贵广第二回直流输电工程换流站无功补偿的研究

第30卷第10期电网技术Vol.30No.102006年5月PowerSystemTechnologyMay2006文章编号：1000-3673（2006）10-0069-06中图分类号：TM714.3文献标识码：A学科代码：470·4051贵广第二回直流输电工程换流站无功补偿的研究杜忠明（中国电力工程顾问集团公司，北京市西城区100011）StudyonReactivePowerCompensationfortheSecondaryHVDCProjectfromGuizhoutoGuangdongDUZhong-ming（ChinaPowerEngineeringConsultingGroupCorporation，XichengDistrict，Beijing100011，China）ABSTRACT:TheresearchonreactivepowercompensationofconverterstationisanimportantcomponentinthedesignofHVDCproject.Forthesecondary±500kV/3000MWGuizhou-GuangdongHVDCtransmissionprojectbeingbuiltinSouthChinapowergrid,basedonHVDCsteady-statemodelandaccordingtocorrespondingcalculationprinciplethereactivepowerconsumptionofconverterstationundervariousoperatingmodesiscalculated,andtotalcapacityofreactivepowercompensationdevicesofconverterstationsatbothterminalsandtheconfigurationschemeforthesedeviceswhicharedividedintogroupsareproposed.Thefeasibilityoftheproposedconfigurationschemeisverifiedbysimulationresultsofswitchinggroupedcompensationdevicesinconverterstation.Mainresultsofthisresearchitemareappliedinthemanufacturingofcompensationdevicesforthesecondary±500kV/3000MWHVDCtransmissionproject.KEYWORDS:Guizhou-GuangdongsecondaryHVDCproject；converterstation；reactivepowercompensation；transmissionanddistribution摘要：换流站无功补偿的研究是高压直流系统设计的重要组成部分，针对正在建设的南方电网贵广第二回±500kV/3000MW直流输电工程，根据高压直流稳态模型，按照相应的计算原则计算了不同运行方式下的换流站无功消耗，提出了两端换流站的无功补偿设备总容量及其分组配置方案。换流站无功分组投切的仿真结果验证了配置方案的技术可行性。主要研究成果已应用于工程的设备制造中。关键词：贵广第二回直流输电工程；换流站；无功补偿；输配电工程0引言高压直流输电系统在运行中需要消耗大量的无功功率[1]。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[2-11]。贵州—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[3]，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交流系统条件根据南方电网的“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6×600MW)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直流运行方式贵广第二回直流输电工程主要有以下运行方式：PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建杜忠明：贵广第二回直流输电工程换流站无功补偿的研究Vol.30No.10①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换流站的无功补偿方式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交流系统提供无功的能力对于交流系统，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表12008年兴仁换流站无功平衡计算结果Tab.1ThereactivepowerbalancecalculationresultsofXingrenconverterstationinyear2008无功平衡运行方式1运行方式2运行方式3发电机功率因数0.950.90.850.950.90.850.950.90.85电网可发无功/Mvar9981278152280098711507179041067系统损耗无功/Mvar565565565585585585585585585系统提供无功/Mvar433713957215402565132319482注：①运行方式1~3考虑了换流站附近电厂机组检修以及电厂一回出线停运等组合方式；②电网可发无功指附近电源的无功出力及送出线路的充电功率；③系统损耗无功主要是交流线路的无功损耗及电厂升压变损耗。表22010年兴仁换流站无功平衡计算结果Tab.2ThereactivepowerbalancecalculationresultsofXingrenconverterstationinyear2010无功平衡运行方式1运行方式2运行方式3发电机功率因数0.950.90.850.950.90.850.950.90.85电网可发无功/Mvar214228643493155019932378111614651769系统损耗无功/Mvar134513451345978978978736736736系统提供无功/Mvar79715192148572101514003807291033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交流系统吸收无功的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换流站无功消耗量的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[4]。整流侧及逆变侧换流站的无功消耗量可计算得出[1]：dc1d11tanQPj=(1)PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建=(2)r1d11coscos2XIUja=-(3)r2d22coscos2XIUjg=-(4)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；j1、j2分别为整流站和逆变站的功率因数角；a为整流侧触发角；g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[1]：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。表3不同直流运行方式下换流站无功消耗量计算结果Tab.3Calculationresultsofreactivepowerconsumptionforbothconverterstationsunderdifferentoperationmode直流运行方式直流输送功率/MW兴仁换流站无功消耗量/Mvar深圳换流站无功消耗量/Mvar双极全压30001689166280%降压24001461155670%降压210018831908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