德寶直流德陽換流站無功平衡與站內(nèi)配置分析

鄧鴻強， 王渝紅， 明志強， 李興源， 戴寒光， 何 琰

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院， 成都 610065；2.四川省電力公司超(特)高壓運行檢修公司， 成都 610041；3.西南電力設(shè)計院， 成都 610021)

德寶直流德陽換流站無功平衡與站內(nèi)配置分析

鄧鴻強1， 王渝紅1， 明志強2， 李興源1， 戴寒光1， 何 琰3

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院， 成都 610065；2.四川省電力公司超(特)高壓運行檢修公司， 成都 610041；3.西南電力設(shè)計院， 成都 610021)

換流站無功平衡對交直流系統(tǒng)的正常運行有著非常重要的影響。德寶直流輸電工程是四川和陜西“水火互濟”的直流聯(lián)網(wǎng)工程，優(yōu)化了兩地能源資源配置。根據(jù)高壓直流輸電穩(wěn)定運行要滿足的無功平衡條件，結(jié)合交流系統(tǒng)的無功補償能力，重點分析在不同運行方式下的無功功率消耗和無功補償裝置配置方式，研究德陽換流站分別作為整流站和逆變站運行時的無功平衡，通過計算和數(shù)字仿真，驗證了德陽換流站的無功補償容量的正確性和裝置配置方案的有效性。

德寶直流輸電； 換流站； 無功平衡； 無功配置

隨著國家“西電東送，南北互供，全國聯(lián)網(wǎng)”能源發(fā)展戰(zhàn)略的逐步實施，我國各大區(qū)域電網(wǎng)已出現(xiàn)世界上規(guī)模最大的遠距離大容量輸電格局[1，2]。而在遠距離大容量輸電模式中，高壓直流輸電由于其調(diào)節(jié)快速，運行可靠，線路損耗小，不存在安全穩(wěn)定性問題[3，4]等優(yōu)點變得更為可行，但高壓直流輸電系統(tǒng)在運行時不管是整流側(cè)還是逆變側(cè)都將消耗大量的容性無功功率[4～12]，因此，必須在交流母線上安裝相應(yīng)的無功補償裝置提供無功功率以使換流站無功達到平衡。

換流站無功平衡是指交流系統(tǒng)的無功補償能力、無功補償裝置的無功供給能力和在無功電壓控制下的無功功率消耗三者之間的平衡，反映了無功配置、調(diào)節(jié)和控制方面的要求。本文分析了德陽換流站站內(nèi)的無功功率平衡和各種不同運行方式下的德陽換流站的無功消耗，簡述了德陽換流站無功容量和分組方案，最后驗證了其分組和投切方案的有效性。

1 德陽換流站及其運行方式

德陽-寶雞直流聯(lián)網(wǎng)工程額定直流電壓±500 kV，額定容量3000 MW。單極運行功率1500 MW，在最大環(huán)境溫度和冗余冷卻設(shè)備投入的條件下，能夠正送3150 MW功率。德陽換流站位于四川德陽的羅江縣，整個直流線路全長574 km。

德陽換流站作為整流站，寶雞換流站作為逆變站運行時，稱為功率正送運行方式；德陽換流站作為逆變站，寶雞換流站作為整流站運行時，稱為功率反送運行方式。德寶直流輸電工程主要在正送方式下運行即常規(guī)送電方向為從四川的德陽換流站至陜西的寶雞換流站。四川具有豐富的水電資源，水電廠裝機容量占四川電網(wǎng)總裝機容量60%以上，在豐水期，為充分利用水資源，避免棄水，將充沛的“水電”通過功率正送方式輸送到陜西；在枯水期，由于四川火電裝機不足，被迫拉閘限電，利用陜西煤礦資源豐富的優(yōu)勢，將“火電”通過功率反送方式輸送到四川，形成“水火互濟”，優(yōu)化了兩地能源資源，提高了兩地的有電水平。

德寶直流輸電工程運行方式主要有：(1)雙極全壓運行方式，直流輸送額定功率；(2)單極金屬回路運行方式，輸送功率為額定功率的一半；(3)單極大地回路運行方式，輸送功率為額定功率的一半；(4)降壓80%運行方式，輸送功率為額定功率的80%；(5)降壓70%運行方式，輸送功率為額定功率的70%；(6)功率反送方式。

