向家壩±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)主回路參數(shù)研究

向家壩±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)主回路參數(shù)研究

0主回路參數(shù)計(jì)算方法一期，江川街水庫(kù)村正式設(shè)計(jì)建設(shè)600mw。這是計(jì)劃西部主要供電的電源之一。送電量大，供電距離長(zhǎng)。經(jīng)過交直流輸電方案詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,金沙江一期工程的溪落渡、向家壩水電站送電至華中、華東選擇了3回±800kV直流輸電工程,每回額定容量為單極3200MW,雙極6400MW。直流系統(tǒng)主回路參數(shù)計(jì)算是開展特高壓直流系統(tǒng)研究的一個(gè)基本條件,它提供了特高壓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),是特高壓直流輸電工程研究的重要組成部分。主回路參數(shù)計(jì)算的目的是制定直流系統(tǒng)的控制策略,提供基本的穩(wěn)態(tài)控制參數(shù);計(jì)算晶閘管閥、換流變壓器等的基本參數(shù);為無功功率補(bǔ)償及控制研究、交流濾波器研究、過電壓和絕緣配合研究等提供基本的輸入條件。在進(jìn)行主回路參數(shù)計(jì)算時(shí),必須基于一定的交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)參數(shù)條件。交流系統(tǒng)條件包括兩端換流站接入交流系統(tǒng)的電壓等級(jí)、電壓運(yùn)行范圍、短路容量等;直流系統(tǒng)條件包括主接線方式,以及直流線路參數(shù)和接地極參數(shù)等;此外,設(shè)計(jì)中必須考慮各種偏差,保證設(shè)備公差和測(cè)量控制偏差及可能的極端運(yùn)行工況,為設(shè)備的安全運(yùn)行留出足夠的裕度。主回路參數(shù)計(jì)算依據(jù)直流系統(tǒng)的運(yùn)行接線方式,不同運(yùn)行接線方式對(duì)設(shè)備參數(shù)的要求不同。特高壓直流系統(tǒng)有3種基本的運(yùn)行接線方式:雙極運(yùn)行接線方式、單極大地回路運(yùn)行接線方式和單極金屬回路運(yùn)行接線方式。主回路參數(shù)計(jì)算需滿足以上3種運(yùn)行方式的要求。本文以向家壩-上?！?00kV特高壓直流輸電工程為依托,對(duì)±800kV特高壓直流工程進(jìn)行主回路參數(shù)研究和設(shè)計(jì),得出換流閥、換流變壓器、平波電抗器的基本參數(shù),為±800kV特高壓直流工程的各項(xiàng)研究提供前提條件。1特高壓直流輸電工程為配合金沙江一期向家壩、溪洛渡水電站建設(shè),規(guī)劃了3個(gè)特高壓直流送出工程,其中最先投入運(yùn)行的是向家壩-上海特高壓直流輸電工程。此工程直流線路長(zhǎng)2071km,直流極導(dǎo)線采用ASCR6×LGJ-720/50,送端向家壩接地極線長(zhǎng)60km,接地導(dǎo)線型號(hào)為2×4×LGJ-400/50,受端南匯接地極線長(zhǎng)90km,接地導(dǎo)線型號(hào)為2×4×LGJ-500/35,兩端換流站接地極接地電阻都為0.1Ω。都采用500kV接入交流系統(tǒng),向家壩—上海特高壓直流輸電工程的交流系統(tǒng)電壓情況如表1。向家壩換流站和南匯換流站的最小短路電流分別為11.7和26kA。由于根據(jù)直流系統(tǒng)在雙極全壓額定運(yùn)行情況設(shè)計(jì)逆變站換流器的額定換流容量,因此直流回路電阻直接決定了逆變站換流器的容量,設(shè)計(jì)中用到的直流回路電阻值如表2。根據(jù)現(xiàn)階段設(shè)備的研制生產(chǎn)能力,特高壓直流輸電工程中采用的控制參數(shù)、設(shè)備的公差、測(cè)量及控制偏差如表3。