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行方式;7)功率倒送方式。根據(jù)換流站無(wú)功消耗特點(diǎn)及無(wú)功配置要求,本文僅研究運(yùn)行方式1)、4)和5)。2交流系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)置的必要性分析無(wú)功補(bǔ)償與配置的主要目的是確定換流站所需的無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘俊⒎纸M容量和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。無(wú)功補(bǔ)償與配置方案應(yīng)能滿(mǎn)足換流器和交流系統(tǒng)對(duì)無(wú)功平衡的要求,綜合考慮交流濾波要求、電壓控制要求、投資費(fèi)用等。換流站無(wú)功補(bǔ)償容量應(yīng)按直流系統(tǒng)正向全壓額定運(yùn)行方式確定,還需考慮各主回路參數(shù)的測(cè)量誤差。過(guò)負(fù)荷方式下額外增加的無(wú)功消耗可利用交流系統(tǒng)無(wú)功能力和備用無(wú)功補(bǔ)償分組來(lái)平衡;直流降壓運(yùn)行方式不作為計(jì)算換流站無(wú)功補(bǔ)償容量的必要方式,降壓方式下所需無(wú)功補(bǔ)償缺額可由備用無(wú)功容量及交、直流系統(tǒng)相互調(diào)節(jié)提供;功率反送運(yùn)行方式不作為計(jì)算長(zhǎng)距離直流輸電工程換流站無(wú)功補(bǔ)償容量的必要方式[7,8,9,10,11,12,13]。進(jìn)行換流站無(wú)功補(bǔ)償配置時(shí)應(yīng)充分利用交流系統(tǒng)的無(wú)功支持能力,減少換流站無(wú)功補(bǔ)償容量,節(jié)省無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備(如電容器和電抗器)的投資,還可減少無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的分組,節(jié)省相應(yīng)的變電設(shè)備和控制保護(hù)設(shè)備的投資。當(dāng)換流站位于電廠或電廠群附近,如水電廠送出工程的換流站,在直流系統(tǒng)大負(fù)荷運(yùn)行時(shí),可以利用交流系統(tǒng)的部分無(wú)功電源,達(dá)到少裝容性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的目的;在直流系統(tǒng)小負(fù)荷運(yùn)行時(shí),可以利用發(fā)電機(jī)的進(jìn)相能力,吸收換流站的部分過(guò)補(bǔ)償無(wú)功,以達(dá)到少裝容性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的目的。3交換站的配置沒(méi)有邊界條件3.1換流站無(wú)功消耗計(jì)算換流站無(wú)論工作在整流運(yùn)行還是逆變運(yùn)行狀態(tài),都要消耗容性無(wú)功,即換流站對(duì)交流系統(tǒng)而言總是無(wú)功負(fù)荷。換流站無(wú)功消耗的計(jì)算一般應(yīng)計(jì)及多種不同的交直流運(yùn)行方式,換流站無(wú)功消耗的容量與直流輸送功率、直流電壓、直流電流、換相角以及換相電抗等因素有關(guān)。換流站無(wú)功消耗可用如下公式進(jìn)行計(jì)算式中:Qdc為換流器無(wú)功消耗;Pd為換流器直流側(cè)功率;?為換流器功率因數(shù);α為觸發(fā)角;μ為換相重疊角。當(dāng)換流站以逆變方式運(yùn)行時(shí),用γ代替α,γ為逆變站熄弧角。穩(wěn)態(tài)控制時(shí)α、γ的允許變化范圍分別為12.5°~17.5°、17.0°~19.5°。計(jì)及一定的換流變制造公差以及Ud、Id、α、γ等測(cè)量誤差,由此計(jì)算得出2側(cè)換流站不同運(yùn)行方式下的無(wú)功消耗量如表1所示,其中雙極全壓運(yùn)行方式下α=17.7°,γ=20.5°;降壓80%運(yùn)行方式下α=14.3°,γ=25.0°;降壓70%運(yùn)行方式下α=30.4°,γ=36.9°。3.2發(fā)揮無(wú)功率對(duì)于交流系統(tǒng),負(fù)荷水平、發(fā)電機(jī)出力、電網(wǎng)電壓的控制方式、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投切以及電網(wǎng)接線(xiàn)方式的變化等都將影響系統(tǒng)無(wú)功功率的平衡。