丁 劍，王海林，胡 浩，李文帆，李 彬

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

水電送端特高壓直流換流站無功配置優(yōu)化研究

丁 劍，王海林，胡 浩，李文帆，李 彬

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

中國地域廣闊且一次能源分布不均衡，水電通過特高壓直流遠(yuǎn)距離送電至負(fù)荷中心是解決西南地區(qū)水電富余和減少棄水的重要途徑。所述工程為建設(shè)在水電富集地區(qū)的±800 kV特高壓直流換流站，額定送電容量高達(dá)10 GW，初期換流站短路容量和短路比較小，隨著配套大型水電投產(chǎn)，遠(yuǎn)期又存在短路電流超標(biāo)等問題。換流站的無功配置需保證在初期和遠(yuǎn)期均滿足相關(guān)規(guī)程和安全運行需要，同時要考慮站址場地限制問題。針對上述問題，采用遠(yuǎn)近結(jié)合、統(tǒng)籌考慮的方法，對換流站無功配置優(yōu)化等方面進(jìn)行了深入研究，總結(jié)出了具有一定參考價值的成果。

高壓直流輸電；無功補(bǔ)償；短路電流；電壓波動；同步調(diào)相機(jī)

0 引 言

中國西南地區(qū)由于資源稟賦特點，電源裝機(jī)中水電裝機(jī)比重大。由于近年來四川水電開發(fā)力度加大，而電網(wǎng)外送通道建設(shè)相對滯后，窩電及棄水問題日益嚴(yán)重，矛盾突出?！笆濉逼陔S著水電進(jìn)一步的開發(fā)建設(shè)，特別是2020年左右雅礱江中游等大型水電逐步建成投產(chǎn)，預(yù)計四川豐期新增的富余水電規(guī)模超過12 GW，迫切需要新建大規(guī)模外送通道。高壓直流輸電系統(tǒng)通常應(yīng)用于遠(yuǎn)距離跨區(qū)域送電和區(qū)域間聯(lián)網(wǎng)[1-4]，±800 kV雅中特高壓直流輸變電工程額定送電容量為10 GW，主要依托雅礱江中游梯級水電及甘南和涼山中小水電送電。為盡早滿足四川富余水電送出，直流工程計劃于2018年左右投產(chǎn)。相關(guān)配套電源建設(shè)進(jìn)度見表1。

為便于匯集相關(guān)水電，雅中送端換流站選址在鹽源縣。目前，川西南區(qū)域已形成鄉(xiāng)城—水洛—木里—月城2回500 kV水電送出通道，構(gòu)成一種鏈?zhǔn)诫娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)四川電網(wǎng)規(guī)劃，2018年前建成鹽源輸變電工程，2020年前建設(shè)布拖輸變電工程。直流投產(chǎn)前，送端近區(qū)電網(wǎng)情況見圖1。

圖1 直流送端近區(qū)電網(wǎng)情況

項目及時序電站(匯集站)名稱額定容量/MW2018年2020年2025年直流工程送端相關(guān)水電(合計)150514091728812883其中:1.雅礱江中游水電楞古25752575孟底溝24002400楊房溝150015001500卡拉102010201020(小計)74950252074952.甘南和涼山中小水電鄉(xiāng)城500kV變電站227490210041260水洛500kV變電站250598414081659木里500kV變電站1770119913501462鹽源500kV變電站314314314314上通壩和卡基娃電站692692692692(小計)7556409147685388