特高壓直流輸電工程中采用額定通流能力為4kA的6英寸晶閘管換流閥,計(jì)及各種電阻性損耗,向家壩換流站和南匯換流站的相對(duì)阻性壓降dr為0.3%,換流閥前向壓降UT為0.3kV。根據(jù)目前廠家提供的6英寸晶閘管換流閥資料,其能承受的最大短路電流暫定為50kA。2特高壓直流工程我國(guó)常規(guī)±500kV高壓直流輸電工程的設(shè)計(jì)與建設(shè)已取得了豐富經(jīng)驗(yàn),目前已有5條±500kV高壓直流輸電工程投入運(yùn)行?！?00kV直流換流站主回路接線為每極一個(gè)12脈動(dòng)換流器,±800kV特高壓直流工程的換流器接線與常規(guī)±500kV高壓直流工程不同,借鑒巴西伊泰普工程的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),采用了2組12脈動(dòng)換流器串聯(lián)(400+400)kV的換流器接線方案?！?00kV特高壓直流工程的主要運(yùn)行參數(shù)為:直流電壓±800kV,額定直流電流4000A,雙極額定容量6400MW,整流側(cè)額定點(diǎn)火角α=15°,逆變側(cè)額定熄弧角γ=17°。由于特高壓±800kV直流輸電工程采用串聯(lián)(400+400)kV換流器接線方案,每極高低12脈動(dòng)換流器兩端設(shè)計(jì)電壓相同,運(yùn)行方式非常靈活,其正送和反送率傳輸方向下運(yùn)行方式包括:①完整雙極運(yùn)行方式,每站每極2組12脈動(dòng)換流器串聯(lián)投入;②完整單極大地回路運(yùn)行方式,一極停運(yùn),由2組12脈動(dòng)換流器串聯(lián)運(yùn)行的另一極經(jīng)由大地返回;③完整單極金屬回路運(yùn)行方式,一極停運(yùn),由2組12脈動(dòng)換流器串聯(lián)運(yùn)行的另一極經(jīng)由金屬回路返回;④不完整單極大地回路運(yùn)行方式,一極停運(yùn),有1組12脈動(dòng)換流器運(yùn)行的另一極經(jīng)由大地返回;⑤不完整單極金屬回路運(yùn)行方式,一極停運(yùn),由1組12脈動(dòng)換流器運(yùn)行的另一極經(jīng)由金屬回路返回;⑥不完整雙極運(yùn)行方式,雙極中有一個(gè)完整單極另一個(gè)為不完整單極,或二個(gè)均為不完整極的運(yùn)行方式。計(jì)算主回路參數(shù)時(shí)需同時(shí)考慮以上6種運(yùn)行接線方式對(duì)主回路參數(shù)的要求。3逆變站換流變分接頭控制特高壓直流輸電工程控制策略與常規(guī)500kV直流輸電工程相似,其差異在于每極串聯(lián)的2個(gè)12脈動(dòng)換流器如何均分換流容量并相互協(xié)調(diào)控制。整流站點(diǎn)火角α控制直流電流,換流變壓器調(diào)節(jié)分接頭使α維持在αN±2.5°的范圍內(nèi),且連接至串聯(lián)的2個(gè)12脈動(dòng)換流器的變壓器分接頭檔位相差不超過1檔。逆變站換流變分接頭控制整流站的直流電壓,穩(wěn)態(tài)工況下熄弧角γ維持恒定。串聯(lián)的2個(gè)12脈動(dòng)換流閥組相互協(xié)調(diào)控制,與一個(gè)12脈動(dòng)閥組相連的換流變分接頭采用同步控制。在向家壩至上海南匯換流站的常規(guī)功率傳輸方向下,考慮電壓測(cè)量誤差和南匯逆變站分接頭調(diào)節(jié)所致直流電壓偏差,向家壩換流站極母線對(duì)中性母線的電壓UdR維持在UdRN(1±2.25%)的范圍內(nèi)。常規(guī)的控制模式是整流站直流極母線處的恒功率控制模式。直流電流按Id=PRref/Udm確定。其中Udm是整流站平波電抗器線路側(cè)極母線對(duì)中性母線電壓的測(cè)量值。當(dāng)直流電壓Ud下降時(shí),直流電流將升高以維持直流功率不變。直流系統(tǒng)降壓運(yùn)行方式中換流變分接頭達(dá)到極限時(shí),點(diǎn)火角α和熄弧角γ增加。