高壓直流輸電系統(tǒng)主回路參數(shù)計(jì)算平臺(tái)的研發(fā)

張相宇，溫渤嬰，李鵬

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京市100083)

0 引言

直流輸電在大功率、遠(yuǎn)距離輸電，交流系統(tǒng)異步聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)合具有突出的優(yōu)勢(shì)，從而使它成為電力系統(tǒng)中具有重要經(jīng)濟(jì)和技術(shù)價(jià)值的輸電形式［1］。現(xiàn)階段，我國(guó)的直流輸電工程技術(shù)很大程度上依賴于國(guó)外［2-4］。若能實(shí)現(xiàn)直流輸電工程的設(shè)計(jì)自主化，將對(duì)增強(qiáng)我國(guó)在直流輸電核心技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)力，提升我國(guó)直流輸電設(shè)計(jì)、制造產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力具有重大的意義，也為后續(xù)的高壓直流輸電工程提供有力的技術(shù)支持和技術(shù)保障。

直流系統(tǒng)主回路參數(shù)計(jì)算是開(kāi)展直流系統(tǒng)研究的基本條件。它提供了直流工程中換流變壓器、換流閥和平波電抗器等關(guān)鍵主設(shè)備的參數(shù)，是直流輸電工程研究的重要組成部分。主回路參數(shù)計(jì)算的主要目的包括:計(jì)算晶閘管閥、換流變壓器等關(guān)鍵主設(shè)備的定值;確定穩(wěn)態(tài)條件下的運(yùn)行特性;確定交流濾波器研究的基本條件;確定過(guò)電壓和絕緣配合研究的基本條件;確定無(wú)功功率補(bǔ)償及控制研究的基本條件;制定控制策略，提供基本的穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)等。主回路參數(shù)包括:直流電壓、理想空載直流電壓、觸發(fā)角;換流變壓器的額定功率、電壓和電流;換流變壓器的短路阻抗;換流變壓器調(diào)壓抽頭的范圍和級(jí)差;抽頭控制中的過(guò)電壓限制值以及換流器的運(yùn)行特性參數(shù)［5］。

在進(jìn)行主回路參數(shù)計(jì)算時(shí)，需要明確直流工程涉及的必要基本參數(shù)，為進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。

1 直流輸電系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)

直流輸電工程額定容量為PdN，單位為MW;額定直流電壓為UdN，單位為kV。

1.1 系統(tǒng)和環(huán)境數(shù)據(jù)

主回路設(shè)計(jì)需要的系統(tǒng)和環(huán)境數(shù)據(jù)一般包括兩端換流站環(huán)境溫度，兩端換流站接入系統(tǒng)過(guò)電壓、短路容量和頻率特性。環(huán)境溫度包括常年統(tǒng)計(jì)最高溫度、最低溫度、平均溫度。兩端換流站接入系統(tǒng)過(guò)電壓包括:最低穩(wěn)態(tài)電壓、額定運(yùn)行電壓、最高穩(wěn)態(tài)電壓、極端最低穩(wěn)態(tài)電壓、極端最高穩(wěn)態(tài)電壓，如表1所示。短路容量包括:最小短路容量和最大短路容量，短路容量也可以以短路電流的形式給出，如表2所示。交流系統(tǒng)的頻率特性主要是交流系統(tǒng)的額定頻率、故障后暫態(tài)頻率變化范圍(見(jiàn)表3)。

表1 交流系統(tǒng)電壓Tab.1 AC system voltage

表2 短路電流Tab.2 Short circuit

表3 頻率特性Tab.3 Frequency characteristics

1.2 直流系統(tǒng)條件

主回路參數(shù)計(jì)算需要的直流系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)接線、運(yùn)行接線、運(yùn)行控制模式、直流電壓、輸送能力、過(guò)負(fù)荷能力等［6］。

系統(tǒng)接線包括換流站采用換流器的形式、接地極類型等情況。目前，長(zhǎng)距離輸電工程(包括超高壓和特高壓直流輸電工程)，每段換流站通常采用雙極每極單12脈動(dòng)換流器或者雙12脈動(dòng)換流器串聯(lián)的形式，每站均設(shè)置接地極，并通過(guò)接地極線路接入換流站中性母線。對(duì)于背靠背工程換流站，通常采用12脈動(dòng)換流器中點(diǎn)接地接線形式，通常不配置接地極和接地極線路。