由于本工程2018年投產(chǎn)初期，雅礱江中游梯級大型水電均未投產(chǎn)，只能通過該地區(qū)中小水電滿足初期直流運行和送電要求；加之此時網(wǎng)架較薄弱，換流站交流側(cè)初期短路容量較小，對直流換流站的支撐較弱，電壓波動較大，接入系統(tǒng)方案及無功配置均需統(tǒng)籌考慮直流送端支撐的需要。2020年及以后隨著雅礱江中游梯級大型水電的投產(chǎn)和電網(wǎng)的發(fā)展完善，遠(yuǎn)期換流站交流側(cè)短路電流超標(biāo)，需遠(yuǎn)近結(jié)合對接入系統(tǒng)方案局部進(jìn)行必要的改接。針對雅中換流站投產(chǎn)初期和遠(yuǎn)期方案接線，對換流站的無功配置進(jìn)行了詳細(xì)研究。 為盡量減少換流站占地，考慮按大小兩種無功小組來進(jìn)行容性無功配置?？紤]到直流送端交流系統(tǒng)較弱，結(jié)合提高穩(wěn)定水平和限制過電壓的需要，在換流站加裝同步調(diào)相機(jī)，從而對無功配置進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。感性無功配置方面，考慮了直流最小功率運行和初期調(diào)試等各種運行方式，并結(jié)合調(diào)相機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。通過詳細(xì)研究及優(yōu)化，提高了特高壓直流工程的適應(yīng)性和運行可靠性。

1 換流站接入系統(tǒng)方案

根據(jù)近區(qū)電網(wǎng)情況和直流匯集電源需要，結(jié)合四川西部水電輸電走廊規(guī)劃[5]，雅中換流站推薦接入系統(tǒng)方案初期以3回500 kV線路與鹽源500 kV變電站相連，并將木里—月城2回500 kV線路就近雙π接入雅中換流站；換流站與雅礱江中游4個大型電站則以6回500 kV線路連接。換流站在投產(chǎn)初期適當(dāng)與川西電網(wǎng)保持多回連接，一方面可滿足直流投產(chǎn)初期的送電要求；另一方面在直流投產(chǎn)初期可為換流站提供較為堅強(qiáng)的電網(wǎng)支撐，提高換流站的短路比。遠(yuǎn)期可通過采取恢復(fù)木里—月城2回500 kV線路等措施，有效避免換流站短路電流超過63 kA問題。經(jīng)研究，該方案電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較合理，運行靈活性較好，穩(wěn)定水平較高。

雅中換流站接入系統(tǒng)推薦方案見圖2所示。

圖2 雅中換流站接入系統(tǒng)方案

2 雅中換流站無功配置研究

2.1 無功配置的原則和要求

HVDC換流站的換流變壓器和可控硅元件一方面需要消耗大量的無功，另一方面產(chǎn)生對電網(wǎng)有害的諧波，因此需要配置容性無功和濾波器。為滿足小運行方式下的無功平衡和電壓控制需要，也需要配置感性無功。按相關(guān)規(guī)程要求，換流站近區(qū)無功應(yīng)分層分區(qū)就地平衡，不考慮遠(yuǎn)距離輸送。為確定容性無功補(bǔ)償容量，應(yīng)對直流系統(tǒng)正向全壓額定運行方式下的換流站無功消耗進(jìn)行計算；為確定感性無功補(bǔ)償容量，對直流系統(tǒng)最小功率運行方式下的換流站無功消耗進(jìn)行計算。直流過負(fù)荷所需額外增加的無功補(bǔ)償容量由換流站備用補(bǔ)償分組容量來平衡。

根據(jù)國內(nèi)外直流工程經(jīng)驗，為了節(jié)省投資、提高運行可靠性，換流站容性無功補(bǔ)償一般首選交流并聯(lián)濾波器及電容器以滿足技術(shù)要求。對于雅中換流站，容性無功補(bǔ)償裝置主要采用500 kV交流并聯(lián)濾波器及電容器組，并考慮在站用變壓器低壓側(cè)加裝并聯(lián)電容器；對于感性無功，根據(jù)500 kV線路長度加裝線路高壓電抗器，并在站用變壓器低壓側(cè)裝設(shè)并聯(lián)電抗器以滿足基本補(bǔ)償要求。