參考5英寸換流閥的技術(shù)參數(shù),大角度運(yùn)行能力約50°,本文對(duì)6英寸晶閘管換流閥大角度運(yùn)行能力按45°考慮。4交換流壓板的參數(shù)4.1換流閥短路電流換流變壓器短路阻抗的計(jì)算選擇是一個(gè)反復(fù)優(yōu)選的過程,以確保換流閥短路電流不超過換流閥允許的最大短路電流值。換流站接入交流系統(tǒng)的強(qiáng)度、直流系統(tǒng)的運(yùn)行工況和控制策略對(duì)換流閥短路電流影響很大,通?？紤]整流器運(yùn)行在α=5°、直流雙極2h過負(fù)荷功率下甩負(fù)荷引起換流母線過電壓雙重條件下?lián)Q流閥故障引起的短路電流。在向家壩換流站,當(dāng)換流變壓器短路阻抗為16%時(shí),換流閥短路電流為50kA;當(dāng)換流變壓器短路阻抗為18%時(shí),換流閥短路電流為46kA。為了給換流閥留有一定的裕度且保證其安全可靠運(yùn)行,采用換流變壓器短路阻抗為18%。加上換流變壓器進(jìn)線PLC有0.4%的阻抗,換流變壓器的感性壓降取為9.2%。當(dāng)南匯換流站作為整流站運(yùn)行時(shí),換流閥最大短路電流也達(dá)46kA,因此,換流變壓器短路阻抗值取18%能夠滿足工程的要求,南匯換流變壓器的相對(duì)感性壓降取為9.2%。4.2換流變壓器分接頭的調(diào)節(jié)范圍及工作原理?yè)Q流變是換流站內(nèi)最重要的關(guān)鍵設(shè)備之一,制造技術(shù)復(fù)雜,設(shè)備費(fèi)用昂貴,其可靠性對(duì)整個(gè)直流系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,是±800kV特高壓直流輸電研發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。換流變型式選擇需要結(jié)合設(shè)備制造能力、大件設(shè)備運(yùn)輸條件、投資以及國(guó)產(chǎn)化等方面進(jìn)行綜合考慮。按照(400+400)kV的換流器接線方案,若采用單相三繞組的換流變壓器,每臺(tái)換流變?nèi)萘靠蛇_(dá)610MVA,超出了目前800kV最大單臺(tái)容量450MVA換流變的生產(chǎn)能力。因此,特高壓直流輸電工程采用了單相雙繞組變壓器。換流變壓器的基本參數(shù)包括額定相電壓UN、額定容量SN、額定電流IN、分接頭調(diào)節(jié)步長(zhǎng)l、分接頭檔位數(shù)n以及直流偏磁電流ip要求等。換流變壓器分接頭是調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)直流電壓的主要手段之一,其調(diào)節(jié)范圍的選擇與分接頭的調(diào)節(jié)控制方式有關(guān),通常有兩種調(diào)節(jié)控制方式:①保持換流變閥側(cè)電壓恒定;②保持直流系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)(如α和γ)在給定的范圍內(nèi)。這兩種方式在實(shí)際工程中都有應(yīng)用,后者需要的分接頭調(diào)節(jié)范圍較大,能有效降低大角度運(yùn)行時(shí)換流閥上所承受的應(yīng)力,是特高壓直流系統(tǒng)優(yōu)選的運(yùn)行控制方式。換流變壓器分接頭的設(shè)計(jì)需要結(jié)合換流母線電壓穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍、直流系統(tǒng)全壓運(yùn)行和降壓運(yùn)行要求、換流閥大角度運(yùn)行能力以及換流變壓器制造能力等方面的要求?！?00kV特高壓直流系統(tǒng)的降壓運(yùn)行水平最低為70%,即560kV。在單極金屬回路接線方式降壓至560kV且直流線路電阻最大時(shí),逆變站需要最低的換流變閥側(cè)電壓以設(shè)計(jì)逆變站的最大分接頭檔位,且分接頭的檔位數(shù)不能超過分接頭檔位的最大制造能力。