運(yùn)行接線為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)構(gòu)成的電路回路，包括雙極運(yùn)行接線方式(BP)、單極大地回線運(yùn)行接線方式(GR)、單極金屬回線(MR)運(yùn)行接線方式。

運(yùn)行控制模式為功率正送、功率反送和全壓運(yùn)行、降壓運(yùn)行方式。

直流輸電工程的直流電壓，在運(yùn)行中可以選擇全壓運(yùn)行方式(即額定直流電壓方式)或降壓運(yùn)行方式。整流站的直流額定運(yùn)行電壓UdN定義為平波電抗器出線側(cè)直流母線與直流中性點(diǎn)的電壓，傳輸?shù)念~定功率用PdN表示。

直流輸電工程可以正向送電，也可以反向送電，具有雙向送電的功能。

過(guò)負(fù)荷能力為直流系統(tǒng)在正常電壓運(yùn)行方式下超過(guò)額定功率的輸送能力，通常分為秒級(jí)過(guò)負(fù)荷能力、分鐘級(jí)過(guò)負(fù)荷能力、小時(shí)級(jí)過(guò)負(fù)荷能力和長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷能力。

主回路設(shè)計(jì)要能夠滿足規(guī)定環(huán)境溫度范圍內(nèi)所有的運(yùn)行方式。因此，需要提供直流線路電阻的最小值(最小溫度修正)、額定值、最大值(最高溫度修正)。兩站接地極線路電阻的最小值、額定值、最大值以及接地極電阻也是計(jì)算需要輸入的參數(shù)，表4所示。

表4 直流電阻Tab.4 DC resistances

1.3 控制策略、參數(shù)以及誤差

主回路參數(shù)計(jì)算中，需要考慮直流系統(tǒng)一次設(shè)備的額定運(yùn)行參數(shù)、控制策略、一次設(shè)備和二次系統(tǒng)誤差等的影響。

通常，一次設(shè)備的額定運(yùn)行參數(shù)包括換流閥的額定觸發(fā)角、額定息弧角等(見(jiàn)表5)。根據(jù)一次設(shè)備額定參數(shù)要求，整流側(cè)控制策略通常包括觸發(fā)角控制策略和換流變壓器控制策略。典型的控制策略為觸發(fā)角定電流控制，換流變壓器分接頭控制觸發(fā)角在額定觸發(fā)角附近。逆變側(cè)控制策略通常包括息弧角控制策略和分接頭控制策略。對(duì)于長(zhǎng)距離直流系統(tǒng)，典型控制策略有2種，策略1:換流閥定息弧角控制、分接頭控制直流電壓在額定值;策略2:換流閥定電壓控制、分接頭控制息弧角在額定值附近。

另外，根據(jù)控制策略的不同，還需要對(duì)控制參數(shù)提出要求，比如，整流側(cè)觸發(fā)角的穩(wěn)態(tài)控制范圍，整流側(cè)換流變壓器調(diào)節(jié)抽頭使觸發(fā)角α維持在α±2.5°的范圍內(nèi)。只要觸發(fā)角α在此范圍內(nèi)，換流變分接頭就不會(huì)動(dòng)作以使觸發(fā)角更接近額定值。

表5 控制參數(shù)Tab.5 Control parameters

一次、二次設(shè)備的誤差對(duì)主回路參數(shù)計(jì)算有明顯影響，需要在設(shè)計(jì)前對(duì)影響主回路的參數(shù)誤差提出要求。主要考慮參數(shù)包括正常電壓運(yùn)行范圍內(nèi)換流變壓器相對(duì)感性壓降的最大制造公差、直流電流測(cè)量誤差、直流電壓的測(cè)量誤差、觸發(fā)角測(cè)量誤差、息弧角測(cè)量誤差、電容分壓式互感器的測(cè)量誤差等(見(jiàn)表6)。

表6 誤差Tab.6 Errors

每極2個(gè)串聯(lián)的12脈動(dòng)換流器分接頭相互獨(dú)立控制，相差不超過(guò)1檔，極線對(duì)中性母線的直流電壓UdRN維持在±0.625%的范圍內(nèi)，相當(dāng)于逆變站2個(gè)分接頭檔位之間的死區(qū)值。

