高壓直流輸電系統主回路參數計算平臺的研發

張相宇，溫渤嬰，李鵬

(中國農業大學信息與電氣工程學院，北京市100083)

0 引言

直流輸電在大功率、遠距離輸電，交流系統異步聯網等應用場合具有突出的優勢，從而使它成為電力系統中具有重要經濟和技術價值的輸電形式［1］。現階段，我國的直流輸電工程技術很大程度上依賴于國外［2-4］。若能實現直流輸電工程的設計自主化，將對增強我國在直流輸電核心技術領域的實力，提升我國直流輸電設計、制造產業的競爭力具有重大的意義，也為后續的高壓直流輸電工程提供有力的技術支持和技術保障。

直流系統主回路參數計算是開展直流系統研究的基本條件。它提供了直流工程中換流變壓器、換流閥和平波電抗器等關鍵主設備的參數，是直流輸電工程研究的重要組成部分。主回路參數計算的主要目的包括:計算晶閘管閥、換流變壓器等關鍵主設備的定值;確定穩態條件下的運行特性;確定交流濾波器研究的基本條件;確定過電壓和絕緣配合研究的基本條件;確定無功功率補償及控制研究的基本條件;制定控制策略，提供基本的穩態控制參數等。主回路參數包括:直流電壓、理想空載直流電壓、觸發角;換流變壓器的額定功率、電壓和電流;換流變壓器的短路阻抗;換流變壓器調壓抽頭的范圍和級差;抽頭控制中的過電壓限制值以及換流器的運行特性參數［5］。

在進行主回路參數計算時，需要明確直流工程涉及的必要基本參數，為進一步研究提供基礎。

1 直流輸電系統計算參數

直流輸電工程額定容量為PdN，單位為MW;額定直流電壓為UdN，單位為kV。

1.1 系統和環境數據

主回路設計需要的系統和環境數據一般包括兩端換流站環境溫度，兩端換流站接入系統過電壓、短路容量和頻率特性。環境溫度包括常年統計最高溫度、最低溫度、平均溫度。兩端換流站接入系統過電壓包括:最低穩態電壓、額定運行電壓、最高穩態電壓、極端最低穩態電壓、極端最高穩態電壓，如表1所示。短路容量包括:最小短路容量和最大短路容量，短路容量也可以以短路電流的形式給出，如表2所示。交流系統的頻率特性主要是交流系統的額定頻率、故障后暫態頻率變化范圍(見表3)。

表1 交流系統電壓Tab.1 AC system voltage

表2 短路電流Tab.2 Short circuit

表3 頻率特性Tab.3 Frequency characteristics

1.2 直流系統條件

主回路參數計算需要的直流系統基本數據包括系統接線、運行接線、運行控制模式、直流電壓、輸送能力、過負荷能力等［6］。

系統接線包括換流站采用換流器的形式、接地極類型等情況。目前，長距離輸電工程(包括超高壓和特高壓直流輸電工程)，每段換流站通常采用雙極每極單12脈動換流器或者雙12脈動換流器串聯的形式，每站均設置接地極，并通過接地極線路接入換流站中性母線。對于背靠背工程換流站，通常采用12脈動換流器中點接地接線形式，通常不配置接地極和接地極線路。

運行接線為系統運行時構成的電路回路，包括雙極運行接線方式(BP)、單極大地回線運行接線方式(GR)、單極金屬回線(MR)運行接線方式。

運行控制模式為功率正送、功率反送和全壓運行、降壓運行方式。

直流輸電工程的直流電壓，在運行中可以選擇全壓運行方式(即額定直流電壓方式)或降壓運行方式。整流站的直流額定運行電壓UdN定義為平波電抗器出線側直流母線與直流中性點的電壓，傳輸的額定功率用PdN表示。

直流輸電工程可以正向送電，也可以反向送電，具有雙向送電的功能。

過負荷能力為直流系統在正常電壓運行方式下超過額定功率的輸送能力，通常分為秒級過負荷能力、分鐘級過負荷能力、小時級過負荷能力和長期過負荷能力。

主回路設計要能夠滿足規定環境溫度范圍內所有的運行方式。因此，需要提供直流線路電阻的最小值(最小溫度修正)、額定值、最大值(最高溫度修正)。兩站接地極線路電阻的最小值、額定值、最大值以及接地極電阻也是計算需要輸入的參數，表4所示。

