特高壓直流輸電工程主回路參數的優(yōu)化設計

特高壓直流輸電工程主回路參數的優(yōu)化設計

0特高壓直流輸電工程由于中國能源資源和經濟的逆向分布，通過長距離和高壓電氣，大型能源基地的能源向能源不足的中旬地區(qū)的能源轉移趨勢已成為趨勢。特高壓直流輸電作為一種遠距離、大容量輸電技術,是實現我國能源資源優(yōu)化配置的有效途徑［1-6］。目前我國已有2條±800kV特高壓直流輸電工程正式投運,此外還有多條特高壓直流工程正在規(guī)劃建設中［7-10］。隨著±800kV特高壓直流輸電工程的順利開展和實施,以及為了滿足未來更大容量、更遠距離的輸電需求,有必要進一步研究更高電壓等級的直流輸電技術?！?100kV直流是我國正在研究的一個全新輸電電壓等級,對于提高我國直流輸電技術的自主創(chuàng)新能力具有重大意義［11-16］。準東—四川特高壓直流輸電工程計劃采用±1100kV電壓等級,輸送容量達10450MW,建成后將成為世界上電壓等級最高、輸送容量最大的直流輸電工程,目前國內外均無設計和實際運行經驗可供借鑒。直流系統主回路參數設計是特高壓直流輸電工程研究的重要組成部分,是進一步開展特高壓直流輸電各項研究的基礎［17-21］。主回路參數設計的主要內容包括:換流站主接線及運行方式的確定;直流系統穩(wěn)態(tài)運行參數的計算,如直流電壓、電流、輸送功率以及換流站消耗的無功功率等;換流器和換流變壓器等關鍵設備的基本參數。這些計算結果將為直流輸電系統的深入研究,如無功功率補償與控制、換流站的過電壓與絕緣配合等提供基礎條件。本文依托準東—四川±1100kV特高壓直流輸電工程,對該工程的主回路參數進行了設計,得到了換流器和換流變壓器等關鍵設備的基本參數,并計算了典型運行工況下兩端換流站的無功消耗以及直流系統的穩(wěn)態(tài)運行特性。1系統的基本組成1.1特高壓直流換流站換流器串聯接口線路方案在我國常規(guī)±500kV高壓直流輸電工程中,換流站主回路接線采用每極1個12脈動換流器的接線方式,即單12脈動接線。對于±800kV特高壓直流工程,由于受系統過電壓和換流變壓器制造和運輸條件的限制,換流器接線與常規(guī)±500kV高壓直流輸電工程不同,在我國已投運的云南—廣東和向家壩—上?！?00kV特高壓直流輸電工程中,換流站均采用2個12脈動換流器串聯(400kV+400kV)的接線方案,即雙12脈動接線。根據現有技術條件和制造水平,特高壓直流換流站采用雙12脈動換流器串聯的接線方案已基本成熟。對于±1100kV特高壓直流輸電工程,電壓等級更高、輸送容量更大,換流站換流器的接線方案主要有每極2個12脈動換流器串聯和每極3個12脈動換流器串聯2種接線方案,本文針對每極采用2個12脈動換流器串聯的接線方案進行研究,每組12脈動換流單元的額定電壓為550kV。由于每極采用2個12脈動換流器串聯接線,系統運行方式靈活多樣,有雙極和單極等多種運行方式［18-19］,具體主要有:完整雙極平衡運行方式,每站每極2個12脈動換流器均串聯投入運行;不完整(1/2極)雙極平衡運行方式,每站每極均投入1個12脈動換流器;完整單極大地回路運行方式,一極停運,另一極2個12脈動換流器串聯運行,經大地返回;不完整(1/2極)單極大地回路運行方式,一極停運,另一極1個12脈動換流器運行,經大地返回;完整單極金屬回路運行方式,一極停運,另一極2個12脈動換流器串聯運行,經金屬回線返回;不完整(1/2極)單極金屬回路運行方式,一極停運,另一極1個12脈動換流器運行,經金屬回線返回;不完整雙極運行方式,雙極中一極2個12脈動換流器串聯運行,另一極只有1個12脈動換流器運行。