結(jié)合送端網(wǎng)架較弱、最小短路比低的特點，為提供動態(tài)無功支撐，本工程雅中換流站交流側(cè)推薦加裝2×300 Mvar同步調(diào)相機(jī)。研究表明加裝同步調(diào)相機(jī)后，一方面可有效提升換流站交流系統(tǒng)短路容量和短路比，改善直流運行條件；另一方面可抑制電壓波動，減少容性無功小組數(shù)，節(jié)約占地和投資；此外，在直流故障條件下，可有效避免送端交流系統(tǒng)過電壓超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 換流站無功消耗計算

換流站的無功消耗容量與直流的輸送功率、直流電壓、直流電流、換相角以及換相電抗等因素有關(guān)。換流站無功消耗計算一般應(yīng)計及多種不同的運行方式[6]。根據(jù)相關(guān)公式，換流站額定運行方式、小功率運行方式下的無功消耗計算結(jié)果如表2、表3所示。

表2 換流站額定運行方式無功消耗

2.3 換流站容性無功補(bǔ)償配置常規(guī)方式存在的問題

根據(jù)額定運行方式無功消耗結(jié)果并考慮備用后，換流站容性無功配置應(yīng)達(dá)到6 500～6 700 Mvar。關(guān)于分組容量，按照電力系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程的規(guī)定以及直流系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，要求當(dāng)濾波器或并聯(lián)電容器分組投切時，送端換流站交流母線電壓的工頻分量的暫態(tài)變化最大值應(yīng)不超過2%；穩(wěn)態(tài)電壓變化最大值不超過1.0%。切除整個無功大組，系統(tǒng)允許的交流母線暫態(tài)電壓的波動一般不大于5%～6%，必要時可適當(dāng)放寬。

表3 換流站小功率運行方式最小無功消耗(考慮量測誤差)

根據(jù)換流站投切無功分組容量與換流站交流母線的暫態(tài)電壓變化率之間存在的經(jīng)驗公式，可初步估算無功大、小組容量。經(jīng)計算，最嚴(yán)重N-1方式下?lián)Q流站交流側(cè)短路容量約18 300 MVA，按照穩(wěn)態(tài)電壓波動為1.0%限值估算，對應(yīng)的最小無功分組容量約為183 Mvar。但該估算結(jié)果僅作為參考，仍需以電壓波動計算為準(zhǔn)。經(jīng)過對初期和遠(yuǎn)期換流站正常和各種N-1方式下的電壓波動計算，考慮投切無功小組時穩(wěn)態(tài)電壓波動不超過標(biāo)準(zhǔn)限值。如果按常規(guī)算法，僅以短路容量最低的枯期最小運行方式計算[7]，不加裝調(diào)相機(jī)時500 kV無功小組容量約200 Mvar，小組數(shù)量高達(dá)約33組，大組容量高達(dá)6組，無功占地面積較大。

2.4 容性無功補(bǔ)償配置優(yōu)化方法及仿真結(jié)果

本次換流站在常規(guī)無功配置的基礎(chǔ)上，一方面采用較先進(jìn)方法以小功率、中功率兩種方式來確定不同的運行條件，考慮按大小兩種無功小組進(jìn)行無功配置；另一方面加裝調(diào)相機(jī)并充分發(fā)揮其動態(tài)無功調(diào)節(jié)和抑制電壓波動的作用，對無功規(guī)模進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

因枯小方式運行時間十分有限，且此時需投入運行的無功容量和組數(shù)相應(yīng)也較少，而隨著電源出力和直流輸送功率的增加，電源對換流站支撐有所增強(qiáng)，短路容量提高，滿足投切無功小組時穩(wěn)態(tài)電壓波動不超過標(biāo)準(zhǔn)限值的無功小組容量也將相應(yīng)提高。結(jié)合配套電源特性進(jìn)一步研究，可對部分無功小組容量按直流中功率(約50%額定功率)進(jìn)行電壓波動計算及配置[8]。經(jīng)計算，此時由于交流系統(tǒng)對換流站支撐有所增強(qiáng)，滿足穩(wěn)態(tài)電壓波動不超標(biāo)的500 kV無功小組容量約可提高至250 Mvar。因此，可按大小兩種無功小組容量，不加裝調(diào)相機(jī)時無

