高压直流输电系统的无功补偿与无功平衡

高压直流输电系统的无功补偿与无功平衡

随着国家“东向西、南北向北、全国联网”能源发展战略的逐步实施，中国大部分地区的电网出现了世界上最大的远距离和高压通信模式。而远距离大容量高压直流输电相对于交流输电具有以下特点:线路造价低,线路损耗小,调节快速,运行可靠,不存在安全稳定性问题,可以限制短路电流,具有一定的过负荷能力,可以提高交流系统的稳定性,特别是暂态稳定性。高压直流输电中,实现交直流转换的换流器由于拓扑结构不断发生改变而成为交流系统的非线性负载,无论是整流还是逆变运行,换流器都要消耗大量的无功功率。即对于交流系统而言,直流输电系统是一个无功负荷。额定功率下,通常整流站需要消耗的无功功率占直流输送功率的40%~50%,逆变站需要消耗的无功功率巨大,约占50%~60%。同时,换流器还将产生大量不同频率的谐波,必须在交流母线上安装相应的交流滤波器。为保证换流器的安全可靠运行,需保证无功功率的供给,无功功率不足或过剩将直接造成交流电压的不稳定,严重时可能危及整个交、直流系统的安全稳定运行。本文首先分析了换流站站内的无功功率平衡;其次,讨论了换流站无功消耗的计算及其影响因素;再次,简述了交流系统对无功平衡的影响及无功补偿装置的分类;最后,讨论了换流站无功补偿容量和无功分组的确定。1无功功率平衡式根据能量守恒原理,高压直流输电系统运行时,必须满足换流站与交流系统的无功功率平衡,换流站的无功交换情况如图1所示。换流器与交流系统的无功功率平衡式中Qac———交流系统参与的无功功率;Qtotal———容性无功补偿装置产生的无功功率减去并联电抗器吸收的无功功率的差值;Qdc———换流器吸收的无功功率。如果Qac为负,那么换流站会从交流系统吸收无功功率;如果Qac为正,则向交流系统提供无功功率。根据相连的交流系统最大的无功发出和吸收能力,确定无功设备的投入点和切除点,以满足直流输电工程无功平衡。2换流站无功功率的计算高压直流输电换流站无功补偿计算须结合一定的交流系统和直流系统参数条件。交流系统条件包括两端换流站接入点的电压等级、电压运行范围、短路容量、无功支持能力等;直流系统条件包括直流电压、直流电流、运行方式以及直流线路参数和接地极参数等。对于实际运行的换流器,由于设备参数的公差、一些运行参数的不确定性以及测量和控制误差造成的控制参数的不确定性,换流器实际消耗的无功功率是动态变化的。高压直流换流站消耗的无功功率式中Id、Ud———直流电流、电压;Udio———换流变压器阀侧理想空载直流电压;UT———三相6脉动换流阀正向导通压降,其值很小,工程计算可忽略不计;下标R、I、N———整流侧、逆变侧和额定值;n———每极6脉动换流器数,对于12脉动换流器,n=2;dx、dr———等值感性和阻性压降标么值。将式(2)中α的换成γ即为逆变器Qdc的计算公式。可以看出换流站吸收的无功功率与P,α,μ,γ等参数有关。在传输功率确定的情况下,可以通过改变触发角来快速调整换流变压器吸收的无功。文献和分别对两个不同直流输电工程无功消耗进行了具体计算。2.1功率因素与触发角的关系对于逆变侧将α换成γ即可。随着直流传输功率的增加,无功消耗也会随之增加,在额定运行和常规控制下,对应不同的触发角,有着不同的无功消耗,从式(6)可以看出,功率因素与触发角(逆变侧为关断角,下同)成反比的关系,触发角的增加将使换流站的功率因素降低,从而导致无功消耗的增加。触发角为30°时,换流站无功消耗较触发角为典型值15°时增加60%左右。所以,保持较小的触发角,即保持较大的功率因数对平衡换流站的无功消耗是很有利的。但由于换流站运行时要产生大量的谐波,在传输功率较低时,绝对最小滤波要求投入的交流滤波器产生的无功功率将会过剩,此时可通过增大触发角,即降低功率因数来使换流站多吸收无功功率。2.2换流变压器分接头档位无功功率直接下降,根据换流器按换流变压器的结构,分接头置于其高压侧,即变压器的网侧,阀侧的绕组是固定不变的。换流变压器网侧和阀侧的电压关系式中Ubus,Uvo———换流变压器网侧与阀侧线电压;ntap———变压器分接头所处的位置,额定位置以下的是正值,其上是负值;k———步长电压百分比;N1、N2———换流变压器两侧电压为额定值,即ntap为零时对应的线圈匝数。