其中,直流系統單極金屬回線運行方式下,逆變站為接地站。計算工程主回路參數時需同時考慮以上各種運行方式,在計算系統額定參數時,應以完整雙極平衡運行方式且準東換流站作為整流站(即功率輸送方向為準東至成都)為基礎。1.2逆變側6脈動換流器特性準東—四川±1100kV特高壓直流工程雙極額定輸送功率為10450MW,直流額定運行電壓為±1100kV,直流額定電流為4.75kA,送端位于新疆準東煤電基地,受端位于成都,送電距離約為2418km。換流站內平波電抗器按戶外干式絕緣考慮,每極平波電抗器電感量按240mH考慮,并采用分置于直流極母線與中性母線(簡稱平抗分置)的布置方式,各為120mH(60mH+60mH)。為方便敘述,下文中下標R表示整流側,下標I表示逆變側,下標N表示額定,如drNI為逆變側6脈動換流器的額定相對阻性壓降。換流站接入交流系統的電壓參數為:送端換流站和受端換流站的額定運行電壓分別為770kV和525kV;送端換流站和受端換流站的最高穩(wěn)態(tài)電壓分別為800kV和550kV;送端換流站和受端換流站的最低穩(wěn)態(tài)電壓分別為750kV和500kV;送端換流站和受端換流站的最高極端電壓分別為800kV和550kV;送端換流站和受端換流站的最低極端電壓分別為713kV和475kV。特高壓設備在制造中會產生與設計參數間的誤差,這些誤差確定了系統各運行參數極值,而這些極值是直流系統設計的重要參考依據。根據現階段特高壓設備的研制生產能力,該特高壓直流輸電工程中采用的控制系統參數、設備制造公差和測量誤差如下。控制系統參數:a.額定觸發(fā)角αN=15°,觸發(fā)角α的穩(wěn)態(tài)波動范圍Δα=±2.5°,最小觸發(fā)角αmin=5°;b.額定熄弧角γN=17°;c.分接頭變化一檔對應的整流側直流電壓變化ΔUd=±1.25%UdRN/2,分接頭變化一檔對應的整流側直流電流變化ΔId=±0.86%IdRN/2,其中,UdRN為整流側額定直流電壓,IdRN為整流側額定直流電流。設備公差和測量誤差:a.正常直流電壓運行范圍內換流變壓器相對感性壓降dx的最大制造公差δdx為-7%dxN~5%dxN;b.直流電壓Ud的測量誤差δUdmeas=±0.5%UdN,直流電流Id的測量誤差δIdmeas=±0.3%IdN;c.逆變側熄弧角的測量誤差δγI=±1.0°,整流側觸發(fā)角的測量誤差δαR=±0.5°;d.電容式分壓器電壓互感器測量誤差δUdio=±1.0%UdioN。1.3dmase雙向流動控制該工程雙極額定直流電壓為±1100kV,額定輸送功率為10450MW,額定直流電流為4.75kA?？紤]到換流變壓器分接頭檔位和電壓測量誤差,直流電壓的誤差范圍為:故考慮誤差的最大直流運行電壓Udmax為:小于規(guī)定的直流電壓最大值1122kV。工程額定直流電流為4.75kA,送端換流站的整流器一般作為直流電流的控制端,考慮到在恒功率控制方式下當直流電壓低于額定值時,控制系統會發(fā)出一個大于額定電流值的直流電流指令,且存在電流測量誤差。因此,雙極額定運行方式下,最大連續(xù)直流電流Idmax為:同理,在輸送功率最小,即Pdmin=1045MW(即0.1p.u.)時,對應的最小直流電流Idmin為:在1.1倍連續(xù)過負荷時,UdioR不應超過其在額定功率時的值,保持整流器觸發(fā)角、換流器相對感性壓降和整流側空載直流電壓為額定值,計算得到UdR將下降至1080.8kV,故過負荷運行時直流電流為:2流量控制器的基本設計2.1換流閥側定額相對感性壓降u黨建特高壓直流輸電工程中采用6英寸晶閘管換流閥,在主回路計算中需考慮各種電阻性損耗和壓降。