表4 換流站容性無功配置優(yōu)化計算

表5 換流站投切無功小組電壓波動仿真結(jié)果

功小組容量為200 Mvar(直流小功率)和250 Mvar(直流中功率)；考慮站用變壓器低壓側(cè)加裝電容后，500 kV容性無功小組數(shù)量降低至28組。

考慮換流站加裝2×300 Mvar同步調(diào)相機(jī)，充分發(fā)揮調(diào)相機(jī)的動態(tài)無功調(diào)節(jié)作用之后，仍按穩(wěn)態(tài)電壓波動不大于1.0%、無功按大小兩種容量配置，則計算表明無功小組容量可以提高300 Mvar(直流小功率)和350 Mvar(直流中功率)，同時考慮站用變壓器低壓側(cè)加裝電容后，500 kV濾波器和電容的小組數(shù)減少到20組。從而進(jìn)一步大幅度節(jié)約了占地和投資。容性無功優(yōu)化計算的情況見表4。

從減少換流站無功大組和小組的分組數(shù)、盡可能均衡各無功大組容量、有利于優(yōu)化換流站布局等角度出發(fā)，推薦500 kV濾波器和容性無功共分4大組、20小組，即12小組300 Mvar容性無功和8小組350 Mvar容性無功，每大組5小組，無功大組容量為1 600 Mvar(經(jīng)計算切除無功大組交流母線暫態(tài)電壓的波動小于6%)。此外，本期在換流站2臺站用變壓器低壓側(cè)共裝設(shè)4×60 Mvar低壓電容器(另為了提高適應(yīng)性，規(guī)劃再預(yù)留2組低壓電容位置)，本期容性無功總?cè)萘繛? 640 Mvar。

按推薦容性無功配置，進(jìn)行了詳細(xì)的仿真計算驗證，結(jié)果表明無功配置滿足規(guī)程要求。列舉了幾種嚴(yán)重方式下?lián)Q流站投切無功小組電壓波動仿真結(jié)果，見表5。

2.5 感性無功補(bǔ)償配置

雅中換流站與雅礱江中游電站相連的500 kV長線路均按要求裝設(shè)高壓電抗器，換流站感性無功平衡主要在此基礎(chǔ)上對低壓電抗進(jìn)行配置。根據(jù)交流側(cè)無功平衡及潮流計算結(jié)果，2025年枯小全接線方式按雅中梯級電站均不進(jìn)相運行控制，此時交流系統(tǒng)還有約190 Mvar容性無功流向換流站。在此基礎(chǔ)上，直流雙極輸送最小功率時換流站自身的無功平衡結(jié)果見表6所示。計算中考慮設(shè)備制造公差及系統(tǒng)測量誤差等因素，換流站無功小組(濾波器)單組容量按300 Mvar考慮，直流小方式時投入2組濾波器。此時如控制觸發(fā)角在額定值15°附近，結(jié)合交流側(cè)無功平衡及潮流計算結(jié)果，共剩余容性無功464 Mvar需要補(bǔ)償。

因此，考慮在2臺站用變壓器低壓側(cè)共加裝2×(4×60)Mvar可投切電抗器，從而對剩余容性無功完全補(bǔ)償，并留有少量裕度。

表6 換流站感性無功平衡結(jié)果(直流小方式)