楚雄換流站位于南方電網(wǎng)的送端,在直流系統(tǒng)大負(fù)荷運(yùn)行時(shí),經(jīng)過(guò)無(wú)功平衡計(jì)算,送端交流系統(tǒng)向楚雄換流站提供的無(wú)功功率取為30Mvar。受端穗東換流站位于負(fù)荷中心,換流站交流母線(xiàn)將作為交流系統(tǒng)的樞紐母線(xiàn),需維持母線(xiàn)電壓基本恒定,一般采用保持換流站本身無(wú)功平衡,不與交流系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功交換的設(shè)計(jì)原則,故考慮穗東換流站全部在站內(nèi)自補(bǔ)償無(wú)功補(bǔ)償容量,即受端交流系統(tǒng)向穗東換流站提供的無(wú)功功率為0。3.3線(xiàn)路的穩(wěn)定性分析在直流系統(tǒng)小負(fù)荷運(yùn)行時(shí),對(duì)于楚雄換流站,可利用附近發(fā)電機(jī)的進(jìn)相能力吸收換流站的部分過(guò)補(bǔ)償無(wú)功,從而減少容性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備容量。經(jīng)過(guò)計(jì)算,楚雄換流站允許向交流系統(tǒng)倒送容性無(wú)功功率210Mvar。受端穗東換流站處于廣東電網(wǎng)負(fù)荷中心地區(qū),電網(wǎng)較為堅(jiān)強(qiáng),相關(guān)500kV變電站均配置有一定的低壓電抗器,電網(wǎng)具有一定的無(wú)功吸收能力。計(jì)算表明,當(dāng)穗東換流站向系統(tǒng)倒送300Mvar容性無(wú)功功率時(shí),電網(wǎng)運(yùn)行電壓仍可維持在正常范圍,故考慮受端交流系統(tǒng)吸收無(wú)功的能力為300Mvar。4除整個(gè)大組的方法根據(jù)云廣特高壓直流工程的要求,當(dāng)濾波器分組或并聯(lián)電容器分組投切時(shí),楚雄和穗東換流站交流母線(xiàn)暫態(tài)電壓分別不超過(guò)2%和1.5%。切除整個(gè)大組,即所有連在此大組中的電容器分組和濾波器分組都被同時(shí)切除,可以當(dāng)作一種非正常方式,不應(yīng)用作無(wú)功功率控制,只能作為一種保護(hù)措施。無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備由濾波器組及電容器組組成,楚雄換流站最大無(wú)功小組容量為187Mvar(基準(zhǔn)電壓525kV),穗東換流站最大無(wú)功小組容量不超過(guò)210Mvar(基準(zhǔn)電壓500kV)。楚雄和穗東換流站交流濾波器組及電容器組的推薦配置如表2所示。5無(wú)補(bǔ)償能力和配置的調(diào)整5.1低場(chǎng)交流系統(tǒng)n-1及下的qp最佳運(yùn)行條件換流站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘繎?yīng)滿(mǎn)足下式要求式中:Qtotal為換流站無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘?Qac為交流系統(tǒng)提供的無(wú)功;Qdc為換流站消耗的無(wú)功量;Qsb為換流站的無(wú)功備用容量,通常取1組無(wú)功小組容量;Uac為換流站交流母線(xiàn)電壓標(biāo)么值,計(jì)算中一般取1.0。對(duì)于楚雄換流站,為了滿(mǎn)足在孤島運(yùn)行方式下交流系統(tǒng)“N-1”無(wú)功平衡要求,換流站需向交流系統(tǒng)提供200Mvar容性無(wú)功。根據(jù)式(3),得到雙極全壓方式下Qtotal≥3311Mvar,而在送端交流系統(tǒng)正常運(yùn)行電壓下(楚雄換流站側(cè)為525kV),交流濾波器和并聯(lián)電容器所提供的總無(wú)功Qtotal=3366Mvar≥3311Mvar。對(duì)穗東換流站,根據(jù)式(3),得到雙極全壓方式下Qtotal≥3269Mvar。在受端交流系統(tǒng)正常運(yùn)行電壓(525kV)下,交流濾波器和并聯(lián)電容器所提供的總無(wú)功Qtotal=(7×190+8×210)×(525/500)2=3319Mvar≥3269Mvar。可見(jiàn),楚雄和穗東換流站配置的無(wú)功補(bǔ)償容量可以滿(mǎn)足直流運(yùn)行條件的要求。