每個6脈動換流器的額定相對阻性壓降drN定義為:其中,Pcu為換流變壓器和平波電抗器在6脈動換流器額定運行工況下的負載損耗;Rth為晶閘管上與電流相關的電壓降;UdioN為換流變壓器閥側額定空載直流電壓;因子2是由于在6脈動換流器中,總是有2個換流閥同時導通。根據換流閥特性及以往工程經驗,并考慮各種阻性損耗,換流站的相對阻性壓降dr和換流閥前向壓降UT的取值分別為0.3%和0.6kV。換流器額定相對感性壓降dxN定義為:其中,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程的電抗。換流器額定相對感性壓降dxN與換流變壓器短路阻抗uk之間的關系如下:其中,uPLC為回路中PLC濾波電抗器的相對電壓降。不采用PLC濾波器時,,在本工程主回路參數設計時暫不考慮PLC濾波器。根據下文3.1節(jié)給出的換流變壓器短路阻抗值,可得兩端換流站的相對感性壓降:其中,dxNR和dxNI分別為整流站和逆變站的額定相對感性壓降。2.2角r和變壓器換相角i的計算公式換相角是指換流器換相過程所經歷的時間用相應的相角表示,是換流器的重要參數之一。整流器換相角μR的的計算公式為:逆變器換相角μI的計算公式為:其中,UdioR和UdioI分別為整流器和逆變器的理想空載直流電壓。額定雙極平衡運行方式下,式(6)、(7)中的UdioR、UdioI和Id均為額定值,故由計算公式可得μR=28.5°、μI=27.2°。2.3換流站的確定由于特高壓直流輸電工程中采用了雙12脈動換流器的接線方案,主回路參數設計中需要確定6脈動換流器的空載直流電壓,包括整流站和逆變站的額定空載直流電壓、空載直流限值等,這些參數的計算是確定換流變相關參數的基礎,同時也可以為換流站過電壓與絕緣的配合提供依據。根據直流輸電的基本理論可知,每個6脈動換流器兩端的直流電壓計算公式為:其中,UdR和UdI分別為整流側和逆變側雙12脈動換流器兩端的直流電壓;n為每站每極6脈動換流器的數量,在該特高壓直流工程中n=4。2.3.1定額載荷直流電壓對式(8)、(9)進行變換整理,可得兩端換流站的額定空載直流電壓。整流側準東換流站的額定空載直流電壓為:逆變側成都換流站的額定空載直流電壓為:其中,RdN為直流輸電線路額定直流電阻。2.3.2閥側換流分接頭動作邏輯整流站換流變最大空載直流電壓UdioRmax為:其中,ΔUdoLTC、ΔIdoLTC分別為分接頭變化一檔對應的直流電壓和電流變化。可得UdioRmax=328.61kV。將UdioRmax的值作為分接頭開關選擇的閥側最大空載直流電壓,用于設計換流變分接頭負的最大檔位。整流站換流變最小空載直流電壓UdioRmin的計算公式同式(12),其計算條件如下:將UdioRmin的值作為分接頭開關選擇的閥側最小空載直流電壓,但是在換流變分接頭設計時,此值只用于確定可接受的最小正向換流變分接頭檔位,最大正向分接頭檔位數由降壓運行方式下的最小空載直流電壓確定?？蛰d直流電壓Udio限制器是為了防止穩(wěn)態(tài)運行時設備的過電壓,它優(yōu)先于正常的換流變壓器分接頭控制,其動作邏輯包含2個限值:禁止分接頭動作以降低空載直流電壓的上限值UdioG和使分接頭動作以降低空載直流電壓的下限值UdioL。動作邏輯［18-19］具體如下:當UdioG<Udio<UdioL時,限制器禁止提高換流變閥側換相電壓Udio的分接頭動作;當Udio>UdioL時,限制器調節(jié)換流變分接頭動作,以降低Udio。