趙辰鵬，馬　東

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京　100095)

特高壓直流輸電工程換流變壓器抽頭級(jí)數(shù)確定方法

趙辰鵬，馬東

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100095)

摘要：換流變壓器參數(shù)是直流輸電工程設(shè)計(jì)的重要部分，為換流站的接線及布置方案論證提供支持，其合理性關(guān)系整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行特性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。以呼盟—山東±800 kV直流輸電工程為例，根據(jù)其對(duì)系統(tǒng)條件、主回路參數(shù)以及運(yùn)行特性等的要求，應(yīng)用新公式對(duì)換流變壓器抽頭級(jí)數(shù)的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)論述，所提計(jì)算方法為首次應(yīng)用，并通過(guò)與實(shí)際取值比較驗(yàn)證了所提方法的合理性。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電系統(tǒng)；換流變壓器；最大空載電壓；最小空載電壓；抽頭級(jí)數(shù)

0引言

特高壓直流系統(tǒng)換流變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)是特高壓直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，是系統(tǒng)運(yùn)行控制和工程成套設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。其主要內(nèi)容包括：短路阻抗、最大最小空載直流電壓、觸發(fā)角、熄弧角、抽頭級(jí)數(shù)等。為其他研究，如無(wú)功功率補(bǔ)償及控制、交流濾波器以及系統(tǒng)過(guò)電壓與絕緣配合等提供基本條件。

在主回路參數(shù)研究中，換流變壓器參數(shù)是最重要的內(nèi)容之一，這是由于換流變壓器處在交流電與直流電互相變換的核心位置，設(shè)備制造技術(shù)較復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)用昂貴。另外換流變壓器的可靠性及可用性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是至關(guān)重要的。

以呼盟—山東±800 kV特高壓直流輸電工程的交流系統(tǒng)條件和直流系統(tǒng)性能要求為基礎(chǔ)，依據(jù)特高壓直流輸電理論，對(duì)換流變壓器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如額定空載電壓、最大和最小空載電壓、調(diào)壓抽頭級(jí)數(shù)等，重點(diǎn)研究換流變壓器抽頭級(jí)數(shù)。最終給出計(jì)算結(jié)果，并與實(shí)際應(yīng)用值相比較驗(yàn)證了其正確性，為該特高壓直流工程后續(xù)各項(xiàng)研究的順利展開(kāi)提供依據(jù)，也為今后高壓直流工程研究提供參考。

1換流站基礎(chǔ)條件

根據(jù)特高壓直流輸電工程的技術(shù)條件和目前的制造水平，中國(guó)一般采用每極兩個(gè)12脈動(dòng)換流器(400 kV+400 kV)串聯(lián)的接線方式，如圖1所示。

圖1　12脈動(dòng)換流器原理接線圖

這種換流器接線方式使得系統(tǒng)的運(yùn)行方式靈活多變，主要有7種運(yùn)行方式：1)完整雙極運(yùn)行方式，每站每極兩個(gè)12脈動(dòng)換流器均串聯(lián)投入運(yùn)行；2)1/2雙極運(yùn)行方式，每站每極均只有一個(gè)12脈動(dòng)換流器投入運(yùn)行；3)完整單極大地回路運(yùn)行方式，一極停運(yùn)，另一極有兩個(gè)12脈動(dòng)換流器串聯(lián)運(yùn)行，由大地返回；4)1/2單極大地回路運(yùn)行方式，一極停運(yùn)，另一極只有一個(gè)12脈動(dòng)換流器運(yùn)行，由大地返回；5)完整單極金屬回路，一極停運(yùn)，另一極有兩個(gè)12脈動(dòng)換流器串聯(lián)運(yùn)行，由金屬回路返回；6)1/2完整單極金屬回路，一極停運(yùn)，另一極只有一個(gè)12脈動(dòng)換流器運(yùn)行，由金屬回路返回；7)一極完整，另一極1/2不平衡運(yùn)行方式，雙極中的一極有兩個(gè)12脈動(dòng)換流器串聯(lián)運(yùn)行，另一極只有一個(gè)12脈動(dòng)換流器運(yùn)行。

在進(jìn)行換流變壓器抽頭級(jí)數(shù)計(jì)算時(shí)，抽頭級(jí)數(shù)最大值計(jì)算選用完整雙極運(yùn)行方式，抽頭級(jí)數(shù)最小值計(jì)算選用完整單極金屬回路運(yùn)行方式；其中以完整雙極平衡運(yùn)行方式且功率正送時(shí)的常規(guī)運(yùn)行方式計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)額定值。