表4 直流電阻Tab.4 DC resistances

1.3 控制策略、參數以及誤差

主回路參數計算中，需要考慮直流系統一次設備的額定運行參數、控制策略、一次設備和二次系統誤差等的影響。

通常，一次設備的額定運行參數包括換流閥的額定觸發角、額定息弧角等(見表5)。根據一次設備額定參數要求，整流側控制策略通常包括觸發角控制策略和換流變壓器控制策略。典型的控制策略為觸發角定電流控制，換流變壓器分接頭控制觸發角在額定觸發角附近。逆變側控制策略通常包括息弧角控制策略和分接頭控制策略。對于長距離直流系統，典型控制策略有2種，策略1:換流閥定息弧角控制、分接頭控制直流電壓在額定值;策略2:換流閥定電壓控制、分接頭控制息弧角在額定值附近。

另外，根據控制策略的不同，還需要對控制參數提出要求，比如，整流側觸發角的穩態控制范圍，整流側換流變壓器調節抽頭使觸發角α維持在α±2.5°的范圍內。只要觸發角α在此范圍內，換流變分接頭就不會動作以使觸發角更接近額定值。

表5 控制參數Tab.5 Control parameters

一次、二次設備的誤差對主回路參數計算有明顯影響，需要在設計前對影響主回路的參數誤差提出要求。主要考慮參數包括正常電壓運行范圍內換流變壓器相對感性壓降的最大制造公差、直流電流測量誤差、直流電壓的測量誤差、觸發角測量誤差、息弧角測量誤差、電容分壓式互感器的測量誤差等(見表6)。

表6 誤差Tab.6 Errors

每極2個串聯的12脈動換流器分接頭相互獨立控制，相差不超過1檔，極線對中性母線的直流電壓UdRN維持在±0.625%的范圍內，相當于逆變站2個分接頭檔位之間的死區值。

2 主回路參數計算的基本原理

主回路參數計算的主要任務是根據直流工程要求及相關輸入數據，利用直流輸電基本原理，對換流變壓器、換流閥等一次設備的基本參數進行計算確定，并對各運行方式的穩態工作點進行明確計算［7］。計算設計的原理性公式如下。

2.1 直流電壓

6脈動整流器、逆變器兩端的直流電壓計算公式為

式中:Ud為12脈動閥組兩端的直流電壓;dx、dr為換流器感性壓降、阻性壓降;Id、IdN為直流電流和額定直流電流;UdioN、Udio為額定理想空載電壓和理想空載直流電壓;n為每極6脈動換流器的個數。R、I分別表示整流側、逆變側。

2.2 換流器直流電壓降

在主回路計算中需考慮換流閥的各種損耗及壓降，工程中采用6英寸晶閘管換流閥。每個6脈動換流器的相對阻性壓降 dr為［8］

式中:Rth為晶閘管上與電流相關的電壓降，即晶閘管的正向壓降;Pcu為6脈動換流器運行在額定容量下，換流變壓器和平波電抗器的負載損耗。因子2是由于在6脈動換流器中，總是同時有2個換流閥導通。

依據換流閥特性及以往工程經驗［8］，兩端換流站每個6脈動換流器的前向壓降取為0.3kV，相對阻性壓降dr取為0.3%。

2.3 額定相對感性壓降

額定相對感性壓降dxN定義為

式中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，在不采用電力載波通信(power line carrier，PLC)濾波器時，只有換流變壓器短路阻抗提供。

額定相對感性直流壓降dxN和換流變壓器感性壓降(短路阻抗)uk之間的關系［8］如下:

一般在設計階段需要為電力線載波通信PLC濾波器預留空間，主回路計算中也需考慮。由于 PLC濾波電抗器的相對感性壓降較小，通常可取為約0.2%，根據式(5)有

2.4 換相角

換相角，或稱疊弧角，表示換流器完成換相過程所需的時間，是換流器的重要參數之一。

整流器疊弧角計算公式為

對于逆變器，在公式(7)中采用熄弧角γ代替α。

2.5 無功功率損耗

在運行過程中，換流器要消耗大量無功，需要由無功設備補償。換流站額定運行工況下消耗的無功功率計算式為

式中χ定義為

對于逆變器，在公式(9)中采用熄弧角γ代替α。式中:poles為換流站的極數，雙極時poles=2;n為換流站6脈動換流器的個數。

3 主回路參數的設計流程

3.1 理想空載直流電壓

理想空載電壓是確定換流變壓器分接頭變比和檔位、換流閥設備的基礎性參數。換流變壓器空載直流電壓可由6脈動換流器理想空載電壓實際值公式［8］得到:

根據公式(10)，考慮觸發角允許上限值和測量誤差、直流電壓測量誤差、電流測量誤差以及相對感性壓降的制造公差，可以計算整流器的最大Udi0maxR和最小理想直流電壓Udi0minR，同樣得出換流變分接頭負、正向的最大檔位Udi0maxOLTCR、Udi0minOLTCR。

在計算逆變器最大和最小Udi0時，根據式(11)，除了考慮直流電壓測量誤差、觸發角允許上限值和熄弧角測量誤差、電流測量誤差以及相對感性壓降的制造公差，還要涉及到2個方面的問題。首先，要考慮直流線路的壓降是高于還是低于換流器內部的壓降，其次，最大Udi0的計算取決于其目的是選擇設備型式Udi0absmaxI，還是確定最大的負向換流變分接頭檔位Udi0 max OLTCI。

在主回路參數計算中，最小Udi0只用于確定可接受的最小正向換流變分接頭檔位。

3.2 Udi0限制值(過電壓限制)

Udi0限制的目的是防止穩態運行時設備過電壓。相對于正常的換流變分接頭控制，Udi0限制器是優先考慮的。為確保Udi0不會超過Udi0L，通過調節換流變分接頭控制換流變閥側電壓來實現。

對Udi0有2個限制:Udi0L和Udi0G。當Udi0達到以下值時，Udi0限制器將動作。

Udi0G～Udi0L:當Udi0位于 Udi0G和 Udi0L之間時，Udi0限制器禁止提高換相電壓Udi0的換流變分接頭動作;大于Udi0L時，Udi0限制器調節分接頭以降低換相電壓Udi0。

Udi0G是換流變分接頭正常調節以增大Udi0的上限。為防止換流變分接頭頻繁動作，Udi0L應足夠大，即換流變分接頭動作降低Udi0后不允許立即有增大Udi0的動作。

通常，整流側的 Udi0G可以取為 Udi0maxR，Udi0L在Udi0G的基礎上再增加一定的裕度。逆變側的Udi0L可以取為Udi0maxI，Udi0G在Udi0L的基礎上再減去一定的裕度。

最后，選擇考慮測量誤差的Udi0L作為設備設計電壓Udi0absmax。Udi0absmax是換流閥和換流變壓器設備制造的依據參照。

3.3 有載換流變壓器分接頭

額定換流變壓器變比計算(相對于0分接頭位置的)式為

換流變壓器最大、最小變比計算式為

有載調壓開關級數計算［8］式為

有載調壓開關級數的選擇還要結合降壓運行要求和整流側觸發角和逆變側息弧角大角度允許的限制綜合考慮。

3.4 換流變壓器額定容量

連接6脈動換流閥組的換流變壓器三相容量額定值為

相應的，連接12脈動閥組的單相三繞組換流變壓器額定容量為

3.5 閥側電壓和電流

空載閥側線電壓和理想空載直流電壓之間的關系為

閥側交流電流有效值計算［8］式為

3.6 流程設計時應注意事項

(1)常規的控制模式是整流側直流母線處的恒功率控制模式;(2)在降壓運行方式下，當換流變分接頭達到極限時，控制角將增加;(3)在過負荷運行時，維持Udi0不變，直流電壓降低，直流電流將隨之增大。

4 直流系統穩態運行特性

通常，需要對雙極、單極大地回線、單極金屬回線運行接線方式和全壓降壓運行方式下典型功率點進行主回路參數計算，確定各運行方式下的直流電壓、電流、理想空載直流電壓、觸發角、息弧角、分接頭檔位以及換流器的無功消耗。針對任何一種運行方式，計算通常以0.1 pu電流為步長。計算結果是后續過電壓與絕緣配合、動態性能研究甚至系統調試階段的重要依據。

5 結語

按本平臺計算而得的結果，與實際工程結果完全符合，適合工程需求，可應用到直流工程成套設計中。

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