此外,UdioL的值應足夠大,以防止換流變壓器分接頭頻繁動作。在確定這2個限值時,UdioGR應選為換流變最大空載直流電壓328.61kV,UdioLR計算公式為:其中,Δη為換流變分接頭檔距,整流側取0.86%。考慮測量誤差的絕對最大直流空載電壓UabsR為:因此,整流站絕對最大直流空載電壓設計值可選為337.0kV。2.3.3逆變側最大靜態(tài)直流電壓計算逆變站換流變最大空載直流電壓UdioImax為:可得UdioImax=322.49kV。取如下計算條件代入式(13):可得逆變站分接頭開關選擇的最大空載直流電壓為317.69kV。取如下計算條件代入式(13):可得UdioImin=296.57kV,直流回路電阻乘以2是因為計算該參數時所選取的系統運行方式為單極金屬回線運行,2條直流線路均接入回路,此時逆變側對應的空載直流電壓最小。逆變站分接頭開關選擇的最小空載電壓也取296.57kV。逆變側空載直流電壓Udio限制器選取如下:考慮測量誤差的絕對最大空載直流電壓計算值UabsI為:因此,逆變站絕對最大空載直流電壓的設計值可選為326.0kV。綜上所述,兩端換流站的換流變壓器閥側空載直流電壓如表1所示。3換流變壓器型式換流變壓器是特高壓直流工程換流站內最重要的關鍵設備之一,其設計、制造技術難度較大,設備費用昂貴,并且其可靠性對整個直流輸電系統的安全穩(wěn)定運行起著至關重要的作用［18］。換流變壓器型式的選擇需要綜合考慮設備制造能力、運輸條件和投資費用等各個因素,由于受到單臺單相三繞組變壓器容量生產能力和運輸條件的限制,目前特高壓直流工程均采用了單相雙繞組變壓器［22-23］。與±800kV特高壓直流工程相比,±1100kV特高壓直流工程換流變的容量更大,絕緣水平也更高,因此本工程換流變推薦采用單相雙繞組形式。換流變壓器的基本參數包括短路阻抗、有載調壓分接頭范圍、額定線電壓和額定容量等,下面分別對這些參數進行設計。3.1短路電阻的確定換流變壓器短路阻抗的選取對直流系統故障時閥所承受的最大閥側短路電流、換流器消耗的無功以及換流變壓器相關設備的制造成本和運輸條件等都有影響［17-18，23］。短路阻抗的確定首先需要確保換流閥短路后的閥側短路電流不超過換流閥允許的最大短路電流值。但是短路阻抗過大,會使換流器消耗的無功功率增大,換流器換相過程中的換相壓降過大。綜合考慮換流變壓器的設計優(yōu)化,并結合實際運行經驗以及設備的制造水平、運輸條件等因素,該工程換流變壓器短路阻抗uk選為24%。3.2分接頭調節(jié)范圍換流變壓器分接頭是調節(jié)直流系統穩(wěn)態(tài)運行時直流電壓的主要手段之一,當交流電壓和直流功率在給定范圍內變化時限制換流器觸發(fā)角或熄弧角在一定范圍。換流變壓器分接頭的設計包括分接頭調節(jié)步長和檔位選擇。分接頭調節(jié)步長的選擇與直流系統的控制策略密切相關,需要考慮換流變壓器分接頭調節(jié)一檔所引起的換流器控制角度的變化大小,在角度控制范圍內要防止分接頭頻繁動作。結合已有或在建特高壓直流工程的運行經驗,整流側準東換流站交流側接入為750kV系統,換流變分接頭調節(jié)步長取為0.86%,逆變側成都換流站交流側接入為500kV系統,換流變分接頭調節(jié)步長取為1.25%。換流變壓器分接頭調節(jié)范圍的確定需要綜合考慮換流母線電壓穩(wěn)態(tài)波動范圍、直流系統運行方式、全壓以及降壓運行要求、換流閥允許的最大觸發(fā)角(關斷角)限制和換流變壓器的制造能力等方面的要求。