特高壓直流輸電工程換流變壓器抽頭級數確定方法

趙辰鵬，馬　東

(國核電力規劃設計研究院，北京　100095)

特高壓直流輸電工程換流變壓器抽頭級數確定方法

趙辰鵬，馬東

(國核電力規劃設計研究院，北京100095)

摘要：換流變壓器參數是直流輸電工程設計的重要部分，為換流站的接線及布置方案論證提供支持，其合理性關系整個直流輸電系統的運行特性和技術經濟指標。以呼盟—山東±800 kV直流輸電工程為例，根據其對系統條件、主回路參數以及運行特性等的要求，應用新公式對換流變壓器抽頭級數的計算過程進行了詳細論述，所提計算方法為首次應用，并通過與實際取值比較驗證了所提方法的合理性。

關鍵詞：高壓直流輸電系統；換流變壓器；最大空載電壓；最小空載電壓；抽頭級數

0引言

特高壓直流系統換流變壓器的參數設計是特高壓直流輸電系統設計的主要內容，是系統運行控制和工程成套設計的基礎和關鍵。其主要內容包括：短路阻抗、最大最小空載直流電壓、觸發角、熄弧角、抽頭級數等。為其他研究，如無功功率補償及控制、交流濾波器以及系統過電壓與絕緣配合等提供基本條件。

在主回路參數研究中，換流變壓器參數是最重要的內容之一，這是由于換流變壓器處在交流電與直流電互相變換的核心位置，設備制造技術較復雜，設備費用昂貴。另外換流變壓器的可靠性及可用性對整個系統來說也是至關重要的。

以呼盟—山東±800 kV特高壓直流輸電工程的交流系統條件和直流系統性能要求為基礎，依據特高壓直流輸電理論，對換流變壓器參數進行設計，如額定空載電壓、最大和最小空載電壓、調壓抽頭級數等，重點研究換流變壓器抽頭級數。最終給出計算結果，并與實際應用值相比較驗證了其正確性，為該特高壓直流工程后續各項研究的順利展開提供依據，也為今后高壓直流工程研究提供參考。

1換流站基礎條件

根據特高壓直流輸電工程的技術條件和目前的制造水平，中國一般采用每極兩個12脈動換流器(400 kV+400 kV)串聯的接線方式，如圖1所示。

圖1　12脈動換流器原理接線圖

這種換流器接線方式使得系統的運行方式靈活多變，主要有7種運行方式：1)完整雙極運行方式，每站每極兩個12脈動換流器均串聯投入運行；2)1/2雙極運行方式，每站每極均只有一個12脈動換流器投入運行；3)完整單極大地回路運行方式，一極停運，另一極有兩個12脈動換流器串聯運行，由大地返回；4)1/2單極大地回路運行方式，一極停運，另一極只有一個12脈動換流器運行，由大地返回；5)完整單極金屬回路，一極停運，另一極有兩個12脈動換流器串聯運行，由金屬回路返回；6)1/2完整單極金屬回路，一極停運，另一極只有一個12脈動換流器運行，由金屬回路返回；7)一極完整，另一極1/2不平衡運行方式，雙極中的一極有兩個12脈動換流器串聯運行，另一極只有一個12脈動換流器運行。

在進行換流變壓器抽頭級數計算時，抽頭級數最大值計算選用完整雙極運行方式，抽頭級數最小值計算選用完整單極金屬回路運行方式；其中以完整雙極平衡運行方式且功率正送時的常規運行方式計算系統參數額定值。

2計算所需基礎參數

2.1　交流系統基礎參數

整流側及逆變側的交流系統電壓及運行范圍見表1。

表1　交流系統電壓

2.2　直流系統基礎參數

1)直流電壓

正常全壓運行方式下的直流電壓為±800 kV，正常半壓運行方式下直流電壓為±400 kV，定義在線路端極母線與中性點之間。每極都應具有在直流降壓至70%～100%正常直流電壓內連續運行的能力。

2)線路參數

逆變側換流器、換流變壓器容量設計與直流電路電阻密切相關。在完整雙極平衡運行方式下，整流側直流電壓為額定值800 kV，在額定直流時，逆變側直流電壓完全由直流線路電阻決定，進而決定逆變側的換流容量。

該工程直流線路導線型號為LGJ-6×1 250，線路長度約1 720 km；極端最高溫度為40 ℃，極端最低溫度為-25 ℃，換流變壓器參數計算中采用的直流電阻值見表2。

表2　直流線路電阻

3)控制系統參數

表3　直流控制參數

4)設備和測量誤差

根據目前特高壓設備的生產能力，在換流變壓器參數設計中考慮設備制造公差和測量誤差，列于表4。

表4　設備和測量誤差

5)換流器直流電壓降

6)換流變壓器短路阻抗

該工程整流側換流站換流變壓器的短路阻抗uk在換流變壓器參數設計中采用20%，逆變側采用19%計算。

3計算所需中間參數

3.1　額定空載直流電壓計算

整流側、逆變側額定直流空載電壓UdioNR、UdioNI分別按照式(1)、式(2)進行計算，整流側額定觸發角αN選取為15°，逆變側額定熄弧角γN為17°。

(1)

(2)