5.2交流濾波器產(chǎn)生的無(wú)功消耗量在直流小方式下,根據(jù)濾波要求須投入一定數(shù)量的容性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,換流站在滿(mǎn)足本身容性無(wú)功消耗的情況下可能產(chǎn)生剩余的容性無(wú)功功率,換流站需要的感性無(wú)功補(bǔ)償容量Qr可按下式計(jì)算式中:Qfmin為正常電壓下最小交流濾波器組產(chǎn)生的無(wú)功;U為交流母線(xiàn)電壓標(biāo)幺值,通常取1.0。云廣特高壓直流最小運(yùn)行工況為單極輸送直流功率250MW,交流系統(tǒng)電壓取550kV,為滿(mǎn)足濾波要求需投入2小組濾波器,計(jì)算得到楚雄換流站和穗東換流站的無(wú)功消耗量分別為221Mvar和220.8Mvar。楚雄和穗東換流站允許的Qac分別為210、300Mvar,按式(4)計(jì)算,對(duì)于楚雄換流站Qr=-20.5Mvar<0,對(duì)于穗東換流站Qr=-61Mvar<0。可見(jiàn),適當(dāng)增大觸發(fā)角及熄弧角,利用交流系統(tǒng)無(wú)功吸收能力,可吸收直流小方式下楚雄和穗東換流站最小濾波器組產(chǎn)生的剩余容性無(wú)功功率。5.3計(jì)算結(jié)果分析換流站投切無(wú)功分組容量?S與換流站交流母線(xiàn)的暫態(tài)電壓變化率?U之間存在如下關(guān)系式中Sd為換流站交流母線(xiàn)的短路容量。根據(jù)式(5)可由短路容量初步推算最大的無(wú)功分組容量。在不同運(yùn)行方式下,楚雄換流站和穗東換流站投切無(wú)功小組時(shí)交流母線(xiàn)的暫態(tài)電壓波動(dòng)仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和表4。從計(jì)算結(jié)果看,對(duì)于楚雄換流站,交直流并列運(yùn)行情況下,正常運(yùn)行、交流線(xiàn)路1回及2回退出運(yùn)行時(shí),投切無(wú)功小組暫態(tài)電壓波動(dòng)范圍為1.17%~1.59%,滿(mǎn)足要求。孤島運(yùn)行方式下,楚雄投切無(wú)功小組暫態(tài)電壓波動(dòng)最大為4.52%,為了滿(mǎn)足穩(wěn)定的要求,無(wú)功分組控制中無(wú)功控制策略需考慮增加異常電壓控制功能,換流站裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償器(staticvarcompensator,SVC)是解決以上問(wèn)題的一種措施。計(jì)算表明,在孤島運(yùn)行方式下,楚雄換流站投入SVC可在-120~+120Mvar范圍內(nèi)調(diào)節(jié),則投切小組的暫態(tài)電壓波動(dòng)不超過(guò)1.23%,穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)不超過(guò)0.79%,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)限值要求,并留有裕度。對(duì)穗東換流站,考慮正常運(yùn)行、交流線(xiàn)路1回及2回退出運(yùn)行,投切無(wú)功小組電壓暫態(tài)波動(dòng)范圍為0.75%~1.83%,基本滿(mǎn)足要求。5.4無(wú)功補(bǔ)償裝置投切無(wú)功分組投切仿真結(jié)果考慮送、受端換流站無(wú)功消耗、換流站最小濾波要求、換流站與交流系統(tǒng)無(wú)功功率交換限值等參數(shù),運(yùn)用直流設(shè)計(jì)軟件對(duì)云廣特高壓直流各種運(yùn)行方式下?lián)Q流站無(wú)功分組投切進(jìn)行了仿真計(jì)算,無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切順序應(yīng)按照制定的無(wú)功控制策略確定,以滿(mǎn)足無(wú)功消耗和濾波要求,得到楚雄和穗東換流站投切無(wú)功分組曲線(xiàn)及換流站與交流系統(tǒng)的無(wú)功交換曲線(xiàn)如圖1~4所示?？梢钥闯?在滿(mǎn)足換流站濾波要求的前提下,兩端換流站與交流系統(tǒng)在各種運(yùn)行方式下的無(wú)功交換仍在允許范圍內(nèi),即上述換流站的濾波器組合方案是可行的。6設(shè)置不同投切組合方案1)對(duì)于楚雄換流站,允許向系統(tǒng)倒送容性無(wú)功210Mvar,允許交流系統(tǒng)向換流站提供30Mvar容性