高壓直流輸電工程換流站無(wú)功補(bǔ)償容量配置方案

高壓直流輸電工程換流站無(wú)功補(bǔ)償容量配置方案

0基于交流諧波分量的直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)在高壓下的輸電系統(tǒng)中，運(yùn)營(yíng)中的無(wú)功率需要大量的無(wú)效率。直流換流站裝設(shè)的無(wú)功補(bǔ)償裝置通常由交流濾波器及電容器組成,其中交流濾波器既能提供容性無(wú)功功率,還可將直流系統(tǒng)產(chǎn)生的大量交流諧波分量降低到允許范圍內(nèi)。換流站的無(wú)功補(bǔ)償容量及其分組配置研究是直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。貴州一廣東第二回直流輸電工程是我國(guó)實(shí)現(xiàn)直流工程自主化建設(shè)的重要依托項(xiàng)目。本文根據(jù)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型,對(duì)貴廣第二回直流輸電工程的各種運(yùn)行方式進(jìn)行了計(jì)算分析,提出了直流系統(tǒng)兩端換流站的無(wú)功補(bǔ)償容量、無(wú)功分組配置方案,并結(jié)合換流站的濾波器設(shè)計(jì),驗(yàn)證無(wú)功配置方案的技術(shù)可行性。1省興仁縣沙區(qū)某市對(duì)低影響直流輸電工程的工程概況方案2根據(jù)南方電網(wǎng)的“西電東送”規(guī)劃,“十一五”期間西電東送的容量將在“十五”期間的基礎(chǔ)上新增向廣東送電10300MW,其中貴州將向廣東新增送電4000MW。為滿(mǎn)足規(guī)劃的輸送容量要求,在貴電外送“一直兩交”輸電通道的基礎(chǔ)上,需要新建貴廣第二回直流輸電工程(直流電壓采用±500kV,直流輸送容量為3000MW)。目前該工程已進(jìn)入全面建設(shè)階段,計(jì)劃2007年建成單極,2008年建成雙極投運(yùn)。該工程的起點(diǎn)換流站位于貴州省興仁縣,主要匯集黔西南地區(qū)的盤(pán)南電廠(規(guī)劃裝機(jī)容量6x600MW)電力外送,交流側(cè)額定電壓選取為525kV;受端換流站位于廣東省深圳市,可兼顧深圳和東莞兩地區(qū)的用電負(fù)荷,交流側(cè)額定電壓選取為500kV。2主要計(jì)算原則2.1單極回路運(yùn)行方式貴廣第二回直流輸電工程主要有以下運(yùn)行方式: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)。由于運(yùn)行方式②和③對(duì)應(yīng)的換流站無(wú)功消耗量較小,因此,本文僅研究運(yùn)行方式①、④和⑤。2.2近交流系統(tǒng)內(nèi)的水、放電電源情況交流電網(wǎng)無(wú)功功率應(yīng)分層分區(qū)就地平衡,避免遠(yuǎn)距離輸送。對(duì)于送端興仁換流站,由于附近交流系統(tǒng)內(nèi)的水、火電電源較多,容量較大,換流站可利用交流系統(tǒng)提供的部分無(wú)功功率,以減少換流站內(nèi)裝設(shè)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,降低換流站造價(jià)。受端深圳換流站位于廣東負(fù)荷中心,附近交流系統(tǒng)沒(méi)有多余的無(wú)功容量,因此換流站所需無(wú)功補(bǔ)償容量全部為站內(nèi)自補(bǔ)償。3設(shè)備投放量及無(wú)功能率平衡計(jì)算結(jié)果對(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。因此,交流系統(tǒng)向換流站提供無(wú)功功率的能力會(huì)在很大范圍內(nèi)變化。