高壓直流輸電系統的無功補償與無功平衡

隨著國家“東向西、南北向北、全國聯網”能源發展戰略的逐步實施，中國大部分地區的電網出現了世界上最大的遠距離和高壓通信模式。而遠距離大容量高壓直流輸電相對于交流輸電具有以下特點:線路造價低,線路損耗小,調節快速,運行可靠,不存在安全穩定性問題,可以限制短路電流,具有一定的過負荷能力,可以提高交流系統的穩定性,特別是暫態穩定性。高壓直流輸電中,實現交直流轉換的換流器由于拓撲結構不斷發生改變而成為交流系統的非線性負載,無論是整流還是逆變運行,換流器都要消耗大量的無功功率。即對于交流系統而言,直流輸電系統是一個無功負荷。額定功率下,通常整流站需要消耗的無功功率占直流輸送功率的40%~50%,逆變站需要消耗的無功功率巨大,約占50%~60%。同時,換流器還將產生大量不同頻率的諧波,必須在交流母線上安裝相應的交流濾波器。為保證換流器的安全可靠運行,需保證無功功率的供給,無功功率不足或過剩將直接造成交流電壓的不穩定,嚴重時可能危及整個交、直流系統的安全穩定運行。本文首先分析了換流站站內的無功功率平衡;其次,討論了換流站無功消耗的計算及其影響因素;再次,簡述了交流系統對無功平衡的影響及無功補償裝置的分類;最后,討論了換流站無功補償容量和無功分組的確定。1無功功率平衡式根據能量守恒原理,高壓直流輸電系統運行時,必須滿足換流站與交流系統的無功功率平衡,換流站的無功交換情況如圖1所示。換流器與交流系統的無功功率平衡式中Qac———交流系統參與的無功功率;Qtotal———容性無功補償裝置產生的無功功率減去并聯電抗器吸收的無功功率的差值;Qdc———換流器吸收的無功功率。如果Qac為負,那么換流站會從交流系統吸收無功功率;如果Qac為正,則向交流系統提供無功功率。根據相連的交流系統最大的無功發出和吸收能力,確定無功設備的投入點和切除點,以滿足直流輸電工程無功平衡。2換流站無功功率的計算高壓直流輸電換流站無功補償計算須結合一定的交流系統和直流系統參數條件。交流系統條件包括兩端換流站接入點的電壓等級、電壓運行范圍、短路容量、無功支持能力等;直流系統條件包括直流電壓、直流電流、運行方式以及直流線路參數和接地極參數等。對于實際運行的換流器,由于設備參數的公差、一些運行參數的不確定性以及測量和控制誤差造成的控制參數的不確定性,換流器實際消耗的無功功率是動態變化的。高壓直流換流站消耗的無功功率式中Id、Ud———直流電流、電壓;Udio———換流變壓器閥側理想空載直流電壓;UT———三相6脈動換流閥正向導通壓降,其值很小,工程計算可忽略不計;下標R、I、N———整流側、逆變側和額定值;n———每極6脈動換流器數,對于12脈動換流器,n=2;dx、dr———等值感性和阻性壓降標么值。將式(2)中α的換成γ即為逆變器Qdc的計算公式。可以看出換流站吸收的無功功率與P,α,μ,γ等參數有關。在傳輸功率確定的情況下,可以通過改變觸發角來快速調整換流變壓器吸收的無功。文獻和分別對兩個不同直流輸電工程無功消耗進行了具體計算。2.1功率因素與觸發角的關系對于逆變側將α換成γ即可。隨著直流傳輸功率的增加,無功消耗也會隨之增加,在額定運行和常規控制下,對應不同的觸發角,有著不同的無功消耗,從式(6)可以看出,功率因素與觸發角(逆變側為關斷角,下同)成反比的關系,觸發角的增加將使換流站的功率因素降低,從而導致無功消耗的增加。觸發角為30°時,換流站無功消耗較觸發角為典型值15°時增加60%左右。所以,保持較小的觸發角,即保持較大的功率因數對平衡換流站的無功消耗是很有利的。但由于換流站運行時要產生大量的諧波,在傳輸功率較低時,絕對最小濾波要求投入的交流濾波器產生的無功功率將會過剩,此時可通過增大觸發角,即降低功率因數來使換流站多吸收無功功率。2.2換流變壓器分接頭檔位無功功率直接下降,根據換流器按換流變壓器的結構,分接頭置于其高壓側,即變壓器的網側,閥側的繞組是固定不變的。換流變壓器網側和閥側的電壓關系式中Ubus,Uvo———換流變壓器網側與閥側線電壓;ntap———變壓器分接頭所處的位置,額定位置以下的是正值,其上是負值;k———步長電壓百分比;N1、N2———換流變壓器兩側電壓為額定值,即ntap為零時對應的線圈匝數。換流變壓器分接頭檔位變化時,會引起換流器控制角度和交流電壓的變化,進而使換流器吸收的無功功率發生改變。當電壓偏低時,可以下調ntap來提升電壓;當電壓偏高時,可以上調ntap來降低電壓。以維持直流電壓或換流變壓器閥側繞組空載電壓在允許值的范圍內和維持整流器的觸發角或逆變器的熄弧角在指定值的范圍內。電壓的減少會導致無功消耗上升,電壓從1.0p.u.變化到0.9p.u.時,在額定功率下電流要上升15%,而無功損耗的增加將超過30%。根據換流變壓器抽頭調節一檔所引起的無功消耗變化,結合無功小組分組容量,合理的設置無功控制死區,以避免換流變抽頭和無功補償裝置的頻繁投切。2.3交流系統短路容量換相電抗主要是指變壓器的漏抗及交流系統的等效電抗式中Xt———變壓器的漏抗;SSC———換流母線處的交流系統短路容量。