換流站運(yùn)行損耗分析

徐海龍 陸琪

摘要：本文從換流站損耗構(gòu)成出發(fā)，分別介紹了站內(nèi)主要損耗設(shè)備及其損耗構(gòu)成，重點(diǎn)分析了影響設(shè)備損耗的因素，并從不同階段及角度提出了降低損耗的措施。

關(guān)鍵詞：換流站、能耗、換流變

0.前言

隨著直流開關(guān)設(shè)備及換流閥技術(shù)的快速發(fā)展，特高壓直流輸電以其輸送容量大、輸送損耗小、不存在同步問題等特點(diǎn)在輸變電領(lǐng)域顯示出越來越明顯的優(yōu)勢(shì)。然而由于換流站作為電能分配和電形式轉(zhuǎn)變的電氣設(shè)備集中地，換流站本身不會(huì)產(chǎn)生電能，而是消耗電能，因此分析及降低換流站能耗對(duì)于特高壓直流輸電有重要意義。

換流站的損耗可以分為生產(chǎn)設(shè)施產(chǎn)生的損耗及輔助生產(chǎn)設(shè)施的損耗。生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備類型繁多，主要的耗能設(shè)備有換流變壓器、降壓變壓器、換流閥、平波電抗器、交直流濾波器、通流導(dǎo)線及其金具，其中通流導(dǎo)線及其金具損耗占全站損耗的比例很小，可以忽略不及。輔助生產(chǎn)設(shè)施主要為冷卻設(shè)備、采暖通風(fēng)設(shè)備以及生產(chǎn)辦公用建筑物等。通常換流站的損耗約為換流站額定功率的0.5%～1% 。其中，換流變壓器和晶閥管換流閥的損耗在換流站總損耗占絕大部分（約71%～88%）。因此，要降低換流站的總損耗以節(jié)省能源，降低換流變壓器和晶閥管換流閥的損耗是關(guān)鍵。圖1-1為某±500kV變電站（送、受端）各主要生產(chǎn)設(shè)備耗損比例。

1.換流站主要設(shè)備損耗分析

1.1變壓器損耗分析

換流變壓器和降壓變壓器的電能損耗主要為空載損耗和負(fù)載損耗，按照其它直流工程經(jīng)驗(yàn)，換流變損耗通常能占到總損耗的50%以上。換流變和降壓變壓器處于熱備用狀態(tài)產(chǎn)生的損耗為空載損耗（鐵耗）;在運(yùn)行狀態(tài)下，變壓器的運(yùn)行損耗應(yīng)為激磁損耗（即鐵芯損耗）和由電流大小決定的損耗（負(fù)荷損耗）之和。負(fù)載狀態(tài)下，諧波電壓將用在換流變上。當(dāng)變壓器分接頭位置與負(fù)荷水平相適應(yīng)，交流系統(tǒng)電壓額定時(shí)，可認(rèn)為負(fù)載運(yùn)行時(shí)的鐵芯損耗等十空載損耗。（忽略諧波電壓對(duì)激磁電流的影響）

全站共有7 臺(tái)工作換流變（另有1 臺(tái)備用）、2臺(tái)500kV降壓站用變，1臺(tái)35kV站用變，為降低電能損耗，在設(shè)備的選擇上，盡可能的降低換流變及交流變壓器的空載損耗（鐵損），適當(dāng)降低換流變及降壓變壓器的負(fù)載損耗（銅損），同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，使換流變壓器及降壓變壓器的阻抗采用較低的數(shù)值，以減少電能的損失。

1.2 換流閥損耗

每個(gè)換流站均包含多個(gè)閥，每個(gè)換流閥又由多個(gè)電壓源換流器閥級(jí)構(gòu)成。因此先對(duì)每個(gè)閥級(jí)的損耗進(jìn)行計(jì)算，再加起來得到所有閥的總損耗。換流閥損耗即絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor， IGBT）和二極管（diode）的損耗，包括通態(tài)損耗、開通損耗和關(guān)斷損耗。通態(tài)損耗通過每個(gè)器件的通態(tài)壓降、斜率電阻及電流平均和有效值來進(jìn)行計(jì)算。開通損耗是通過定義每個(gè)器件在開通時(shí)的瞬態(tài)能量來計(jì)算的，然后對(duì)在每個(gè)基頻周期內(nèi)所有次數(shù)的開通能量進(jìn)行相加得到總的開通損耗。對(duì)于關(guān)斷損耗也可采用同樣的方法進(jìn)行計(jì)算，但需要使用瞬態(tài)關(guān)斷能量。此外，換流閥器件損耗還應(yīng)考慮關(guān)斷狀態(tài)下漏電流帶來的損耗，考慮該損耗非常小，一般忽略不計(jì)。因此，可得總的換流閥器件損耗主要由以上幾部分構(gòu)成。