根據(jù)南方電網(wǎng)的實(shí)際情況,夏季大負(fù)荷方式是交流系統(tǒng)提供無(wú)功能力的考核方式(此時(shí)直流一般也是滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行)。對(duì)于送端興仁換流站,影響換流站與交流系統(tǒng)無(wú)功交換的主要因素是附近盤(pán)南、光照等水、火電電源的開(kāi)機(jī)方式、發(fā)電機(jī)功率因數(shù)選取以及附近交流接線(xiàn)方式的變化等。表1和表2分別列出了2008年和2010年不同發(fā)電機(jī)功率因數(shù)及開(kāi)機(jī)方式下興仁換流站的無(wú)功功率平衡計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明,在換流站建成初期(2008年),由于附近電源尚未全部投產(chǎn),電廠無(wú)功出力有限,交流系統(tǒng)向換流站提供的無(wú)功功率較少,平均僅為468Mvar;隨著電源投產(chǎn)容量的增加,電源無(wú)功出力將明顯增加,至2010年交流系統(tǒng)向換流站提供的無(wú)功功率平均可達(dá)1000Mvar以上。因此,從既有利于換流站運(yùn)行可靠性,又盡量減少無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投資等方面綜合考慮,送端交流系統(tǒng)向興仁換流站提供的無(wú)功選取為450Mvar。對(duì)于受端深圳換流站,考慮無(wú)功補(bǔ)償容量全部在站內(nèi)自補(bǔ)償,即受端交流系統(tǒng)向深圳換流站提供的無(wú)功為0Mvar。4吸收無(wú)功能力送端興仁換流站所在的貴州電網(wǎng)由于處于南方電網(wǎng)的送端,電源比較集中,運(yùn)行電壓較高,為保證換流站交流母線(xiàn)電壓運(yùn)行在允許范圍(500～550kV)內(nèi),不允許興仁換流站向交流系統(tǒng)倒送容性無(wú)功,即送端交流系統(tǒng)吸收無(wú)功的能力為0Mvar。受端深圳換流站所在的廣東電網(wǎng)由于處于“西電東送”末端,且為負(fù)荷中心地區(qū),電網(wǎng)運(yùn)行電壓水平較低(一般在510kV左右),具有一定的無(wú)功吸收能力。計(jì)算表明,當(dāng)換流站向系統(tǒng)倒送200Mvar左右容性無(wú)功容量時(shí),電網(wǎng)運(yùn)行電壓仍可維持在正常范圍,即受端交流系統(tǒng)吸收無(wú)功的能力為200Mvar左右。5換相電抗計(jì)算換流站無(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,換流站的無(wú)功消耗量與直流輸送功率、直流電壓、直流電流、換相角以及換相電抗等因素有關(guān)。整流側(cè)及逆變側(cè)換流站的無(wú)功消耗量可計(jì)算得出:式中:(Qdc1、Qdc2分別為整流站和逆變站消耗的無(wú)功功率;Pd1、Pd2分別為整流站和逆變站的直流功率；φ1、φ2分別為整流站和逆變站的功率因數(shù)角；α為整流側(cè)觸發(fā)角;γ為逆變側(cè)關(guān)斷角；Xr1、Xr2分別為整流側(cè)和逆變側(cè)每相的換相電抗;Id為直流電流平均值;U1、U2分別為整流站和逆變站換流變壓器閥側(cè)空載電壓有效值,kV。由式(1)～(4)可知,由于Id、U1、U2一般為恒定值,換流站消耗的無(wú)功功率與直流輸送功率、整流側(cè)觸發(fā)角、逆變側(cè)關(guān)斷角以及換相電抗有關(guān)。本文在計(jì)算中還考慮了以下原則:①Ud/Udio(Ud為直流電壓,Udio為理想直流空載電壓)取最小值;②直流線(xiàn)路電阻取最小值;③觸發(fā)角、熄弧角取最大值(含測(cè)量誤差);④換相電抗取最大值(含測(cè)量誤差);⑤直流電壓取最小值(含測(cè)量誤差);⑥直流電流取最大值(含測(cè)量誤差)。按照這些原則,根據(jù)式(1)～(4)計(jì)算得出兩側(cè)換流站的無(wú)功消耗量如表3所示。