相對于0分接頭位置的額定換流變壓器變比nnom計算如下:其中,U1max為換流站交流母線最高穩(wěn)態(tài)運行電壓。換流變壓器最小變比nmin計算如下:其中,U1min為換流站交流母線最低穩(wěn)態(tài)運行電壓。換流變壓器有載調壓分接頭檔位數Tstep計算如下:其中,Δη為分接頭調節(jié)步長,整流側取0.86%,逆變側取1.25%;nT為換流變壓器變比。將式(15)、(16)中的變比數據代入式(17),計算得準東站換流變壓器的分接頭檔位數為+21/-4,成都站換流變壓器的分接頭檔位數為+9/-5。但是,在實際工程中,由于直流降壓運行的要求,需要增加換流變壓器正向分接頭檔位數,來達到降壓運行要求,并且滿足換流器的控制角在規(guī)定范圍之內?！?100kV特高壓直流系統的降壓運行水平最低為70%,即為770kV,在此工況下對換流變壓器分接頭檔位數重新進行計算,可得到兩端換流站換流變壓器的最大正分接頭數。最終得到兩端換流站換流變壓器的分接頭檔位數分別為:整流站+28/-4,逆變站+20/-5。3.3逆變站換流變壓器換流變壓器閥側線電壓計算如下:換流變壓器閥側交流電流有效值,故可得連接6脈動換流器的換流變壓器三相容量額定值SN為:由于特高壓直流工程中采用單相雙繞組變壓器,其額定容量應為三相容量額定值的1/3。故可得兩端換流站換流變壓器額定容量的計算如下:綜合上述各節(jié)計算結果,±1100kV準東—四川特高壓直流輸電工程兩端換流站換流變壓器的主要參數如下,閥側繞組為星三角接線,以閥側繞組(Y)和閥側繞組(△)表示。整流站換流變壓器參數如下。a.額定相電壓:網側繞組,444.56kV;閥側繞組(Y),139.78kV;閥側繞組(△),242.11kV。b.最大穩(wěn)態(tài)相電壓:網側繞組,461.88kV;閥側繞組(Y),144.07kV;閥側繞組(△),249.54kV。c.額定容量:網側繞組,542.11MV·A;閥側繞組(Y),542.11MV·A;閥側繞組(△),542.11MV·A。d.雙極運行、分接頭在額定位置時額定電流:網側繞組,1.219kA;閥側繞組(Y),3.878kA;閥側繞組(△),2.239kA。e.分接頭檔位數為+28/-4,分接頭調節(jié)步長為0.86%,分接頭在額定位置時的阻抗為24%。逆變站換流變壓器參數如下。a.額定相電壓:網側繞組,303.11kV;閥側繞組(Y),134.49kV;閥側繞組(△),232.94kV。b.最大穩(wěn)態(tài)相電壓:網側繞組,317.54kV;閥側繞組(Y),139.37kV;閥側繞組(△),241.40kV。c.額定容量:網側繞組,521.59MV·A;閥側繞組(Y),521.59MV·A;閥側繞組(△),521.59MV·A。d.雙極運行、分接頭在額定位置時額定電流:網側繞組,1.721kA;閥側繞組(Y),3.878kA;閥側繞組(△),2.239kA。e.分接頭檔位數為+20/-5,分接頭調節(jié)步長為1.25%,分接頭在額定位置時的阻抗為24%。4直沖系統的無效載荷和靜態(tài)特性4.1容性無功功率的計算換流站在換相過程中會消耗大量的容性無功功率,通常整流器、逆變器消耗的無功功率達直流輸送功率的30%~50%、50%~60%。換流站消耗的無功功率大小與直流輸送功率、直流電壓、直流電流及換相角等運行參數有關［24-25］,換流站的無功消耗計算可為換流站的無功補償設計提供依據。整流側1個12脈動換流器所消耗的容性無功功率可根據式(21)計算:其中,Udio取換流器理想空載直流電壓。對于逆變站,將上述公式中的觸發(fā)角α換成熄弧角γ即可。