2計(jì)算所需基礎(chǔ)參數(shù)

2.1　交流系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)

整流側(cè)及逆變側(cè)的交流系統(tǒng)電壓及運(yùn)行范圍見(jiàn)表1。

表1　交流系統(tǒng)電壓

2.2　直流系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)

1)直流電壓

正常全壓運(yùn)行方式下的直流電壓為±800 kV，正常半壓運(yùn)行方式下直流電壓為±400 kV，定義在線路端極母線與中性點(diǎn)之間。每極都應(yīng)具有在直流降壓至70%～100%正常直流電壓內(nèi)連續(xù)運(yùn)行的能力。

2)線路參數(shù)

逆變側(cè)換流器、換流變壓器容量設(shè)計(jì)與直流電路電阻密切相關(guān)。在完整雙極平衡運(yùn)行方式下，整流側(cè)直流電壓為額定值800 kV，在額定直流時(shí)，逆變側(cè)直流電壓完全由直流線路電阻決定，進(jìn)而決定逆變側(cè)的換流容量。

該工程直流線路導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-6×1 250，線路長(zhǎng)度約1 720 km；極端最高溫度為40 ℃，極端最低溫度為-25 ℃，換流變壓器參數(shù)計(jì)算中采用的直流電阻值見(jiàn)表2。

表2　直流線路電阻

3)控制系統(tǒng)參數(shù)

表3　直流控制參數(shù)

4)設(shè)備和測(cè)量誤差

根據(jù)目前特高壓設(shè)備的生產(chǎn)能力，在換流變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)中考慮設(shè)備制造公差和測(cè)量誤差，列于表4。

表4　設(shè)備和測(cè)量誤差

5)換流器直流電壓降

6)換流變壓器短路阻抗

該工程整流側(cè)換流站換流變壓器的短路阻抗uk在換流變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)中采用20%，逆變側(cè)采用19%計(jì)算。

3計(jì)算所需中間參數(shù)

3.1　額定空載直流電壓計(jì)算

整流側(cè)、逆變側(cè)額定直流空載電壓UdioNR、UdioNI分別按照式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算，整流側(cè)額定觸發(fā)角αN選取為15°，逆變側(cè)額定熄弧角γN為17°。

(1)

(2)

式中：UdN為直流正常運(yùn)行電壓；n為閥組數(shù)；IdN為額定直流電流；RdN為直流電阻；dx和dr分別為換流變壓器感性和阻性壓降；UT為換流閥通態(tài)壓降，下標(biāo)N表示額定，R表示整流側(cè)，I表示逆變側(cè)。

3.2　換流變壓器閥側(cè)空載直流電壓計(jì)算

在直流空載電壓計(jì)算時(shí)，需要考慮各種測(cè)量誤差、設(shè)備制造公差以及觸發(fā)角、熄弧角的調(diào)整范圍等因素，根據(jù)式(3)、式(4)可計(jì)算出兩側(cè)Udio的上、下限值(Udiomax、Udiomin)。

(3)

(4)

換流變壓器分接開(kāi)關(guān)最小抽頭級(jí)數(shù)由最大空載直流電壓決定。此時(shí)直流全壓過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，直流電流取額定值1.05倍時(shí)，抽頭位置處在最小抽頭位置。

分接開(kāi)關(guān)最大抽頭級(jí)數(shù)由單極金屬返回、70%降壓運(yùn)行方式下的最小空載直流電壓決定。在降壓運(yùn)行時(shí)為保證諧波干擾水平，換流站的無(wú)功平衡以及換流站的損耗在所允許的范圍內(nèi)，經(jīng)常同時(shí)也要求降低額定直流電流值。如果直流電壓降到70%，直流電流也降到70%，則直流輸送功率為額定直流功率的49%，單級(jí)輸送功率的最小值取其10%，并且觸發(fā)角(或熄弧角)為最大允許角度。取觸發(fā)角(或熄弧角)為最大允許角度40°，若超過(guò)40°則可能增加換流站的造價(jià)或降低直流輸電某些運(yùn)行性能的要求。

下面基于系統(tǒng)參數(shù)及測(cè)量誤差，系統(tǒng)控制方式為整流側(cè)定電流，逆變側(cè)定電壓，具體描述換流站閥側(cè)最大、最小空載電壓的計(jì)算過(guò)程。未見(jiàn)文獻(xiàn)應(yīng)用過(guò)所提計(jì)算方法，此處為首次應(yīng)用。