2 換流站站內(nèi)無功平衡

高壓直流輸電系統(tǒng)運行時，必須滿足換流站與交流系統(tǒng)的無功功率平衡，換流站的無功交換情況可用圖1所示。

圖1 換流站無功功率平衡

換流器與交流系統(tǒng)的無功功率平衡的定義為

Qac=Qtotal-Qdc

(1)

式中：Qac為交流系統(tǒng)參與的無功功率，Mvar；Qtotal為容性無功補償裝置產(chǎn)生的無功功率減去并聯(lián)電抗器吸收的無功功率的差值，Mvar；Qdc為換流器吸收的無功功率，Mvar。

如果Qac為負，那么換流站會從交流系統(tǒng)吸收容性無功功率；如果Qac為正，那么換流器會向交流系統(tǒng)提供容性無功功率。根據(jù)相連的交流系統(tǒng)最大的無功發(fā)出和吸收能力[5]，考慮一定的無功死區(qū)，確定無功設(shè)備的投入點和切除點，以滿足直流輸電工程無功平衡。

2.1 交流系統(tǒng)的無功補償能力

交流系統(tǒng)的無功補償能力是指交流系統(tǒng)參與換流站無功平衡的能力。這種能力受交流系統(tǒng)的負荷水平、發(fā)電機出力、電網(wǎng)電壓的控制方式、無功補償設(shè)備的投切以及電網(wǎng)接線方式的變化等條件的影響[6]。因此，不同狀況下的交流系統(tǒng)向換流站提供無功功率的能力會有較大的不同。

充分合理地利用交流系統(tǒng)的無功補償能力對換流站的無功平衡和投資的經(jīng)濟性是十分重要的。一方面，對于位于大型的水、火電站附近高壓直流輸電的換流站，當(dāng)直流輸電大負荷運行時，交流系統(tǒng)可以提供部分的容性無功功率；另一方面，在直流系統(tǒng)小負荷運行時，利用發(fā)電機的進相能力，可以吸收換流站過剩的容性無功功率。這種利用交流系統(tǒng)的無功補償能力可以減少換流站內(nèi)裝設(shè)的無功補償設(shè)備，降低直流系統(tǒng)停運時的甩負荷過電壓水平，還可以減少無功補償設(shè)備的分組，降低換流站造價，節(jié)省相應(yīng)的變電設(shè)備和控制保護設(shè)備的投資[4，8，10]。

德陽換流站處于四川電網(wǎng)，長期穩(wěn)態(tài)運行電壓為525 kV，經(jīng)無功平衡計算，得出交流系統(tǒng)提供的無功為100 Mvar，無功吸收能力為160 Mvar，無功死區(qū)的設(shè)置一般大于最大無功補償小組的一半，以避免濾波器或電容器的頻繁投切，根據(jù)實際運行情況，德陽換流站無功死區(qū)設(shè)定為84 Mvar。

2.2 換流站無功消耗的計算

高壓直流輸電換流站無功補償計算須結(jié)合一定的交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)參數(shù)條件，計算出在各種運行方式下的無功消耗。交流系統(tǒng)條件包括兩端換流站接入點的電壓等級、電壓運行范圍、短路容量、無功支持能力等；直流系統(tǒng)條件包括直流電壓、直流電流、運行方式以及直流線路參數(shù)和接地極參數(shù)等。德陽換流站的各種運行方式下的無功消耗可以通過下列式子計算得出[7]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Id為直流電流，kA；IdN為額定直流電流，kA；UdR、UdI分別為整流側(cè)和逆變側(cè)的直流電壓，kV；UdioR、UdioI分別為整流側(cè)和逆變側(cè)的換流變壓器閥側(cè)理想空載直流電壓，kV；UdioNR、UdioNI分別為整流側(cè)和逆變側(cè)的換流變壓器閥側(cè)額定理想空載直流電壓，kV；UT為三相6脈動換流閥正向?qū)▔航?，其值很小，用于工程計算時可忽略不計；n為每極6脈動換流器數(shù)，對于12脈動換流器，則n=2；dxR、drR分別為整流側(cè)等值感性和阻性的壓降標(biāo)幺值。