换流变压器分接头档位变化时,会引起换流器控制角度和交流电压的变化,进而使换流器吸收的无功功率发生改变。当电压偏低时,可以下调ntap来提升电压;当电压偏高时,可以上调ntap来降低电压。以维持直流电压或换流变压器阀侧绕组空载电压在允许值的范围内和维持整流器的触发角或逆变器的熄弧角在指定值的范围内。电压的减少会导致无功消耗上升,电压从1.0p.u.变化到0.9p.u.时,在额定功率下电流要上升15%,而无功损耗的增加将超过30%。根据换流变压器抽头调节一档所引起的无功消耗变化,结合无功小组分组容量,合理的设置无功控制死区,以避免换流变抽头和无功补偿装置的频繁投切。2.3交流系统短路容量换相电抗主要是指变压器的漏抗及交流系统的等效电抗式中Xt———变压器的漏抗;SSC———换流母线处的交流系统短路容量。在各种设备参数中,换流变压器的换相电抗对换流站的无功消耗影响最大,无功功率的需求可以通过减少Xeq来降低,无功消耗计算时,在大无功工况下采用最大的换相电抗公差,小无功工况时采用最小换相电抗公差,以便能更准确地确定无功消耗的范围。2.4要提高无功功率换相角是由于交流电源的电感Lc的影响而引起的,从式(2)可以看出换相角越小,消耗的无功功率就会越少,反之,则越大。当换相角大于60°时,就会出现3个阀和4个阀交替导通的异常运行情况。同时,换相角将会引起直流电压的降低,换相角越大,引起的直流压降就越大,所以保持较小的换相角是很有必要的。换流站的换相角可通过式(5)计算得出。3交流系统无功平衡和投资的经济性交流系统的无功补偿能力是指交流系统参与换流站无功平衡的能力。这种能力受交流系统的负荷水平、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条件的影响。因此,不同状况下的交流系统向换流站提供无功功率的能力会有较大的不同。充分合理地利用交流系统的无功补偿能力对换流站的无功平衡和投资的经济性十分重要。一方面,对于位于大型的水、火电站附近高压直流输电的换流站,当直流输电大负荷运行时,交流系统可以提供部分的容性无功功率,另一方面,在直流系统小负荷运行时,利用放电机的进相能力,可以吸收换流站过剩的无功补偿容量。利用交流系统的无功补偿能力可以减少换流站内装设的无功补偿设备,降低直流系统停运时的甩负荷过电压水平,还可以减少无功补偿设备,降低换流站造价,节省相应的变电设备和控制保护设备的投资。此外,无功控制是根据同交流系统的无功交换值投切无功补偿装置以及改变触发角的大小,来维持系统运行在正常电压。通过一般的潮流程序可以计算出交流系统的无功补偿能力。对于不同的直流输电运行方式,要根据相关的规范和导则,结合工程投运和电网发展等实际情况,合理地选择开机方式、电网关断方式和水平年。换流母线的电压水平选择对无功支持能力的大小有重要影响,在交流系统条件一定的情况下,换流站母线电压压得越低,交流系统无功补偿能力就越强。反之则越弱。4无功补偿装置的类型整流站一般位于大型发电厂的附近,交流系统允许吸收和提供的无功功率容量较大,应结合交流系统的无功补偿能力,再根据无功需求和滤波要求适当的安装无功补偿装置,逆变站多位于负荷中心,交流系统无功补偿能力较弱,参与无功交换的能力相对有限,故一般采用本身无功功率平衡的补偿原则。对于用于非同步连接的背靠背高压直流输电系统,由于与所连接的交流系统无功交换为零,其消耗的无功功率全部由无功补偿装置提供。常在换流站交流母线上安装滤波器、并联电容器、静止无功补偿器等无功补偿设备以提供所需无功功率。无功补偿装置产生的总的无功功率之和式中C———无功补偿设备的有效电容;f———交流系统的频率。换流站装设的无功补偿装置主要有3类:第一类,同步调相机。主要在与所连接的交流电网系统强度较弱的换流站装设,同步调相机可以提高换流站的短路比,增加转动惯量,改善换流条件,降低过电压,提高交流系统的稳定性。缺点是占地大,运行可靠性低,维护工作量大。第二类,机械投切的电容器、电抗器和交流滤波器。其优点是无功补偿容量巨大,投资低,缺点是调节速度慢,不能实现平滑调节,不能频繁操作。且为了抑止交流侧谐波和补偿无功功率,必须安装相应容量的交流滤波器,最小滤波电容容量占换流容量的30%左右。