損耗的計(jì)算公式涉及到的參數(shù)有運(yùn)行參數(shù)，如直流電流、交流系統(tǒng)頻率、換流變壓器閥側(cè)空載線電壓以及設(shè)備固有參數(shù)。運(yùn)行參數(shù)可通過搜集系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式和負(fù)荷水平下的運(yùn)行特性參數(shù)得到，不同運(yùn)行方式和負(fù)荷水平下的運(yùn)行參數(shù)也互不相同。設(shè)備固有參數(shù)則通過搜集設(shè)備的出廠資料，必要時(shí)還需要做相應(yīng)試驗(yàn)得到，不同運(yùn)行方式和負(fù)荷水平下設(shè)備的固有參數(shù)一般不會(huì)變化，或變化的程度對(duì)損耗計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。

1.3平波電抗器損耗分析

平波電抗器中的電流是直流電流，并帶有諧波。平波電抗器損耗的直流分量應(yīng)由工廠試驗(yàn)得到。諧波電流引起的繞組損耗取決于各負(fù)荷水平下的諧波電流幅值和對(duì)應(yīng)的諧波電阻值。如果采用鐵芯一-油箱結(jié)構(gòu)，還應(yīng)計(jì)算勵(lì)磁損耗?？偟倪\(yùn)行損耗應(yīng)為直流損耗、諧波損耗（及勵(lì)磁損耗）之和。

1.4站用電損耗分析

換流站中用電量較大的經(jīng)常性負(fù)荷主要有閥冷卻設(shè)備、換流變冷卻風(fēng)扇、閥廳空調(diào)系統(tǒng)、各繼電器、控制樓和綜合樓空調(diào)用電，戶外端子箱及設(shè)備操作機(jī)構(gòu)中的防露干燥加熱，夜間照明用電。換流站中的冷卻設(shè)備較多，如換流變壓器、設(shè)備保溫帶、閥組冷卻設(shè)備及其空調(diào)系統(tǒng)等。通過技術(shù)性能來選擇效率高、能耗低的冷卻設(shè)備。

對(duì)閥廳空調(diào)設(shè)備，由于其功率大，且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，因而用電量較大。結(jié)合室內(nèi)外溫度及運(yùn)行工況，合理調(diào)節(jié)空調(diào)容量，將有利于減少閥廳空調(diào)系統(tǒng)用電，節(jié)約能源。繼電器、控制室空調(diào)除滿足運(yùn)行人員工作條件外，主要是為大量微電子設(shè)備提供適合的工作環(huán)境。考慮目前電子設(shè)備技術(shù)日益成熟，對(duì)環(huán)境溫度要求基本能適應(yīng)大多自然溫度條件，運(yùn)行階段可在事先了解設(shè)備要求后，綜合考慮室內(nèi)環(huán)境溫度控制和因環(huán)境溫度變化引起相對(duì)濕度變化對(duì)設(shè)備的影響，合理調(diào)節(jié)空調(diào)容量。

對(duì)戶內(nèi)安裝電氣設(shè)備，常規(guī)運(yùn)行條件下一般采用自然對(duì)流通風(fēng)散熱，盡可能減少機(jī)械通風(fēng)，既有利節(jié)能，也能減少維護(hù)工作和噪聲污染。

戶外端子箱及設(shè)備操作機(jī)構(gòu)中的防露干燥加熱，通常采用溫、濕自動(dòng)控制以降低經(jīng)常性能耗。

換流站夜間照明一般采用分層照明：正常巡視開低照度道路照明，設(shè)備維護(hù)檢修開局部強(qiáng)光照明。運(yùn)行階段可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整照明燈具數(shù)量及照明層次。

2.結(jié)論

本專題從換流站運(yùn)行中損耗著手，重點(diǎn)分析了換流變壓器、晶閘管、站用電設(shè)備損耗設(shè)備及其損耗來源，并從設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、運(yùn)行等不同方面闡述了降低損耗的措施與建議。

本節(jié)通過分析，建議在設(shè)計(jì)伊始就要考慮如何減少損耗，通過利用新技術(shù)、更加合理的結(jié)構(gòu)布局在源頭上做到損耗的降低;其次在設(shè)備的選擇上要重要選擇低能耗產(chǎn)品，杜絕使用國(guó)家命令淘汰的產(chǎn)品設(shè)備，在設(shè)備層級(jí)保證換流站的綠色運(yùn)行;投運(yùn)期間運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)本站實(shí)際情況及、相關(guān)站運(yùn)行要求以及電網(wǎng)負(fù)荷綜合調(diào)整運(yùn)行方式以達(dá)到降低能耗的目的。