將式中的α換成γ即為逆變器Qdc的計算公式。

穩(wěn)定運行時，額定觸發(fā)角為15°，控制范圍為±5°，額定熄弧角分別控制在17°。計算時，要計及一定的換流變+5%的制造公差及Ud、Id、α、γ等測量誤差，分別取-1%，+0.3%，+0.5°，+1.0 °。計算結(jié)果如表1所示。在雙極全壓運行方式下，α=14.4°，γ=17.7°功率正送(功率反送)方式下，無功消耗為1573.5 Mvar(1657.4 Mvar)；降壓80%運行方式下，α=14.5°，γ=17.8°無功消耗為1237.1 Mvar(1309.3 Mvar)；降壓70%運行方式下，α=22.1°，γ=31.2°無功消耗為1334.6 Mvar(1678.3 Mvar)；單極大地運行方式，α=13.5°，γ=17.7°無功消耗為735.9 Mvar(793.5 Mvar)；單極金屬運行方式，α=14.7°，γ=17.8°無功消耗為734.9 Mvar(769.1 Mvar)?？梢钥闯觯S著運行電壓的降低，傳輸?shù)墓β室蚕鄳?yīng)地降低，但觸發(fā)角和熄弧角也會相應(yīng)大幅提高，消耗的無功反而有所增加。

表1 德陽換流站不同運行方式和傳輸功率下的無功消耗

2.3 德陽換流站無功補償分組容量的確定

2.3.1 無功小組容量的估算

換流站投切無功最小分組容量與換流站交流母線的電壓變化率之間的關(guān)系可由下式表示：

ΔQ=ΔU×Sd

(6)

式中：ΔQ為無功小組容量，MVA；ΔU為允許的換流站交流母線暫態(tài)電壓變化率，p.u.；Sd為換流站交流母線短路容量，MVA。

2.3.2 無功大組容量的估算

換流站投切無功大組容量與換流站交流母線的電壓變化率之間的關(guān)系可由下式表示：

ΔQ=ΔU×(Sd-ΣQf)

(7)

式中：ΔQ為無功大組容量，MVA；ΣQf為投切無功大組后換流站交流母線上總的無功補償容量，MVA。

無功補償裝置的投切將會引起交流母線電壓的變化，當(dāng)濾波器或并聯(lián)電容器投切時，德陽換流站暫態(tài)電壓無功小組投切變化率小于1.5%，無功大組投切變化率小于5%，在工程的實際運行中大組只有切除，沒有投入，一般在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時才切除一組或幾組無功大組[6，10]。根據(jù)公式(6)，(7)由短路容量可以估算出德陽換流站無功小組容量和無功大組容量，無功大小組投切引起的交流母線電壓變化如表2和表3所示。

表2 德陽換流站投切無功小組引起的電壓波動

表3 德陽換流站投切無功大組引起的電壓波動

可以看出，德陽換流站投切無功小組和大組引起的交流母線電壓均在允許的范圍內(nèi)。

2.4 無功補償裝置的配置

高壓直流輸電的運行方式多，功率調(diào)節(jié)快速、平穩(wěn)，輸送功率變化范圍很大。為適應(yīng)直流輸電各種運行方式和不同輸送功率的改變，同時滿足換流站交流母線電壓變化的需要，換流站的無功補償裝置必須實行分組投切運行[10]。

通常將無功補償裝置分成3～5個無功大組，每一個大組中又包括3～5組無功小組或交流濾波器小組。分組時，還要充分考慮諧波的影響，應(yīng)將各種類型的濾波器盡可能均勻地分配于各個無功大組之中。換流站無功分組方案的確定是一個不斷優(yōu)化的過程，首先估算出無功大、小組容量，再根據(jù)系統(tǒng)運行方式的變化，結(jié)合裝置配置的濾波性能和無功大、小組的合理匹配，對無功分組容量做進一步優(yōu)化，最終使換流站站內(nèi)配置達到最優(yōu)[10，13]。

德陽換流站無功配置采用了3個大組，每一大組由4個小組組成，共12個小組，每個小組的容量均為155 Mvar，補償總?cè)萘繛?860 Mvar的配置方案。具體配置如表4所示。需說明的是，上述配置方案直接引用了實際的工程設(shè)計配置方案。

2.5 換流站無功補償容量的校核

換流站容性無功補償容量可由下式計算[6]：

(8)

式中：Qsb為在正常電壓下由最大的交流濾波器分組或并聯(lián)電容器分組所提供的容性無功功率，Mvar；N為備用的無功補償設(shè)備組數(shù)，一般取一組最大無功小組；Uac為換流站交流母線電壓標(biāo)幺值，計算時，取Uac為1.0 p.u.。

