觀音巖電站送出直流工程系統(tǒng)諧波阻抗特性研究

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(1.西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610021；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

系統(tǒng)等值到換流站交流母線的阻抗頻率特性反映了交流母線上背景諧波的分布特征[1]，是確保實(shí)現(xiàn)換流站交流濾波器方案合理配置、保證無功補(bǔ)償與控制方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)條件。在電力系統(tǒng)諧波阻抗測量領(lǐng)域，利用現(xiàn)代信號處理技術(shù)對電壓電流信號進(jìn)行分析以計(jì)算系統(tǒng)諧波阻抗的方法得到了較為深入地研究[2-6]。但在實(shí)際直流工程進(jìn)行交流濾波器設(shè)計(jì)時，一般采用相關(guān)工具軟件進(jìn)行系統(tǒng)的諧波阻抗特性研究。目前比較常用的諧波阻抗等值工具主要有ABB 公司的SIMPOW 程序和加拿大Teshmont 公司的NIMSCAN 程序[7]。NIMSCAN程序由于其數(shù)據(jù)與國內(nèi)廣泛使用的PSD-BPA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相似，所以在中國的直流工程換流站濾波器設(shè)計(jì)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，目前NIMSCAN程序已被應(yīng)用于中國多條已投運(yùn)和在建的直流工程[7-9]。

觀音巖電站送出直流是南方電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程的重要組成部分。根據(jù)規(guī)劃，云桂交流斷面硯山至靖西500 kV線路將“π”接接入觀音巖直流受端換流站，實(shí)現(xiàn)云南電網(wǎng)與南方主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)，以降低南方電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。相對于其他直流工程，觀音巖電站送出直流存在運(yùn)行方式較多、受端換流站接入弱交流系統(tǒng)、換流站出線裝設(shè)串補(bǔ)等特點(diǎn)。因此，不同于其他直流的系統(tǒng)諧波阻抗計(jì)算，在進(jìn)行觀音巖電站送出直流的換流站交流濾波器設(shè)計(jì)時，有必要針對本直流工程的運(yùn)行方式及特點(diǎn)，對其送受端換流站的系統(tǒng)諧波阻抗等值特性進(jìn)行更為詳細(xì)地研究。

基于工程實(shí)際情況，分析觀音巖電站送出直流可能出現(xiàn)的運(yùn)行方式與特點(diǎn)，并針對工程特點(diǎn)，采用NIMSCAN工具，進(jìn)行系統(tǒng)諧波阻抗特性的比較研究。

1 觀音巖電站送出直流工程概況

觀音巖電站位于金沙江中游河段，裝機(jī)規(guī)模5×600 MW，電站計(jì)劃于2015年12月底前5臺機(jī)組陸續(xù)投產(chǎn)完畢。觀音巖電站電能的消納方案是近期全部送電廣西，遠(yuǎn)期需兼顧云南省負(fù)荷發(fā)展的需要。為滿足電能消納方案要求，擬通過建設(shè)1回±500 kV/3 000 MW直流，實(shí)現(xiàn)電站電力的送出。電站送出直流起點(diǎn)位于云南省永仁縣，落點(diǎn)位于云南省富寧縣。

根據(jù)電站消納方案的要求，觀音巖電站送出直流的送電方向有廣西桂西地區(qū)和云南滇南地區(qū)，對應(yīng)可能存在的主要有以下3種運(yùn)行方式

1)直流雙極接入廣西電網(wǎng)，電力全送廣西；

2)直流雙極接入云南電網(wǎng)，電力全送云南；

3)直流分極接入廣西電網(wǎng)和云南電網(wǎng)，分極送電。

圖1 觀音巖電站送出直流示意圖

觀音巖電站送出直流工程送受端換流站接入系統(tǒng)示意圖如圖1所示。由圖可知，送端換流站通過兩回線路與云南主網(wǎng)相連，存在孤島運(yùn)行的可能。而受端換流站落點(diǎn)的交流系統(tǒng)較弱，需在換流站出口線路加裝串補(bǔ)，以提高換流母線短路比，改善換流站運(yùn)行條件。目前受端換流站至靖西線路的串補(bǔ)度暫按50%進(jìn)行相關(guān)的研究，最終的補(bǔ)償度正在進(jìn)行進(jìn)一步的分析論證。

綜上分析可知，觀音巖電站送出直流的特點(diǎn)主要有以下3點(diǎn)。

1)直流送端存在聯(lián)網(wǎng)和孤島運(yùn)行的可能；

2)直流受端可能存在的運(yùn)行方式較多，分極送電時需接入兩個同步電網(wǎng)；

3)受端換流站落點(diǎn)交流系統(tǒng)較弱，換流站出口線路裝設(shè)串補(bǔ)。

將通過NIMSCAN程序?qū)τ^音巖電站送出直流的送受端換流站諧波阻抗特性進(jìn)行分析，主要研究內(nèi)容有以下2點(diǎn)。

1)送端：對換流站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行時的系統(tǒng)諧波阻抗等值分別進(jìn)行研究分析；