2 主回路參數(shù)計(jì)算的基本原理

主回路參數(shù)計(jì)算的主要任務(wù)是根據(jù)直流工程要求及相關(guān)輸入數(shù)據(jù)，利用直流輸電基本原理，對(duì)換流變壓器、換流閥等一次設(shè)備的基本參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定，并對(duì)各運(yùn)行方式的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行明確計(jì)算［7］。計(jì)算設(shè)計(jì)的原理性公式如下。

2.1 直流電壓

6脈動(dòng)整流器、逆變器兩端的直流電壓計(jì)算公式為

式中:Ud為12脈動(dòng)閥組兩端的直流電壓;dx、dr為換流器感性壓降、阻性壓降;Id、IdN為直流電流和額定直流電流;UdioN、Udio為額定理想空載電壓和理想空載直流電壓;n為每極6脈動(dòng)換流器的個(gè)數(shù)。R、I分別表示整流側(cè)、逆變側(cè)。

2.2 換流器直流電壓降

在主回路計(jì)算中需考慮換流閥的各種損耗及壓降，工程中采用6英寸晶閘管換流閥。每個(gè)6脈動(dòng)換流器的相對(duì)阻性壓降 dr為［8］

式中:Rth為晶閘管上與電流相關(guān)的電壓降，即晶閘管的正向壓降;Pcu為6脈動(dòng)換流器運(yùn)行在額定容量下，換流變壓器和平波電抗器的負(fù)載損耗。因子2是由于在6脈動(dòng)換流器中，總是同時(shí)有2個(gè)換流閥導(dǎo)通。

依據(jù)換流閥特性及以往工程經(jīng)驗(yàn)［8］，兩端換流站每個(gè)6脈動(dòng)換流器的前向壓降取為0.3kV，相對(duì)阻性壓降dr取為0.3%。

2.3 額定相對(duì)感性壓降

額定相對(duì)感性壓降dxN定義為

式中Xt為換相電抗，包括換流變壓器漏抗和其他在換相電路中可能影響換相過(guò)程的電抗，在不采用電力載波通信(power line carrier，PLC)濾波器時(shí)，只有換流變壓器短路阻抗提供。

額定相對(duì)感性直流壓降dxN和換流變壓器感性壓降(短路阻抗)uk之間的關(guān)系［8］如下:

一般在設(shè)計(jì)階段需要為電力線載波通信PLC濾波器預(yù)留空間，主回路計(jì)算中也需考慮。由于 PLC濾波電抗器的相對(duì)感性壓降較小，通常可取為約0.2%，根據(jù)式(5)有

2.4 換相角

換相角，或稱疊弧角，表示換流器完成換相過(guò)程所需的時(shí)間，是換流器的重要參數(shù)之一。

整流器疊弧角計(jì)算公式為

對(duì)于逆變器，在公式(7)中采用熄弧角γ代替α。

2.5 無(wú)功功率損耗

在運(yùn)行過(guò)程中，換流器要消耗大量無(wú)功，需要由無(wú)功設(shè)備補(bǔ)償。換流站額定運(yùn)行工況下消耗的無(wú)功功率計(jì)算式為

式中χ定義為

對(duì)于逆變器，在公式(9)中采用熄弧角γ代替α。式中:poles為換流站的極數(shù)，雙極時(shí)poles=2;n為換流站6脈動(dòng)換流器的個(gè)數(shù)。

3 主回路參數(shù)的設(shè)計(jì)流程

3.1 理想空載直流電壓

理想空載電壓是確定換流變壓器分接頭變比和檔位、換流閥設(shè)備的基礎(chǔ)性參數(shù)。換流變壓器空載直流電壓可由6脈動(dòng)換流器理想空載電壓實(shí)際值公式［8］得到:

根據(jù)公式(10)，考慮觸發(fā)角允許上限值和測(cè)量誤差、直流電壓測(cè)量誤差、電流測(cè)量誤差以及相對(duì)感性壓降的制造公差，可以計(jì)算整流器的最大Udi0maxR和最小理想直流電壓Udi0minR，同樣得出換流變分接頭負(fù)、正向的最大檔位Udi0maxOLTCR、Udi0minOLTCR。