換流器的點(diǎn)火角不平衡、直流線路流過基頻電流、換流站交流母線的2次諧波電壓以及在單極大地回路運(yùn)行期間由于電流注入接地極引起換流站地電位相對(duì)遠(yuǎn)方地電位升高都將在換流變壓器繞組內(nèi)引起直流電流。直流回路的基頻電流將受到換流變壓器阻抗和線路阻抗的抑制?？紤]上述因素并保證一定的裕度,可提出對(duì)換流變壓器的直流偏磁要求。綜合考慮以上因素,計(jì)算得出±800kV特高壓直流輸電工程中換流變壓器的參數(shù)如表5所示。5靜態(tài)運(yùn)行壓力晶閘管換流閥是換流器的基本單元,是換流的關(guān)鍵設(shè)備。換流閥系統(tǒng)應(yīng)能在預(yù)定的外部環(huán)境及系統(tǒng)條件下按規(guī)定要求安全可靠運(yùn)行,并滿足低損耗、安裝及維護(hù)方便、投資少的要求。按照(400+400)kV換流器的接線方案,主回路計(jì)算中需確定對(duì)應(yīng)于六脈動(dòng)換流器的空載直流電壓有額定空載直流電壓UdioN、用于換流閥組等設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)用的絕對(duì)最大空載直流電壓Udioabs、用于換流變分接頭級(jí)數(shù)計(jì)算的空載直流電壓UdioOLTC及限制分接頭操作的空載直流電壓限制值等。其中,空載直流電壓限制值是為了防止穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)設(shè)備過電壓?？蛰d直流電壓Udi0限制器優(yōu)先于正常的換流變分接頭控制,換流變閥側(cè)有2個(gè)限制:分接頭動(dòng)作降低空載直流電壓的下限值Udi0L和禁止分接頭提高空載直流電壓的下限值Udi0G,通過調(diào)節(jié)換流變分接頭控制換流變閥側(cè)電壓,可確保Udi0≤Udi0L。當(dāng)Udi0G<Udi0<Udi0L,Udi0限制器禁止提高換流變閥側(cè)Udi0的換流變分接頭動(dòng)作;當(dāng)Udi0>Udi0L,Udi0限制器調(diào)節(jié)分接頭以降低換相電壓Udi0。向家壩—上?！?00kV特高壓直流輸電工程中的Udio見表6所示。6變壓器換相失敗時(shí),a特高壓直流輸電系統(tǒng)中,平波電抗器分別布置在高壓12脈動(dòng)閥組與直流線路之間和低壓12脈動(dòng)閥組和中性母線之間。它的功能為:抑制直流電流紋波分量,保證最小直流運(yùn)行工況下電流不間斷;與直流濾波器相匹配,以限制直流諧波使直流電流滿足諧波要求;限制直流系統(tǒng)故障或受擾動(dòng)時(shí)直流電流上升的速率和幅值;在逆變器發(fā)生某些故障時(shí)避免引起繼發(fā)的換相失敗;減小因交流系統(tǒng)電壓下降引起逆變器換相失敗的機(jī)率;阻隔和衰減雷電波,當(dāng)直流線路落雷時(shí),雷電波受平波電抗器和直流濾波器聯(lián)合阻隔、衰減。但是,如果平抗電感值過大,會(huì)降低直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,電流迅速變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓。確定平波電抗器的電感時(shí),需考慮以下因素:①防止換相失敗。為降低換相失敗風(fēng)險(xiǎn),變壓器的短路阻抗應(yīng)盡可能小,使換相時(shí)間縮短,而平波電抗器的電感應(yīng)盡可能高。交流系統(tǒng)越弱,這個(gè)因素的重要性越高。如果需要達(dá)到某個(gè)特定的性能(如交流電壓下降10%)不會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗,需要仿真研究來驗(yàn)證所選的電感值是否合適。②降低與交流系統(tǒng)間諧波的相互影響。③避免在低負(fù)載時(shí)出現(xiàn)直流電流的間斷。④限制換流變壓器中的直流偏磁電流。特高壓直流輸電系統(tǒng)中,采用文中公式計(jì)算平波電抗器的電