計(jì)算結(jié)果表明,直流雙極全壓正常運(yùn)行方式下(該工程中正常觸發(fā)角取15°),興仁換流站消耗的無(wú)功量為1689Mvar,深圳換流站消耗的無(wú)功量為1662Mvar;直流降壓80%時(shí),直流觸發(fā)角雖然有所增加(約增加到17.7°),但由于直流功率相應(yīng)降至80%(2400MW),兩換流站消耗的無(wú)功量較雙極全壓運(yùn)行方式下有所減少,分別為1461Mvar和1556Mvar;直流降壓70%時(shí),直流觸發(fā)角約增加到32.7°,此時(shí)雖然直流輸送功率僅為額定功率的70%(2100MW),但由于觸發(fā)角的大幅增加,兩換流站消耗的無(wú)功功率較正常方式有所增加,分別達(dá)到1883Mvar和1908Mvar。6交換站無(wú)附件容量的計(jì)算6.1投切無(wú)功分組換流站的無(wú)功補(bǔ)償裝置須分組投切運(yùn)行,以適應(yīng)直流各種運(yùn)行方式的需要。目前我國(guó)建設(shè)的3000MW直流輸電工程均采用將小組無(wú)功補(bǔ)償裝置組成1大組,再接于換流站交流母線(xiàn)上的分組接線(xiàn)方案。換流站無(wú)功分組方案的確定是一不斷優(yōu)化的過(guò)程。一般在換流站總無(wú)功補(bǔ)償容量一定的情況下,分組越少,投資和占地越省。經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,貴廣第二回直流輸電工程送、受端換流站均采用3個(gè)大組的設(shè)計(jì)方案,以節(jié)省換流站投資和占地面積。換流站投切無(wú)功分組時(shí),交流系統(tǒng)的電壓會(huì)發(fā)生變化,無(wú)功分組容量越大,電壓的變化也越大。根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)的技術(shù)規(guī)程要求,投切無(wú)功小組時(shí)的電壓變化率一般不超過(guò)1.5%,投切無(wú)功大組時(shí)的電壓變化率一般不超過(guò)5%(在工程的實(shí)際運(yùn)行中大組只有切除,沒(méi)有投入,一般是在故障時(shí)切除一大組)。根據(jù)上述要求,首先根據(jù)換流站交流側(cè)的短路容量初步估算無(wú)功小組容量,再根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化,結(jié)合無(wú)功大組與小組的合理匹配,對(duì)無(wú)功分組容量做進(jìn)一步優(yōu)化,最終得出換流站的無(wú)功分組數(shù)以及大組、小組的分組容量配置方案。6.2電壓變化率計(jì)算換流站投切無(wú)功分組容量與換流站交流母線(xiàn)的電壓變化率之間的關(guān)系可由式(5)表示式中:ΔU為換流站交流母線(xiàn)的電壓變化率,%;△Q為換流站投切的無(wú)功分組容量,MVA;Sd為換流站交流母線(xiàn)的短路容量,MVA。根據(jù)式(5)可由短路容量的計(jì)算初步推算無(wú)功的最大分組容量。根據(jù)兩端換流站的交流系統(tǒng)條件,可計(jì)算得知交流母線(xiàn)最小短路容量在8600～13300MVA范圍內(nèi),由此,初步推算兩端換流站的無(wú)功小組容量為130～200Mvar。6.3暫態(tài)電壓波動(dòng)最大的工況以計(jì)算的無(wú)功小組容量范圍為基礎(chǔ),對(duì)各種運(yùn)行方式下投切無(wú)功分組引起的換流站交流母線(xiàn)電壓波動(dòng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。最嚴(yán)重工況(即暫態(tài)電壓波動(dòng)最大的工況)下的計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示。