式中：UdN為直流正常運行電壓；n為閥組數；IdN為額定直流電流；RdN為直流電阻；dx和dr分別為換流變壓器感性和阻性壓降；UT為換流閥通態壓降，下標N表示額定，R表示整流側，I表示逆變側。

3.2　換流變壓器閥側空載直流電壓計算

在直流空載電壓計算時，需要考慮各種測量誤差、設備制造公差以及觸發角、熄弧角的調整范圍等因素，根據式(3)、式(4)可計算出兩側Udio的上、下限值(Udiomax、Udiomin)。

(3)

(4)

換流變壓器分接開關最小抽頭級數由最大空載直流電壓決定。此時直流全壓過負荷運行，直流電流取額定值1.05倍時，抽頭位置處在最小抽頭位置。

分接開關最大抽頭級數由單極金屬返回、70%降壓運行方式下的最小空載直流電壓決定。在降壓運行時為保證諧波干擾水平，換流站的無功平衡以及換流站的損耗在所允許的范圍內，經常同時也要求降低額定直流電流值。如果直流電壓降到70%，直流電流也降到70%，則直流輸送功率為額定直流功率的49%，單級輸送功率的最小值取其10%，并且觸發角(或熄弧角)為最大允許角度。取觸發角(或熄弧角)為最大允許角度40°，若超過40°則可能增加換流站的造價或降低直流輸電某些運行性能的要求。

下面基于系統參數及測量誤差，系統控制方式為整流側定電流，逆變側定電壓，具體描述換流站閥側最大、最小空載電壓的計算過程。未見文獻應用過所提計算方法，此處為首次應用。

當計算UdiomaxR時，考慮直流電流取額定值1.1倍，代入式(3)的相關參數如下：

UdR=UdN(1+δUdmeas)

dxR=dxN(1+δdx)

Id=IdN(1.05+δIdmeas)

α=αN+Δα+δα

當計算UdiominR時，考慮直流電壓降到70%，直流電流也降到70%，直流輸送功率為額定直流功率的49%，單級輸送功率的最小值取其10%，并且觸發角為最大允許角度，代入式(3)的相關參數如下：

UdR=UdN(0.7-δUdmeas)

dxR=dxN(1-δdx)

α=αmax-δα

將UdiomaxR和UdiominR分別代入式(5)和式(6)并結合式(7)即可得到整流側換流變壓器的最大、最小抽頭級數。

當計算UdiomaxI時，考慮直流電阻取最小值，代入式(4)的相關參數如下：

UdR=UdN(1+δUdmeas)

dxI=dxN(1+δdx)

Id=IdN(1.05+δIdmeas)

γ=γN+Δγ+δγ

Rd=Rdmin

當計算UdiominI時，考慮直流電阻最大情況下的單級金屬回線降壓70%運行方式，且單級輸送功率為最小值，熄弧角為最大允許角度，代入式(4)的相關參數如下：

UdR=UdN(0.7-δUdmeas)

dxI=dxN(1-δdx)

γ=γmax-δγ

Rd=Rdmax

將UdiomaxI和UdiominI分別代入式(5)和式(6)并結合式(7)即可得到逆變側換流變的最大、最小抽頭級數。

式中：UdR為整流側直流電壓；Id為直流電流，其余參數如前表所列。

4換流變壓器抽頭級數計算

換流變壓器的最大及最小變比η按如下公式計算。

(5)

(6)

換流變壓器調節開關級數的計算公式為

(7)

這樣，換流變壓器的有載調壓抽頭級數范圍如下。

換流變壓器抽頭級數最大值為

(8)

換流變壓器抽頭級數最小值為

(9)

5換流變壓器抽頭級數算例分析

以呼盟—山東特高壓±800 kV直流工程為例，校驗上述的計算過程，呼盟直流額定輸送功率8 000 MW，相關參數如表1～表4所示。按照上述公式計算換流變抽頭級數，結果如表5所示，由表5可看出，所用公式的計算結果與實際應用值基本一致，驗證了所提計算方法的正確性。

表5　換流變壓器抽頭級數計算結果

6結論

根據兩端換流站交直流系統的參數，在數學上推導了換流變壓器參數計算新公式，即最大和最小空載電壓，然后計算出換流變壓器抽頭級數。最后通過呼盟—山東±800 kV特高壓直流算例驗證了所提計算方法的合理性和正確性。

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中圖分類號：TM721.1

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2015)04-0029-04

作者簡介：

趙辰鵬(1981)，高級工程師，主要研究方向為電力系統前期規劃咨詢及穩定與控制；

馬東(1986)，工程師，主要從事電力系統輸電線路設計工作。

(收稿日期：2015-03-17)

Abstract：The parameters of converter transformer are an important part of the design of HVDC project, which provides the support for the main connection and layout of converter substation, and its rationality will influence the operating characteristics and technological economical index of whole HVDC system. Taking Humeng-Shandong ± 800 kV HVDC project for example, according to the requirements to system condition, main circuit parameters and operating characteristics, the calculation process of tap series of converter transformer is discussed in detail based on self-compiled program. The proposed calculation method is applied to HVDC project for the first time, and the rationality of the proposed method is verified by the comparison with the actual values.

Key words：HVDC transmission system; converter transformer; maximum no-load voltage; minimum no-load voltage; tap series