高压直流输电工程换流站无功补偿容量配置方案

高压直流输电工程换流站无功补偿容量配置方案

0基于交流谐波分量的直流系统设计在高压下的输电系统中，运营中的无功率需要大量的无效率。直流换流站装设的无功补偿装置通常由交流滤波器及电容器组成,其中交流滤波器既能提供容性无功功率,还可将直流系统产生的大量交流谐波分量降低到允许范围内。换流站的无功补偿容量及其分组配置研究是直流系统设计的重要组成部分[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。贵州一广东第二回直流输电工程是我国实现直流工程自主化建设的重要依托项目。本文根据直流系统的稳态模型,对贵广第二回直流输电工程的各种运行方式进行了计算分析,提出了直流系统两端换流站的无功补偿容量、无功分组配置方案,并结合换流站的滤波器设计,验证无功配置方案的技术可行性。1省兴仁县沙区某市对低影响直流输电工程的工程概况方案2根据南方电网的“西电东送”规划,“十一五”期间西电东送的容量将在“十五”期间的基础上新增向广东送电10300MW,其中贵州将向广东新增送电4000MW。为满足规划的输送容量要求,在贵电外送“一直两交”输电通道的基础上,需要新建贵广第二回直流输电工程(直流电压采用±500kV,直流输送容量为3000MW)。目前该工程已进入全面建设阶段,计划2007年建成单极,2008年建成双极投运。该工程的起点换流站位于贵州省兴仁县,主要汇集黔西南地区的盘南电厂(规划装机容量6x600MW)电力外送,交流侧额定电压选取为525kV;受端换流站位于广东省深圳市,可兼顾深圳和东莞两地区的用电负荷,交流侧额定电压选取为500kV。2主要计算原则2.1单极回路运行方式贵广第二回直流输电工程主要有以下运行方式:①双极全压运行方式(直流输送额定功率);②单极大地回路运行方式;③单极金属回路运行方式；④降压80%运行方式(相应的直流输送功率为80%额定功率);⑤降压70%运行方式(相应的直流输送功率为70%额定功率)。由于运行方式②和③对应的换流站无功消耗量较小,因此,本文仅研究运行方式①、④和⑤。2.2近交流系统内的水、放电电源情况交流电网无功功率应分层分区就地平衡,避免远距离输送。对于送端兴仁换流站,由于附近交流系统内的水、火电电源较多,容量较大,换流站可利用交流系统提供的部分无功功率,以减少换流站内装设的无功补偿设备,降低换流站造价。受端深圳换流站位于广东负荷中心,附近交流系统没有多余的无功容量,因此换流站所需无功补偿容量全部为站内自补偿。3设备投放量及无功能率平衡计算结果对于交流系统,负荷水平、发电机出力、电网电压的控制方式、无功补偿设备的投切以及电网接线方式的变化等都将影响系统无功功率的平衡。因此,交流系统向换流站提供无功功率的能力会在很大范围内变化。根据南方电网的实际情况,夏季大负荷方式是交流系统提供无功能力的考核方式(此时直流一般也是满负荷运行)。对于送端兴仁换流站,影响换流站与交流系统无功交换的主要因素是附近盘南、光照等水、火电电源的开机方式、发电机功率因数选取以及附近交流接线方式的变化等。表1和表2分别列出了2008年和2010年不同发电机功率因数及开机方式下兴仁换流站的无功功率平衡计算结果。计算结果表明,在换流站建成初期(2008年),由于附近电源尚未全部投产,电厂无功出力有限,交流系统向换流站提供的无功功率较少,平均仅为468Mvar;随着电源投产容量的增加,电源无功出力将明显增加,至2010年交流系统向换流站提供的无功功率平均可达1000Mvar以上。因此,从既有利于换流站运行可靠性,又尽量减少无功补偿设备投资等方面综合考虑,送端交流系统向兴仁换流站提供的无功选取为450Mvar。