特高壓直流輸電系統(tǒng)平波電抗器的設(shè)計

特高壓直流輸電系統(tǒng)平波電抗器的設(shè)計

0平波電抗器參數(shù)選擇及布置方案云南-廣東800kv特高壓直流設(shè)計是世界上第一階段800kv直接工程。它在世界上直接能源生產(chǎn)史上發(fā)揮了重要作用。直流輸電主回路參數(shù)設(shè)計是直流輸電系統(tǒng)設(shè)計的主要部分,關(guān)系到整個系統(tǒng)的運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。換流器出口處的平波電抗器作為直流輸電工程中重要的一次設(shè)備,其主要作用為:降低直流側(cè)電流諧波和電壓脈動成分,避免在低直流功率傳輸時電流的斷續(xù);限制電流突變來降低換相失敗率。平波電抗器的電壓和電流額定值是根據(jù)直流主回路確定的,因此對平波電抗器的參數(shù)選擇,主要考慮其電感取值。從平波電抗器抑制擾動時直流電流上升速度和防止輕載時直流電流斷續(xù)的要求來看,其電感值越大越好,但由于電抗器是一個慣性環(huán)節(jié),電感的增大會使電流突變時電抗器的過電壓增加,還會導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)速度下降,增加電抗器費(fèi)用。因此在滿足主性能的前提下,電感值越小越好。平波電抗器電感值的選擇需要綜合考慮多方面因素加以權(quán)衡。與傳統(tǒng)的±500kV直流輸電工程不同,±800kV云廣直流輸電工程采用單極雙12脈動換流器串聯(lián)(400kV+400kV)的運(yùn)行接線方式。其平波電抗器的布置方案也不同于傳統(tǒng)直流工程的只在極母線上裝設(shè)電抗器的方法。目前云廣工程采用的是分別在極母線和中性母線上裝設(shè)1組平波電抗器的布置方案。由于當(dāng)前特高壓直流輸電缺乏設(shè)備制造和實際運(yùn)行經(jīng)驗,新的電抗器布置方案的優(yōu)點和不足需要通過長時間的運(yùn)行效果來檢驗。筆者在云廣特高壓直流工程的主回路結(jié)構(gòu)參數(shù)和實際運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上,詳細(xì)計算平波電抗器的電感參數(shù),并針對3種不同的平波電抗器布置方案搭建了基于PSCAD/EMTDC的云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型,通過對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析,對比關(guān)鍵測點的最大持續(xù)運(yùn)行電壓峰值(以下簡稱PCOV)和在典型操作過程中的暫態(tài)過電壓數(shù)值,揭示平抗的布置方案和系統(tǒng)運(yùn)行特性的內(nèi)在聯(lián)系,為云廣特高壓直流輸電工程的設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)提供可以參考的依據(jù)。1交流系統(tǒng)等效規(guī)范文指出,防止直流電流斷續(xù)這一因素對于平波電抗器電感大小的選擇不起決定作用,因此,限于篇幅,文中只考慮將抑制擾動時直流電流突變作為選擇平波電抗器電感值的依據(jù)。直流輸電系統(tǒng)發(fā)生擾動時直流電流上升速度過快可能引起逆變側(cè)換相失敗。假設(shè)逆變側(cè)交流電壓不變,在換相開始時刻,逆變器1個橋發(fā)生故障,導(dǎo)致直流側(cè)電壓在持續(xù)時間為Δt的換相過程中下降ΔUd,并假設(shè)定熄弧角控制器調(diào)節(jié)誤差為1°,則滿足不發(fā)生換相失敗條件的直流系統(tǒng)等值電感L1為式(1)中:L1為平波電抗器Ld和換流器出口到線路中點的線路電感LL之和;f為交流系統(tǒng)基頻;γmin為不發(fā)生換相失敗所允許的最小熄弧角;ΔUd一般選取1個單橋的額定直流電壓;ΔId為不發(fā)生換相失敗所允許的最大電流增量;βN為逆變器越前觸發(fā)角額定值。ΔId和βN的表達(dá)式為式(2)、(3)中:Is為換流器兩相短路的短路電流;γN為逆變器額定熄弧角;IdN是額定直流電流。根據(jù)±800kV云廣特高壓直流輸電工程額定工況和一次設(shè)備參數(shù),已知:整流側(cè)額定電壓UdNr為800kV,IdN為3.125kA,γN和γmin分別為18°和7°,逆變側(cè)換流變壓器短路阻抗uk為18.5%;考慮到云廣直流輸電雙極線路的實際參數(shù)和互感,有:LL≈195mH,線路電阻RL=10Ω。與平波電抗器的電抗相比,交流系統(tǒng)等值阻抗可忽略不計,因此兩相短路電流Is近似計算為(單位為kA)代入式(3),得到βN約為39°,再代入式(2),解得:ΔId=0.6592kA。