表4 德寶直流輸電工程德陽換流站無功配置

在雙極全壓運行方式下，整流運行時，Qac=-100 Mvar，Qdc=1573.5 Mvar，Qsb=155 Mvar，可得出Qtotal≥1628.5 Mvar，此時投入的無功補償容量為11×155=1705 Mvar。逆變運行時，Qac=-50 Mvar，Qdc=1656.9 Mvar，Qsb=155 Mvar，可得出Qtotal≥1761.9 Mvar，此時投入的無功補償容量為12×155=1860 Mvar?？梢姡还苁钦鬟\行還是逆變運行，德陽換流站的無功補償容量都能滿足直流系統(tǒng)運行的無功需求。德陽換流站濾波器組合配置如表5所示。

表5 直流雙極全壓運行方式下德陽換流站無功補償裝置投切策略

3 換流站無功小組投切仿真

隨著傳輸功率的變化，結(jié)合交流系統(tǒng)的無功補償能力，換流站需投切相應(yīng)的濾波器和并聯(lián)電容器以滿足直流系統(tǒng)所需要的無功功率和濾波要求。

根據(jù)換流站實際運行情況和濾波器的濾波性能，在直流雙極全壓運行方式下，德陽換流站濾波器組合配置如表5所示，整流運行時無功小組投切曲線和與交流系統(tǒng)的無功交換曲線如圖2和圖3，逆變運行時無功小組投切曲線和與交流系統(tǒng)的無功交換曲線如圖4和圖5所示。

圖2 德陽換流站整流運行時無功小組投切曲線

圖3 德陽換流站整流運行時投切無功小組與交流系統(tǒng)的無功交換

圖4 德陽換流站逆變運行時無功小組投切曲線

圖5 德陽換流站逆變運行時投切無功小組與交流系統(tǒng)的無功交換

可以看出，德陽換流站，無論是整流運行還是逆變運行，在滿足換流站諧波濾波要求條件下，德陽換流站與交流系統(tǒng)的無功交換仍在允許范圍內(nèi)，故上述無功配置方案可行。

4 結(jié)語

在各種運行方式下，德陽換流站站內(nèi)無功能夠達到平衡，雙極全壓運行方式下，無功消耗為1573.5 Mvar(1657.4 Mvar)，降壓80%運行方式下，無功消耗為1237.1 Mvar(1309.3Mvar)，降壓70%運行方式下，無功消耗為1334.6 Mvar(1678.3 Mvar)，逆變運行比整流運行時消耗的容性無功功率多。換流站內(nèi)無功功率補償裝置配置方式能夠滿足德寶直流輸電工程德陽換流站的穩(wěn)定運行條件，投切無功大小組引起的母線電壓變化在允許的范圍內(nèi)，站內(nèi)提供的無功補償容量和投切方式，能夠滿足各種直流運行方式下的無功要求，使換流站無功達到平衡。

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鄧鴻強(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。Email:denghqyfyh@163.com

王渝紅(1971-)，女，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、高壓直流輸電。Email:yuhongwang@scu.edu.cn

李興源(1945-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、高壓直流輸電。Email:xy.li@163.com

AnalysisonReactivePowerBalanceandItsConfigurationforDeyangConverterStationofDebaoHVDCProject

DENG Hong-qiang1， WANG Yu-hong1， MING Zhi-qiang2，LI Xing-yuan1， DAI Han-guang1， HE Yan3

(1.School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University,Chengdu 610065, China;2.EHP/UHP Oamp;M Co., Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610041, China;3.South West Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China)

Reactive power balance of converter station exerts a profound influence on the normal operation of AC and DC system. Being a DC link project of Sichuan and Shanxi's “hydro power and thermal power aiding each other”, Debao HVDC project optimizes allocation of resource and energy in the two provinces. According to the requirements of reactive power balance when HVDC transmission is in stable operation, and combined with reactive power compensation capacity of AC system，this paper mainly analyzes the configurations of reactive power compensation devices and reactive power consumption under different operation modes. Also the reactive power balance of Deyang converter station as rectifier station and inverter station respectively are studied. Finally, the correctness of reactive power compensation capacity of Deyang converter station and feasibility of its configuration scheme are verified through calculation and digital simulation.

Debao HVDC project； converter stations； reactive power balance； configuration of reactive power compensators

TM722

A

1003-8930(2012)06-0001-05

2011-11-16；

2011-12-14

國家自然科學(xué)基金資助項目(51037003)；國家電網(wǎng)公司科技項目(19KJ020402C2012720110000)