在計(jì)算逆變器最大和最小Udi0時(shí)，根據(jù)式(11)，除了考慮直流電壓測(cè)量誤差、觸發(fā)角允許上限值和熄弧角測(cè)量誤差、電流測(cè)量誤差以及相對(duì)感性壓降的制造公差，還要涉及到2個(gè)方面的問(wèn)題。首先，要考慮直流線路的壓降是高于還是低于換流器內(nèi)部的壓降，其次，最大Udi0的計(jì)算取決于其目的是選擇設(shè)備型式Udi0absmaxI，還是確定最大的負(fù)向換流變分接頭檔位Udi0 max OLTCI。

在主回路參數(shù)計(jì)算中，最小Udi0只用于確定可接受的最小正向換流變分接頭檔位。

3.2 Udi0限制值(過(guò)電壓限制)

Udi0限制的目的是防止穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)設(shè)備過(guò)電壓。相對(duì)于正常的換流變分接頭控制，Udi0限制器是優(yōu)先考慮的。為確保Udi0不會(huì)超過(guò)Udi0L，通過(guò)調(diào)節(jié)換流變分接頭控制換流變閥側(cè)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)Udi0有2個(gè)限制:Udi0L和Udi0G。當(dāng)Udi0達(dá)到以下值時(shí)，Udi0限制器將動(dòng)作。

Udi0G～Udi0L:當(dāng)Udi0位于 Udi0G和 Udi0L之間時(shí)，Udi0限制器禁止提高換相電壓Udi0的換流變分接頭動(dòng)作;大于Udi0L時(shí)，Udi0限制器調(diào)節(jié)分接頭以降低換相電壓Udi0。

Udi0G是換流變分接頭正常調(diào)節(jié)以增大Udi0的上限。為防止換流變分接頭頻繁動(dòng)作，Udi0L應(yīng)足夠大，即換流變分接頭動(dòng)作降低Udi0后不允許立即有增大Udi0的動(dòng)作。

通常，整流側(cè)的 Udi0G可以取為 Udi0maxR，Udi0L在Udi0G的基礎(chǔ)上再增加一定的裕度。逆變側(cè)的Udi0L可以取為Udi0maxI，Udi0G在Udi0L的基礎(chǔ)上再減去一定的裕度。

最后，選擇考慮測(cè)量誤差的Udi0L作為設(shè)備設(shè)計(jì)電壓Udi0absmax。Udi0absmax是換流閥和換流變壓器設(shè)備制造的依據(jù)參照。

3.3 有載換流變壓器分接頭

額定換流變壓器變比計(jì)算(相對(duì)于0分接頭位置的)式為

換流變壓器最大、最小變比計(jì)算式為

有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)計(jì)算［8］式為

有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)的選擇還要結(jié)合降壓運(yùn)行要求和整流側(cè)觸發(fā)角和逆變側(cè)息弧角大角度允許的限制綜合考慮。

3.4 換流變壓器額定容量

連接6脈動(dòng)換流閥組的換流變壓器三相容量額定值為

相應(yīng)的，連接12脈動(dòng)閥組的單相三繞組換流變壓器額定容量為

3.5 閥側(cè)電壓和電流

空載閥側(cè)線電壓和理想空載直流電壓之間的關(guān)系為

閥側(cè)交流電流有效值計(jì)算［8］式為

3.6 流程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)

(1)常規(guī)的控制模式是整流側(cè)直流母線處的恒功率控制模式;(2)在降壓運(yùn)行方式下，當(dāng)換流變分接頭達(dá)到極限時(shí)，控制角將增加;(3)在過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，維持Udi0不變，直流電壓降低，直流電流將隨之增大。

4 直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性

通常，需要對(duì)雙極、單極大地回線、單極金屬回線運(yùn)行接線方式和全壓降壓運(yùn)行方式下典型功率點(diǎn)進(jìn)行主回路參數(shù)計(jì)算，確定各運(yùn)行方式下的直流電壓、電流、理想空載直流電壓、觸發(fā)角、息弧角、分接頭檔位以及換流器的無(wú)功消耗。針對(duì)任何一種運(yùn)行方式，計(jì)算通常以0.1 pu電流為步長(zhǎng)。計(jì)算結(jié)果是后續(xù)過(guò)電壓與絕緣配合、動(dòng)態(tài)性能研究甚至系統(tǒng)調(diào)試階段的重要依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

按本平臺(tái)計(jì)算而得的結(jié)果，與實(shí)際工程結(jié)果完全符合，適合工程需求，可應(yīng)用到直流工程成套設(shè)計(jì)中。

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