±800kV云廣直流輸電工程平波電抗器參數(shù)選擇和布置

21ic智能電網(wǎng)：摘要： 為抑制直流輸電系統(tǒng)擾動(dòng)引起的直流電流上升速度，避免輕載時(shí)發(fā)生直流電流斷續(xù)，以及降低直流側(cè)諧波，需要在換流器直流側(cè)出口裝設(shè)平波電抗器。筆者根據(jù)±800 kV云廣直流輸電系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)，詳細(xì)計(jì)算了平波電抗器的電感參數(shù);特高壓直流輸電系統(tǒng)由于采用特殊的換流器聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其平波電抗器布置不同于±500 kV超高壓直流輸電系統(tǒng)。文中搭建了基于PSCAD/EMTDC的云廣特高壓直流輸電模型，從諧波特性、直流操作過電壓等方面對3種平波電抗器布置方案進(jìn)行了仿真對比研究，其結(jié)果對實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)意義。

0 引言

云南—廣東±800 kV 特高壓直流輸電工程是世界上第1 條±800 kV 直流工程， 其成功投運(yùn)和穩(wěn)定運(yùn)行在世界直流輸電史上具有開創(chuàng)性意義。直流輸電主回路參數(shù)設(shè)計(jì)是直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要部分，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)[1-3]。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(dòng)成分， 避免在低直流功率傳輸時(shí)電流的斷續(xù);限制電流突變來降低換相失敗率[4-7]。

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(dòng)時(shí)直流電流上升速度和防止輕載時(shí)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(gè)慣性環(huán)節(jié)，電感的增大會(huì)使電流突變時(shí)電抗器的過電壓增加，還會(huì)導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)自動(dòng)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[3]。

與傳統(tǒng)的±500 kV 直流輸電工程不同，±800 kV云廣直流輸電工程采用單極雙12 脈動(dòng)換流器串聯(lián)(400 kV+400 kV)的運(yùn)行接線方式[8]。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(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，新的電抗器布置方案的優(yōu)點(diǎn)和不足需要通過長時(shí)間的運(yùn)行效果來檢驗(yàn)。

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(shí)際運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上，詳細(xì)計(jì)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(diǎn)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(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供可以參考的依據(jù)。

1 特高壓直流輸電平波電抗器的電感值選擇

文[9]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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(shí)刻，逆變器1 個(gè)橋發(fā)生故障，導(dǎo)致直流側(cè)電壓在持續(xù)時(shí)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(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)±800 kV 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800 kV，IdN為3.125 kA，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(shí)際參數(shù)和互感， 有：LL≈195 mH，線路電阻RL=10 Ω。

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(jì)，因此兩相短路電流Is近似計(jì)算為(單位為kA)

代入式(3)，得到βN約為39°， 再代入式(2)， 解得：ΔId=0.659 2 kA。

已知逆變側(cè)直流電壓UdNi=UdNr-RlIdN=768.75 kV，故單橋額定直流電壓ΔUd=UdNi/4=192.187 5 kV，將上述結(jié)果代入式(1)，解得L1≈503 mH，從而得：Ld≈308 mH。

由于計(jì)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(shí)際工程的平波電抗器的電感取300 mH 是完全合理的。

2 3 種不同的云廣特高壓直流工程平波電抗器布置方案

中國已投運(yùn)的±500 kV 直流輸電工程均采用單極2 個(gè)6 脈動(dòng)換流橋串聯(lián)組成1 個(gè)12 脈動(dòng)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800 kV，為了降低單個(gè)換流變和換流閥的絕緣水平和制造成本，同時(shí)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(dòng)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[10]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。