由表4可見(jiàn),興仁換流站無(wú)功小組容量取130～140Mvar是合適的;深圳換流站無(wú)功小組容量取140～180Mvar是合適的,引起的電壓波動(dòng)均小于1.5%。由表5可見(jiàn),興仁換流站和深圳換流站的無(wú)功大組容量不大于560Mvar和650Mvar是合適的,此時(shí)的電壓波動(dòng)可限制在5%以?xún)?nèi)。7無(wú)功小組型式配置方案為降低換流站造價(jià),盡可能地減少換流站的無(wú)功組數(shù),貴廣第二回直流輸電工程最終采用的無(wú)功配置方案如表6所示。需要說(shuō)明的是,表6列出的無(wú)功小組型式配置方案直接引用了換流站濾波器設(shè)計(jì)的有關(guān)結(jié)論。興仁換流站的無(wú)功配置方案采用3大組,共分10小組,每小組容量為140Mvar(基準(zhǔn)電壓525kV),無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘?400Mvar。深圳換流站則采用3大組共12小組,每小組容量155Mvar(基準(zhǔn)電壓500kV),無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘?860Mvar。8不同換流站的電壓根據(jù)直流系統(tǒng)運(yùn)行條件,換流站無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘繎?yīng)滿(mǎn)足式(6)的要求式中: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)幺值,計(jì)算中一般取額定電壓,即Uac=1pu。對(duì)于興仁換流站,雙極全壓運(yùn)行方式下Qac=-450Mvar,Qdc=1689Mvar,Qsb=140Mvar,代入式(6)中得到Qtotal≥1379Mvar。而興仁換流站裝設(shè)的無(wú)功補(bǔ)償容量為10×140Mvar=1400Mvar≥1379Mvar。對(duì)于深圳換流站,雙極全壓運(yùn)行方式下Qac=0Mvar,Qdc=1662Mvar,Qsb=155Mvar,代入式(6)中得到Qtotal≥1817Mvar。而深圳換流站裝設(shè)的無(wú)功補(bǔ)償容量為12×155Mvar=1860Mvar≥1817Mvar?？梢?jiàn),興仁換流站及深圳換流站配置的無(wú)功補(bǔ)償容量可滿(mǎn)足直流系統(tǒng)運(yùn)行條件的要求。9濾波器組合設(shè)計(jì)當(dāng)直流系統(tǒng)運(yùn)行在不同功率水平下時(shí),換流站需投入相應(yīng)組數(shù)和型式的濾波器小組以滿(mǎn)足濾波要求,但同時(shí)換流站還必須滿(mǎn)足與交流系統(tǒng)的無(wú)功交換要求。根據(jù)換流站濾波器設(shè)計(jì)的有關(guān)結(jié)論,直流雙極正向全壓運(yùn)行方式下的濾波器投入最小組數(shù)及相應(yīng)的濾波器類(lèi)型如表7所示。根據(jù)表7濾波器組合方案,對(duì)直流雙極正向全壓運(yùn)行方式下的無(wú)功投切進(jìn)行了數(shù)字仿真,圖1(a)及圖2(a)分別為兩端換流站為滿(mǎn)足最小濾波要求投切無(wú)功分組的變化曲線(xiàn),圖1(b)及圖2(b)分別為兩端換流站與交流系統(tǒng)的無(wú)功交換曲線(xiàn)?？梢钥闯?在滿(mǎn)足換流站最小濾波要求的前提下,兩端換流站與交流系統(tǒng)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。10單站實(shí)際運(yùn)行的直流主要輸注入輸放量(1)直流正向全壓運(yùn)行方式下(直流輸送3000MW),興仁換流站的最大無(wú)功消耗量約為1689Mvar,深圳換流站的約為1662Mvar。(2)直流正向降壓80%運(yùn)行方式下(直流輸送2400MW),興仁換流站的最大無(wú)功消耗約