已知逆變側(cè)直流電壓UdNi=UdNr-RlIdN=768.75kV,故單橋額定直流電壓ΔUd=UdNi/4=192.1875kV,將上述結(jié)果代入式(1),解得L1≈503mH,從而得:Ld≈308mH。由于計算過程中忽略了控制系統(tǒng)的影響,再考慮到一定的裕度,實際工程的平波電抗器的電感取300mH是完全合理的。23不同平抗布置方案對直流輸電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響中國已投運(yùn)的±500kV直流輸電工程均采用單極2個6脈動換流橋串聯(lián)組成1個12脈動換流器的聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu),且平波電抗器全部裝設(shè)在換流器出口處的極母線上。由于特高壓直流輸電工程單極額定直流電壓達(dá)到800kV,為了降低單個換流變和換流閥的絕緣水平和制造成本,同時滿足多種運(yùn)行形式和操作方式的需要,云廣特高壓直流輸電工程采用單極雙12脈動串聯(lián)的運(yùn)行接線方式。由于聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變,其平波電抗器的布置方案也需要重新考慮,如果采用傳統(tǒng)的平波電抗器方案(以下簡稱方案1),其聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。由于特高壓直流輸電電壓等級高,輸送容量大,其對減小諧波對電氣設(shè)備應(yīng)力的影響和系統(tǒng)的過電壓絕緣配合有更高的要求,因此,需要對傳統(tǒng)的平波電抗器布置方案進(jìn)行重新評估。目前有2種不同的平波電抗器布置方案被提出,1種方案為平波電抗器分成相等的2部分,分別裝設(shè)在極母線和中性母線上(以下簡稱方案2),見圖2。另1種方案為平波電抗器分成2部分,分別裝設(shè)在極母線上和2個12脈動換流器中間的聯(lián)絡(luò)線上(以下簡稱方案3),見圖3。直流輸電運(yùn)行特性包括穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性,筆者針對不同的平抗布置方案,主要研究反映其穩(wěn)態(tài)特性的最大持續(xù)運(yùn)行電壓峰值,即PCOV,和反映暫態(tài)特性的換流器交叉閥組解鎖直流操作過電壓,來揭示布置方案對特高壓直流輸電運(yùn)行特性的影響。目前過電壓絕緣配合的方法主要是在可能出現(xiàn)較大過電壓的關(guān)鍵點增加避雷器配置。不同于交流避雷器,直流避雷器的保護(hù)水平取決于裝設(shè)點包括換相過沖電壓的最大持續(xù)運(yùn)行電壓峰值(PCOV)。因此,關(guān)鍵測點PCOV的大小是評估3種平抗布置方案對直流輸電系統(tǒng)過電壓絕緣水平的影響的重要依據(jù)。如圖1-3所示,Uv為高端閥組Y-Y換流變閥側(cè)A相電壓,Udh為極母線出口直流電壓,Udm是2個12脈動換流器中間聯(lián)絡(luò)母線的電壓,Udv為下12脈動換流器的2個6脈動橋中點的直流電壓。根據(jù)特高壓直流換流站的避雷器配置方案,上述4個電壓測量點均裝設(shè)相應(yīng)的避雷器,避雷器額定電壓和保護(hù)水平由該點的運(yùn)行電壓和PCOV決定。當(dāng)平抗布置采用第2種和第3種方案時,由于上下雙12脈動換流器結(jié)構(gòu)基本對稱,其2部分電抗器產(chǎn)生的諧波電壓降大小相等,方向相反,因此Udm近似于純直流電壓,而方案1的Udm諧波含量較大,輸出為脈動較大的直流電壓。Udh為12脈動換流器各點對地PCOV與Udm之和,因此方案1的Udh諧波含量大于方案2、3的諧波含量,其PCOV也大于另外2個方案中的PCOV,這也將提高換流變壓器高端閥組側(cè)電壓Uv處的運(yùn)行峰值和避雷器保護(hù)水平,增大相應(yīng)設(shè)備的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力,不利于系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。此外,Udm的諧波含量太大導(dǎo)致數(shù)值波動較大,將造成以Udm為輸入?yún)⒖茧妷旱恼鱾?cè)定電壓控制器不能起到穩(wěn)定的控制作用。特高壓直流輸電工程采用單極雙12脈動換流閥串聯(lián)的接線形式,每個閥組都并聯(lián)了旁路斷路器和旁路隔離開關(guān),使得每個閥組可以單獨(dú)的投運(yùn)或者退出,運(yùn)行方式和操作種類數(shù)量大大增加。典型的操作包括在單極低端12脈動換流器解鎖的情況下,解鎖高端閥組,根據(jù)云廣直流工程調(diào)試過程中的記錄,該操作多次造成Udv過電壓太大,Udv處避雷器動作。經(jīng)初步分析,該避雷器動作原因與平波電抗器布置在中性母線上有關(guān)。33不同方案的模型仿真結(jié)果在實際工程中改變平波電抗器布置方案進(jìn)行試驗研究,由于其涉及到的工程復(fù)雜,成本太高,難以實施,不具有操作性。