為了進(jìn)一步全面校驗感性無功，考慮直流初期最為嚴(yán)重的單閥調(diào)試運行方式，即1/2單極大地回路或金屬回路最小運行方式，此時換流站消耗無功功率為雙極小功率的1/4，所需感性無功較大。根據(jù)枯小方式無功平衡，2018年換流站近區(qū)交流系統(tǒng)不能提供感性無功，且在枯小方式下仍有約74 Mvar容性無功需要平衡。在上述基礎(chǔ)上，直流雙極輸送最小功率時換流站自身的無功平衡結(jié)果見表7所示。計算表明，如控制觸發(fā)角在額定值15°附近，在調(diào)試方式下僅消耗81 Mvar無功，考慮交流側(cè)無功富余后，共剩余容性無功593 Mvar需要補(bǔ)償?？紤]到單閥調(diào)試運行方式是一種臨時的特殊工作方式，為節(jié)省投資，減少不必要的浪費，建議本直流工程投產(chǎn)初期調(diào)試運行方式下的感性無功缺額通過調(diào)相機(jī)進(jìn)相運行予以短時間的補(bǔ)充。因此建議換流站低壓電抗器8×60 Mvar在本期一次建成，并考慮調(diào)相機(jī)進(jìn)相約113 Mvar，則基本能夠滿足調(diào)試方式下的感性無功平衡。

綜上所述，結(jié)合近遠(yuǎn)期感性無功平衡結(jié)果，建議本期站用變壓器低壓側(cè)共裝設(shè)2×(4×60)Mvar電抗器。

2.6 換流站無功配置結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)研究結(jié)果，送端換流站本期無功配置方案見表8。

表7 換流站感性無功平衡結(jié)果(初期直流調(diào)試運行方式)

注：1/2單極大地回路或金屬回路最小運行方式，送電250 MW

表8 換流站無功配置小結(jié)

3 主要結(jié)論及建議

中國西南地區(qū)水電資源富集但本地消納能力有限，建設(shè)高壓直流輸電工程勢在必行。由于直流送端換流站距主網(wǎng)電氣距離較遠(yuǎn)、短路比較低，為滿足投切無功時的電壓波動要求，導(dǎo)致單組容性無功容量限值較低，無功組數(shù)較多，增大了換流站場地占用和布置難度。經(jīng)研究，一方面按枯期小功率、中功率兩種運行方式進(jìn)行電壓波動計算，從而以兩種不同的單組容量進(jìn)行容性無功配置；另一方面通過加裝同步調(diào)相機(jī)來提供動態(tài)無功支撐、抑制電壓波動，進(jìn)一步增大單組無功規(guī)模，從而有效減少了500 kV容性無功和濾波器的組數(shù)，大幅節(jié)約了換流站占地和投資。在感性無功配置研究方面，不但考慮了正常小方式下系統(tǒng)注入無功以及為了滿足直流運行而投入濾波器的剩余容性無功，為增強(qiáng)適應(yīng)性還進(jìn)一步校核了直流在較嚴(yán)重的單閥調(diào)試運行情況下的感性無功平衡，調(diào)相機(jī)的進(jìn)相運行在其中也起到了必要的作用，從而避免了感性無功規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大。通過上述相關(guān)系統(tǒng)研究，進(jìn)一步優(yōu)化了雅中特高壓直流換流站無功配置，增強(qiáng)了工程的適應(yīng)性和運行可靠性，對于四川、云南、西藏等地區(qū)后期新增的水電送端直流換流站，也具有一定的參考意義。

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China is vast in areas and has unbalanced distribution of primary energy. The hydroelectric power should be sent to load center through long-distance UHVDC transmission, and it is the important way to solve the rich hydroelectric power and reduce water discharge. The described project is a ±800 kV UHVDC converter station at hydropower sending-end in Southwest China. The rated transmission capacity is up to 10 GW. In the initial stage the short-circuit capacity at AC side is inadequate and after the large-scale hydropower station being put into operation, the short-circuit current will exceed the standard. It must be ensured that the relevant procedures and safe operation in the short term and long term are both fulfilled. The site restriction should also be considered. Aiming at the above issues, intensive studies are carried out in areas of reactive power compensation and optimal configuration by using the method of combination of far and near, overall considerations. The results of a certain reference value are summarized.

HVDC transmission; reactive power compensation; short-circuit current; voltage fluctuation; synchronous compensator

TM721.1

A

1003-6954(2017)03-0039-05

2017-01-07)

丁 劍(1974)，碩士、高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和研究工作。