对于受端深圳换流站,考虑无功补偿容量全部在站内自补偿,即受端交流系统向深圳换流站提供的无功为0Mvar。4吸收无功能力送端兴仁换流站所在的贵州电网由于处于南方电网的送端,电源比较集中,运行电压较高,为保证换流站交流母线电压运行在允许范围(500～550kV)内,不允许兴仁换流站向交流系统倒送容性无功,即送端交流系统吸收无功的能力为0Mvar。受端深圳换流站所在的广东电网由于处于“西电东送”末端,且为负荷中心地区,电网运行电压水平较低(一般在510kV左右),具有一定的无功吸收能力。计算表明,当换流站向系统倒送200Mvar左右容性无功容量时,电网运行电压仍可维持在正常范围,即受端交流系统吸收无功的能力为200Mvar左右。5换相电抗计算换流站无功消耗的计算一般应计及多种不同的交直流运行方式,换流站的无功消耗量与直流输送功率、直流电压、直流电流、换相角以及换相电抗等因素有关。整流侧及逆变侧换流站的无功消耗量可计算得出:式中:(Qdc1、Qdc2分别为整流站和逆变站消耗的无功功率;Pd1、Pd2分别为整流站和逆变站的直流功率；φ1、φ2分别为整流站和逆变站的功率因数角；α为整流侧触发角;γ为逆变侧关断角；Xr1、Xr2分别为整流侧和逆变侧每相的换相电抗;Id为直流电流平均值;U1、U2分别为整流站和逆变站换流变压器阀侧空载电压有效值,kV。由式(1)～(4)可知,由于Id、U1、U2一般为恒定值,换流站消耗的无功功率与直流输送功率、整流侧触发角、逆变侧关断角以及换相电抗有关。本文在计算中还考虑了以下原则:①Ud/Udio(Ud为直流电压,Udio为理想直流空载电压)取最小值;②直流线路电阻取最小值;③触发角、熄弧角取最大值(含测量误差);④换相电抗取最大值(含测量误差);⑤直流电压取最小值(含测量误差);⑥直流电流取最大值(含测量误差)。按照这些原则,根据式(1)～(4)计算得出两侧换流站的无功消耗量如表3所示。计算结果表明,直流双极全压正常运行方式下(该工程中正常触发角取15°),兴仁换流站消耗的无功量为1689Mvar,深圳换流站消耗的无功量为1662Mvar;直流降压80%时,直流触发角虽然有所增加(约增加到17.7°),但由于直流功率相应降至80%(2400MW),两换流站消耗的无功量较双极全压运行方式下有所减少,分别为1461Mvar和1556Mvar;直流降压70%时,直流触发角约增加到32.7°,此时虽然直流输送功率仅为额定功率的70%(2100MW),但由于触发角的大幅增加,两换流站消耗的无功功率较正常方式有所增加,分别达到1883Mvar和1908Mvar。6交换站无附件容量的计算6.1投切无功分组换流站的无功补偿装置须分组投切运行,以适应直流各种运行方式的需要。目前我国建设的3000MW直流输电工程均采用将小组无功补偿装置组成1大组,再接于换流站交流母线上的分组接线方案。换流站无功分组方案的确定是一不断优化的过程。一般在换流站总无功补偿容量一定的情况下,分组越少,投资和占地越省。经综合技术经济比较,贵广第二回直流输电工程送、受端换流站均采用3个大组的设计方案,以节省换流站投资和占地面积。换流站投切无功分组时,交流系统的电压会发生变化,无功分组容量越大,电压的变化也越大。根据我国电网的技术规程要求,投切无功小组时的电压变化率一般不超过1.5%,投切无功大组时的电压变化率一般不超过5%(在工程的实际运行中大组只有切除,没有投入,一般是在故障时切除一大组)。根据上述要求,首先根据换流站交流侧的短路容量初步估算无功小组容量,再根据系统运行方式的变化,结合无功大组与小组的合理匹配,对无功分组容量做进一步优化,最终得出换流站的无功分组数以及大组、小组的分组容量配置方案。