因此,利用電磁暫態(tài)軟件建模仿真是1種簡捷、方便、有效的途徑。PSCAD/EMTDC是目前世界上被廣泛使用的1種電力系統(tǒng)分析軟件,其主功能包括電力系統(tǒng)時域和頻域計算仿真,典型應(yīng)用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時,電參數(shù)隨時間變化的規(guī)律。其在高壓直流輸電系統(tǒng)領(lǐng)域的仿真研究具有較高的權(quán)威性。筆者利用PSCAD/EMTDC軟件搭建了±800kV云廣特高壓直流輸電工程模型,并針對應(yīng)用3種不同的平抗布置方案的特高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,對比其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行特性,揭示各種方案的優(yōu)缺點。特高壓直流輸電模型中,交流系統(tǒng)采用無窮大等值電源模擬,換流變、交直流濾波器等一次設(shè)備均采用實際參數(shù),平波電抗器總電感值取上文中計算得到的300mH,直流架空線路采用軟件自帶的貝杰龍線路模型,參數(shù)均為實測所得。控制方式為CIGREHVDC標(biāo)準(zhǔn)模型的控制模式。基于不同方案的3種模型整流側(cè)單極接線圖分別為圖1-3,由于另一極以及逆變側(cè)的接線方式具有高度對稱性,限于篇幅不再給出。當(dāng)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行在額定工況時,Uv、Udh、Udm的仿真波形分別見圖4-6。雙12脈動換流器中間聯(lián)絡(luò)線電壓Udm的諧波含量取決于上下兩組12脈動換流器參數(shù)的對稱度,包括上下兩閥組換流變基本參數(shù)、觸發(fā)角、對地雜散電容、平波電抗器的電感值等。在仿真中忽略了雜散電容的影響,換流變、觸發(fā)角等參數(shù)一致,因此,Udm的諧波含量取決于平抗的布置方式。見圖6,由于方案2、3的平波電抗器分開布置在極母線和中性線或中間聯(lián)絡(luò)線上,其對稱度遠(yuǎn)高于方案1,Udm近似為純直流電壓,而方案1中Udm的5、7次諧波含量明顯較大。單個12脈動換流器各處對地PCOV可以按傳統(tǒng)500kV的12脈動換流器各點對地PCOV的公式計算,然后加上中間聯(lián)絡(luò)母線的直流電壓或者PCOV。因此Udm的大小和波形直接影響到Uv、Udh,如圖4、5所示,方案1中的換流變閥側(cè)PCOV和極母線PCOV明顯大于方案2、3中相應(yīng)的PCOV,因此,采用方案2、3時,可以有效降低安裝在換流變閥側(cè)和極母線處的避雷器的額定電壓,降低避雷器保護(hù)水平,也可降低上組12脈動換流器各點的絕緣水平、減小穩(wěn)態(tài)應(yīng)力。其中,方案3中換流變閥側(cè)PCOV要略高于方案2,是因為平波電抗器裝設(shè)在中性母線時,雙脈動換流器結(jié)構(gòu)對稱度更高。直流操作過電壓是直流輸電工程較為常見的過電壓現(xiàn)象,云廣特高壓直流工程在調(diào)試過程中出現(xiàn)過因直流過電壓太大造成避雷器動作的事例:2010年1月7日11:38,楚雄換流站在極2低端閥組帶功率運(yùn)行的情況下,解鎖極2高端閥組的操作時,低端閥組2個6脈動換流器中點瞬時電壓Udv過大,導(dǎo)致該處避雷器動作。文中對該操作過程進(jìn)行模擬仿真,在不裝設(shè)避雷器的情況下觀察Udv的暫態(tài)波形,結(jié)果見圖7-9(為了便于觀察,輸出結(jié)果設(shè)置為正極性)。圖7-9中所示直流輸電系統(tǒng)在0.6s前為單極低端閥組在額定工況下運(yùn)行,0.6s時解鎖高端閥組,同時斷開旁路斷路器,系統(tǒng)由單閥組運(yùn)行轉(zhuǎn)為雙閥組運(yùn)行狀態(tài)。由以上3圖可以看出,3個方案中,在解鎖高端閥組瞬間,由于運(yùn)行狀態(tài)的突然改變和非線性元件的特性,低端2個6脈動換流器中點處均會出現(xiàn)過電壓,方案1和方案3的過電壓峰值較接近,約為420kV,方案2的過電壓峰值達(dá)到了600kV,其中方案2的過電壓峰值大大高于低端閥廳避雷器的額定電壓,導(dǎo)致避雷器動作。仿真結(jié)果說明,平波電抗器布置在中性母線上,提高了閥底部設(shè)備的絕緣水平,包括最低電位換流變閥側(cè)絕緣水平,同時導(dǎo)致閥底部的操作過電壓增加,從而使低端閥廳內(nèi)2個6脈動換流器中點處的過電壓增大,造成避雷器動作。平波電抗器布置在2個12脈動換流器中點處固然可以降低低端閥廳內(nèi)操作過電壓,但是由于平抗處于400kV電位,污閃可能性增大,增加了支柱絕緣子的投資。4仿真結(jié)果分析1)筆者根據(jù)云廣特高壓直流輸電工程實際工況和主回路參數(shù)計算了滿足主性能的平波電抗器電感值,其電感值不能過大和過小,