2)受端：根據(jù)送電方向的不同分別研究南方主網(wǎng)和云南電網(wǎng)等值到受端換流站的系統(tǒng)阻抗參數(shù)，并針對線路串補(bǔ)度存在變化的可能，對不同串補(bǔ)度下系統(tǒng)諧波阻抗參數(shù)的變化進(jìn)行分析。

2 諧波阻抗計(jì)算介紹

2.1 NIMSCAN計(jì)算模型概況

1)發(fā)電機(jī)

在NIMSCAN程序中，發(fā)電機(jī)可視為一個等值阻抗的電壓源，發(fā)電機(jī)的諧波阻抗模型為

2)變壓器

在NIMSCAN程序中，變壓器的諧波阻抗模型為

其中，RT(nf)為nf次諧波下變壓器的電阻；RT(f0)為基頻下變壓器電阻。

3) 線路

NIMSCAN程序中，輸電線路采用類似基頻下常規(guī)的“π”型模型，并采用雙曲函數(shù)校正。

4)負(fù)荷的諧波阻抗模型

NIMSCAN程序?qū)⒇?fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷折算為對應(yīng)電壓下的阻抗再進(jìn)行計(jì)算，具體模型為

式中，nf為諧波次數(shù)；g(nf)為nf次諧波下負(fù)荷電導(dǎo)；b(nf)為nf次諧波下負(fù)荷電納；P0為有功負(fù)荷；Q0為無功負(fù)荷；U為節(jié)點(diǎn)電壓。

5)特殊物理原件模型

特殊物理元件等值采用電阻、電抗、電容數(shù)據(jù)來表征系統(tǒng)中某些物理元件。該模型的等值電路如圖2所示。

圖2 特殊物理原件模型等值電路

2.2 諧波阻抗掃描流程

諧波阻抗等值掃描流程如圖2所示。整個過程可主要分為以下4步。

1)BPA數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：對BPA潮流數(shù)據(jù)和穩(wěn)定數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。主要涉及內(nèi)容有冗余數(shù)據(jù)刪減、BPA數(shù)據(jù)卡片轉(zhuǎn)化等。

2)NIM數(shù)據(jù)生成：將BPA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為NIM文件。

3)諧波阻抗計(jì)算：采用諧波阻抗掃描程序?qū)ι傻腘IM文件進(jìn)行諧波阻抗等值掃描。

4)結(jié)果收集：按照需求統(tǒng)計(jì)收集諧波阻抗計(jì)算結(jié)果。

圖3 諧波阻抗掃描流程圖

3 諧波阻抗掃描分析

影響系統(tǒng)諧波阻抗的主要因素有近區(qū)電網(wǎng)開機(jī)、負(fù)荷水平和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。選擇運(yùn)行方式時應(yīng)盡可能體現(xiàn)各因素對諧波阻抗變化趨勢的影響。下面研究以觀音巖電站送出直流工程投產(chǎn)的2016年為水平年，并考慮電源、負(fù)荷、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，對2017年和2020年的諧波阻抗也進(jìn)行校核計(jì)算。以2016年豐大、豐小、枯大、枯小方式，2017年豐大、豐小、枯大、枯小方式和2020年豐大、枯大方式為基礎(chǔ)運(yùn)行方式，并在每一種運(yùn)行方式下考慮送受端換流站近區(qū)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生“N-1”故障情況，對觀音巖電站送受端換流站分別進(jìn)行諧波阻抗特性研究。

3.1 送端換流站諧波阻抗特性分析

直流換流站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行時，直流換流站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化較大，所以對換流站聯(lián)網(wǎng)和孤島運(yùn)行時的諧波阻抗分別進(jìn)行研究。

1)換流站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式諧波阻抗等值

送端換流站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時，對上述各水平年不同運(yùn)行方式(考慮近區(qū)網(wǎng)絡(luò)“N-1”)進(jìn)行諧波阻抗掃描計(jì)算，統(tǒng)計(jì)得到系統(tǒng)諧波阻抗扇形圖參數(shù)列于表1。

表1 送端換交流側(cè)系統(tǒng)諧波阻抗扇形圖參數(shù)(聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行)(1 p.u.= 2 756.25 Ω)

2)換流站孤島運(yùn)行方式諧波阻抗等值

孤島方式下，運(yùn)行方式考慮觀音巖電站到換流站全接線與N-1。諧波阻抗等值計(jì)算結(jié)果如表2所示。

通過計(jì)算結(jié)果可見，換流站孤島運(yùn)行時系統(tǒng)的諧波阻抗特性與聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時差異較大，孤島運(yùn)行時各次諧波的阻抗扇形面積普遍增大，系統(tǒng)諧波阻抗特性較差，對換流站濾波器設(shè)計(jì)要求較高。