6.2电压变化率计算换流站投切无功分组容量与换流站交流母线的电压变化率之间的关系可由式(5)表示式中:ΔU为换流站交流母线的电压变化率,%;△Q为换流站投切的无功分组容量,MVA;Sd为换流站交流母线的短路容量,MVA。根据式(5)可由短路容量的计算初步推算无功的最大分组容量。根据两端换流站的交流系统条件,可计算得知交流母线最小短路容量在8600～13300MVA范围内,由此,初步推算两端换流站的无功小组容量为130～200Mvar。6.3暂态电压波动最大的工况以计算的无功小组容量范围为基础,对各种运行方式下投切无功分组引起的换流站交流母线电压波动进行了仿真计算。最严重工况(即暂态电压波动最大的工况)下的计算结果如表4和表5所示。由表4可见,兴仁换流站无功小组容量取130～140Mvar是合适的;深圳换流站无功小组容量取140～180Mvar是合适的,引起的电压波动均小于1.5%。由表5可见,兴仁换流站和深圳换流站的无功大组容量不大于560Mvar和650Mvar是合适的,此时的电压波动可限制在5%以内。7无功小组型式配置方案为降低换流站造价,尽可能地减少换流站的无功组数,贵广第二回直流输电工程最终采用的无功配置方案如表6所示。需要说明的是,表6列出的无功小组型式配置方案直接引用了换流站滤波器设计的有关结论。兴仁换流站的无功配置方案采用3大组,共分10小组,每小组容量为140Mvar(基准电压525kV),无功补偿总容量1400Mvar。深圳换流站则采用3大组共12小组,每小组容量155Mvar(基准电压500kV),无功补偿总容量1860Mvar。8不同换流站的电压根据直流系统运行条件,换流站无功补偿总容量应满足式(6)的要求式中:Qtotal为换流站无功补偿总容量;Qac为交流系统提供的无功:Qdc为换流站消耗的无功量;Qsb为换流站的无功备用容量,通常取1组无功小组容量;Uac为换流站交流母线电压标幺值,计算中一般取额定电压,即Uac=1pu。对于兴仁换流站,双极全压运行方式下Qac=-450Mvar,Qdc=1689Mvar,Qsb=140Mvar,代入式(6)中得到Qtotal≥1379Mvar。而兴仁换流站装设的无功补偿容量为10×140Mvar=1400Mvar≥1379Mvar。对于深圳换流站,双极全压运行方式下Qac=0Mvar,Qdc=1662Mvar,Qsb=155Mvar,代入式(6)中得到Qtotal≥1817Mvar。而深圳换流站装设的无功补偿容量为12×155Mvar=1860Mvar≥1817Mvar。可见,兴仁换流站及深圳换流站配置的无功补偿容量可满足直流系统运行条件的要求。9滤波器组合设计当直流系统运行在不同功率水平下时,换流站需投入相应组数和型式的滤波器小组以满足滤波要求,但同时换流站还必须满足与交流系统的无功交换要求。根据换流站滤波器设计的有关结论,直流双极正向全压运行方式下的滤波器投入最小组数及相应的滤波器类型如表7所示。根据表7滤波器组合方案,对直流双极正向全压运行方式下的无功投切进行了数字仿真,图1(a)及图2(a)分别为两端换流站为满足最小滤波要求投切无功分组的变化曲线,图1(b)及图2(b)分别为两端换流站与交流系统的无功交换曲线。可以看出,在满足换流站最小滤波要求的前提下,两端换流站与交流系统的无功交换仍在允许范围内,即上述换流站的滤波器组合方案是可行的。10单站实际运行的直流主要输注入输放量(1)直流正向全压运行方式下(直流输送3000MW),兴仁换流站的最大无功消耗量约为1689Mvar,深圳换流站的约为1662Mvar。(2)直流正向降压80%运行方式下(直流输送2400MW),兴仁换流站的最大无功消耗约