當(dāng)計(jì)算UdiomaxR時(shí)，考慮直流電流取額定值1.1倍，代入式(3)的相關(guān)參數(shù)如下：

UdR=UdN(1+δUdmeas)

dxR=dxN(1+δdx)

Id=IdN(1.05+δIdmeas)

α=αN+Δα+δα

當(dāng)計(jì)算UdiominR時(shí)，考慮直流電壓降到70%，直流電流也降到70%，直流輸送功率為額定直流功率的49%，單級(jí)輸送功率的最小值取其10%，并且觸發(fā)角為最大允許角度，代入式(3)的相關(guān)參數(shù)如下：

UdR=UdN(0.7-δUdmeas)

dxR=dxN(1-δdx)

α=αmax-δα

將UdiomaxR和UdiominR分別代入式(5)和式(6)并結(jié)合式(7)即可得到整流側(cè)換流變壓器的最大、最小抽頭級(jí)數(shù)。

當(dāng)計(jì)算UdiomaxI時(shí)，考慮直流電阻取最小值，代入式(4)的相關(guān)參數(shù)如下：

UdR=UdN(1+δUdmeas)

dxI=dxN(1+δdx)

Id=IdN(1.05+δIdmeas)

γ=γN+Δγ+δγ

Rd=Rdmin

當(dāng)計(jì)算UdiominI時(shí)，考慮直流電阻最大情況下的單級(jí)金屬回線降壓70%運(yùn)行方式，且單級(jí)輸送功率為最小值，熄弧角為最大允許角度，代入式(4)的相關(guān)參數(shù)如下：

UdR=UdN(0.7-δUdmeas)

dxI=dxN(1-δdx)

γ=γmax-δγ

Rd=Rdmax

將UdiomaxI和UdiominI分別代入式(5)和式(6)并結(jié)合式(7)即可得到逆變側(cè)換流變的最大、最小抽頭級(jí)數(shù)。

式中：UdR為整流側(cè)直流電壓；Id為直流電流，其余參數(shù)如前表所列。

4換流變壓器抽頭級(jí)數(shù)計(jì)算

換流變壓器的最大及最小變比η按如下公式計(jì)算。

(5)

(6)

換流變壓器調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)的計(jì)算公式為

(7)

這樣，換流變壓器的有載調(diào)壓抽頭級(jí)數(shù)范圍如下。

換流變壓器抽頭級(jí)數(shù)最大值為

(8)

換流變壓器抽頭級(jí)數(shù)最小值為

(9)

5換流變壓器抽頭級(jí)數(shù)算例分析

以呼盟—山東特高壓±800 kV直流工程為例，校驗(yàn)上述的計(jì)算過(guò)程，呼盟直流額定輸送功率8 000 MW，相關(guān)參數(shù)如表1～表4所示。按照上述公式計(jì)算換流變抽頭級(jí)數(shù)，結(jié)果如表5所示，由表5可看出，所用公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用值基本一致，驗(yàn)證了所提計(jì)算方法的正確性。

表5　換流變壓器抽頭級(jí)數(shù)計(jì)算結(jié)果

6結(jié)論

根據(jù)兩端換流站交直流系統(tǒng)的參數(shù)，在數(shù)學(xué)上推導(dǎo)了換流變壓器參數(shù)計(jì)算新公式，即最大和最小空載電壓，然后計(jì)算出換流變壓器抽頭級(jí)數(shù)。最后通過(guò)呼盟—山東±800 kV特高壓直流算例驗(yàn)證了所提計(jì)算方法的合理性和正確性。

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中圖分類號(hào)：TM721.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2015)04-0029-04

作者簡(jiǎn)介：

趙辰鵬(1981)，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)前期規(guī)劃咨詢及穩(wěn)定與控制；

馬東(1986)，工程師，主要從事電力系統(tǒng)輸電線路設(shè)計(jì)工作。

(收稿日期：2015-03-17)

Abstract：The parameters of converter transformer are an important part of the design of HVDC project, which provides the support for the main connection and layout of converter substation, and its rationality will influence the operating characteristics and technological economical index of whole HVDC system. Taking Humeng-Shandong ± 800 kV HVDC project for example, according to the requirements to system condition, main circuit parameters and operating characteristics, the calculation process of tap series of converter transformer is discussed in detail based on self-compiled program. The proposed calculation method is applied to HVDC project for the first time, and the rationality of the proposed method is verified by the comparison with the actual values.

Key words：HVDC transmission system; converter transformer; maximum no-load voltage; minimum no-load voltage; tap series