第三类,静止无功补偿装置(SVC)。一般包括晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)或固定电容器(FC)。其调节速度快,可以抑制直流单级故障引起的换流站交流母线的暂时过电压,是平衡电网无功功率和稳定电网电压的有效手段,缺点是投资大,会产生一定量的谐波。另外,基于动态平滑补偿无功能力,STATCOM得到了大力发展,但其在直流输电中的应用,目前尚处于探索阶段,有待进一步研究。在电力系统暂态情况下,电压波动范围较大,在电压很低时,由式(9)可知,无功补偿装置提供的无功功率反而降低,此时根据实际无功需求增投一组无功补偿装置;而在电压很高时,提供的无功功率也会随着增加,此时根据实际无功需求切除一组无功补偿装置,以维持电压的稳定和无功功率的平衡。无功补偿设备类型的选择主要决定于系统强度。根据电网强度一般当短路比大于3时,只考虑电容器、电抗器和交流滤波器;当短路比小于3时,则需要考虑装设其他无功补偿设备。5运行方式的确定高压直流输电换流站无功补偿容量应按直流系统正向、全压、双极额定运行方式确定,并应计及与其相连的交流系统的无功能力。在其他如降压方式、过负荷方式、反送方式下进行校核。在校核时要保证不同方式下满足无功功率的平衡。5.1无功补偿装置的无功需求判断换流站容性无功补偿设备容量式中Qtotal———在正常电压下容性无功补偿装置所提供的总无功功率;Qsb———在正常电压下由最大的交流滤波器分组或并联电容器分组所提供的无功功率;N———备用的无功补偿设备组数;Qac———在决定无功供给设备容量时所假设的交流系统无功需求,负值表示交流系统提供的无功功率;Qdc———在决定无功供给设备时所假设的直流换流设备的无功需求;U———换流站交流母线电压标幺值。可以看出,无功补偿装置提供的无功功率与交流母线电压的大小有密切的关系,在母线电压允许范围内,通过上述公式可以判定换流站无功补偿能否满足其无功需求。文献对贵广第二回直流输电工程进行了计算和校核。5.2qcd的运行式中Qr———在正常电压下换流站并联电抗器吸收的总无功;Qfmin———在正常电压下,由最少交流滤波器组所产生的无功。当无功补偿装置提供的无功过剩时,投入感性无功补偿装置以吸收多余的无功功率,此情况多发生在小负荷运行时,由于最小滤波器的限制所提供的无功功率大于换流站所吸收的无功。另一种情况是投切低压电抗器来参与精密的无功控制。Qdc的选择与运行工况密切相关,采用单极最小运行方式时,换流器消耗的无功达到最小,这样设计出的直流系统具有最好的运行灵活性和系统性能,但其造价很高,采用双极最小运行方式时,直流系统的造价降低,运行灵活性和系统性能良好。目前,大部分直流输电工程都是采用双极最小运行方式作为感性无功补偿设计方式。6无功补偿装置的投切及约束运行高压直流输电的运行方式多,功率调节快速、平稳,输送功率变化范围很大。为适应直流输电各种运行方式和不同输送功率的改变,同时满足换流站交流母线电压变化的需要,换流站的无功补偿装置必须实行分组投切运行。无功补偿装置的投切将会引起交流母线电压的变化,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,一般在直流系统发生故障时才切除一组或几组无功大组。通常将无功补偿装置分成3~5个无功大组,每一个大组中又包括3~5组无功小组或交流滤波器小组。分组时,还要充分考虑谐波的影响,应将各种类型的滤波器应尽可能均匀地分配于各个无功大组之中。6.1交流线路配流率之间的关系换流站投切无功大组容量与换流站交流母线的电压变化率之间的关系式中ΔQ———无功大组容量;ΔU———允许的换流站交流母线暂态电压变化率;∑Qf———投切无功大组后换流站交流母线上总的无功补偿容量。6.2小组容量的确定换流站投切无功最大小分组容量与换流站交流母线的电压变化率之间的关系式中ΔQ———无功小组容量。换流站无功分组方案的确定是一个不断优化的过程,根据无功大组和无功小组估算公式初步估算出无功大组容量和无功小组容量,再根据系统运行方式的变化,结合装置配置的滤波性能和无功大组与小组的合理匹配,对无功分组容量做