3.2 受端換流站諧波阻抗特性分析

根據(jù)直流可能存在的運(yùn)行方式，分別按送電廣西(南方主網(wǎng)系統(tǒng)等值到換流站母線)和送電云南(云南電網(wǎng)等值到換流站母線)，分別進(jìn)行諧波阻抗特性分析。根據(jù)受端換流站的初步研究成果，換流站至靖西線路串補(bǔ)目前暫按50%的串補(bǔ)度進(jìn)行相關(guān)研究，最終的串補(bǔ)度需待進(jìn)一步比較分析，所以先按換流站至靖西線路串補(bǔ)度為50%時進(jìn)行諧波阻抗等值研究，再對換流站出線不同串補(bǔ)度時系統(tǒng)的諧波阻抗參數(shù)變化進(jìn)行分析。

表2 送端換交流側(cè)系統(tǒng)諧波阻抗扇形圖參數(shù)(孤島運(yùn)行)(1 p.u.= 2 756.25 Ω)

1)送電廣西時系統(tǒng)諧波阻抗特性

各水平年各種方式下，考慮近區(qū)網(wǎng)絡(luò)“N-1”時受端換流站諧波阻抗如表3所示。

表3 受端換交流側(cè)系統(tǒng)諧波阻抗扇形圖參數(shù)(送電廣西)(1 p.u.= 2 756.25 Ω)

2)送電云南時系統(tǒng)諧波阻抗特性

送電云南方向時，考慮近區(qū)網(wǎng)絡(luò)“N-1”，云南電網(wǎng)等值到換流站母線的諧波阻抗特性如表4所示。

表4 受端換交流側(cè)系統(tǒng)諧波阻抗扇形圖參數(shù)(送電云南)(1 p.u.= 2 756.25 Ω)

3)換流站出線不同串補(bǔ)度對諧波阻抗特性的影響

由于換流站出線串補(bǔ)的最終補(bǔ)償度尚在進(jìn)行研究論證，對換流站至靖西雙回線路在不同串補(bǔ)度下的系統(tǒng)等值諧波阻抗參數(shù)(最小阻抗幅值、最大阻抗幅值、最小阻抗角、最大阻抗角)進(jìn)行比較，主要分析了換流站至靖西雙回線路串補(bǔ)度由50%降至30%和10%時的系統(tǒng)諧波阻抗參數(shù)變化情況。

換流站至靖西雙回線路不同串補(bǔ)度下系統(tǒng)等值諧波阻抗參數(shù)與50%串補(bǔ)度時的系統(tǒng)等值諧波阻抗參數(shù)之差分別如圖4至圖7所示。

圖4 各次諧波阻抗最小阻抗幅值差

圖5 各次諧波阻抗最大阻抗幅值差

圖6 各次諧波阻抗最小阻抗角

圖7 各次諧波阻抗最大阻抗角差

由圖4至圖7可知：

1)從數(shù)值上看，在大部分諧波次數(shù)下?lián)Q流站至靖西雙回線路串補(bǔ)補(bǔ)償度對系統(tǒng)等值諧波阻抗參數(shù)的影響不大；當(dāng)線路串補(bǔ)度變化時，對2次諧波阻抗的參數(shù)影響比其他各次諧波阻抗大；

2)線路串補(bǔ)補(bǔ)償度由50%變化為10%時，系統(tǒng)的諧波阻抗參數(shù)變化量大致是串補(bǔ)補(bǔ)償度由50%變化為30%時諧波阻抗參數(shù)變化量的2倍；

3)換流站至靖西雙回線路串補(bǔ)補(bǔ)償度的改變對各次諧波阻抗下的參數(shù)影響沒有明顯規(guī)律；

4)換流站至靖西雙回線路串補(bǔ)補(bǔ)償度由50%變化為30%和10%時對同次諧波的阻抗幅值影響相同，均表現(xiàn)為對該次諧波阻抗最小、最大幅值的增大或減小趨勢；

5)換流站至靖西雙回線路串補(bǔ)補(bǔ)償度減小時，各次諧波阻抗最小、最大阻抗角均呈增大趨勢。

4 結(jié) 論

觀音巖電站送出直流是南方電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程的重要組成部分，相對于其他直流工程，觀音巖電站送出直流運(yùn)行方式較多。通過NIMSCAN程序?qū)Ρ局绷鞑煌\(yùn)行方式下送受端換流站的系統(tǒng)諧波阻抗等值進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下。

1)送端換流站孤島運(yùn)行時系統(tǒng)諧波阻抗特性與聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時差異大，對濾波器的要求較高，濾波器設(shè)計(jì)較困難；

2)為滿足電站電能的消納，受端換流站存在雙極接入廣西電網(wǎng)、雙極接入云南電網(wǎng)和分極接入廣西電網(wǎng)與云南電網(wǎng)的運(yùn)行方式，需按照送電方向的不同分別對受端換流站的系統(tǒng)諧波阻抗進(jìn)行等值研究；

3)換流站至靖西雙回線路串補(bǔ)補(bǔ)償度的改變對各次諧波阻抗下的參數(shù)影響沒有明顯規(guī)律。當(dāng)串補(bǔ)度由50%分別降至30%和10%時，對大部分諧波次數(shù)下系統(tǒng)的諧波阻抗等值參數(shù)沒有較大影響。

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