在各種設備參數中,換流變壓器的換相電抗對換流站的無功消耗影響最大,無功功率的需求可以通過減少Xeq來降低,無功消耗計算時,在大無功工況下采用最大的換相電抗公差,小無功工況時采用最小換相電抗公差,以便能更準確地確定無功消耗的范圍。2.4要提高無功功率換相角是由于交流電源的電感Lc的影響而引起的,從式(2)可以看出換相角越小,消耗的無功功率就會越少,反之,則越大。當換相角大于60°時,就會出現3個閥和4個閥交替導通的異常運行情況。同時,換相角將會引起直流電壓的降低,換相角越大,引起的直流壓降就越大,所以保持較小的換相角是很有必要的。換流站的換相角可通過式(5)計算得出。3交流系統無功平衡和投資的經濟性交流系統的無功補償能力是指交流系統參與換流站無功平衡的能力。這種能力受交流系統的負荷水平、發電機出力、電網電壓的控制方式、無功補償設備的投切以及電網接線方式的變化等條件的影響。因此,不同狀況下的交流系統向換流站提供無功功率的能力會有較大的不同。充分合理地利用交流系統的無功補償能力對換流站的無功平衡和投資的經濟性十分重要。一方面,對于位于大型的水、火電站附近高壓直流輸電的換流站,當直流輸電大負荷運行時,交流系統可以提供部分的容性無功功率,另一方面,在直流系統小負荷運行時,利用放電機的進相能力,可以吸收換流站過剩的無功補償容量。利用交流系統的無功補償能力可以減少換流站內裝設的無功補償設備,降低直流系統停運時的甩負荷過電壓水平,還可以減少無功補償設備,降低換流站造價,節省相應的變電設備和控制保護設備的投資。此外,無功控制是根據同交流系統的無功交換值投切無功補償裝置以及改變觸發角的大小,來維持系統運行在正常電壓。通過一般的潮流程序可以計算出交流系統的無功補償能力。對于不同的直流輸電運行方式,要根據相關的規范和導則,結合工程投運和電網發展等實際情況,合理地選擇開機方式、電網關斷方式和水平年。換流母線的電壓水平選擇對無功支持能力的大小有重要影響,在交流系統條件一定的情況下,換流站母線電壓壓得越低,交流系統無功補償能力就越強。反之則越弱。4無功補償裝置的類型整流站一般位于大型發電廠的附近,交流系統允許吸收和提供的無功功率容量較大,應結合交流系統的無功補償能力,再根據無功需求和濾波要求適當的安裝無功補償裝置,逆變站多位于負荷中心,交流系統無功補償能力較弱,參與無功交換的能力相對有限,故一般采用本身無功功率平衡的補償原則。對于用于非同步連接的背靠背高壓直流輸電系統,由于與所連接的交流系統無功交換為零,其消耗的無功功率全部由無功補償裝置提供。常在換流站交流母線上安裝濾波器、并聯電容器、靜止無功補償器等無功補償設備以提供所需無功功率。無功補償裝置產生的總的無功功率之和式中C———無功補償設備的有效電容;f———交流系統的頻率。換流站裝設的無功補償裝置主要有3類:第一類,同步調相機。主要在與所連接的交流電網系統強度較弱的換流站裝設,同步調相機可以提高換流站的短路比,增加轉動慣量,改善換流條件,降低過電壓,提高交流系統的穩定性。缺點是占地大,運行可靠性低,維護工作量大。第二類,機械投切的電容器、電抗器和交流濾波器。其優點是無功補償容量巨大,投資低,缺點是調節速度慢,不能實現平滑調節,不能頻繁操作。且為了抑止交流側諧波和補償無功功率,必須安裝相應容量的交流濾波器,最小濾波電容容量占換流容量的30%左右。第三類,靜止無功補償裝置(SVC)。一般包括晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)或固定電容器(FC)。其調節速度快,可以抑制直流單級故障引起的換流站交流母線的暫時過電壓,是平衡電網無功功率和穩定電網電壓的有效手段,缺點是投資大,會產生一定量的諧波。另外,基于動態平滑補償無功能力,STATCOM得到了大力發展,但其在直流輸電中的應用,目前尚處于探索階段,有待進一步研究。在電力系統暫態情況下,電壓波動范圍較大,在電壓很低時,由式(9)可知,無功補償裝置提供的無功功率反而降低,此時根據實際無功需求增投一組無功補償裝置;而在電壓很高時,提供的無功功率也會隨著增加,此時根據實際無功需求切除一組無功補償裝置,以維持電壓的穩定和無功功率的平衡。無功補償設備類型的選擇主要決定于系統強度。根據電網強度一般當短路比大于3時,只考慮電容器、電抗器和交流濾波器;當短路比小于3時,則需要考慮裝設其他無功補償設備。5運行方式的確定高壓直流輸電換流站無功補償容量應按直流系統正向、全壓、雙極額定運行方式確定,并應計及與其相連的交流系統的無功能力。在其他如降壓方式、過負荷方式、反送方式下進行校核。在校核時要保證不同方式下滿足無功功率的平衡。5.1無功補償裝置的無功需求判斷換流站容性無功補償設備容量式中Qtotal———在正常電壓下容性無功補償裝置所提供的總無功功率;Qsb———在正常電壓下由最大的交流濾波器分組或并聯電容器分組所提供的無功功率;N———備用的無功補償設備組數;Qac———在決定無功供給設備容量時所假設的交流系統無功需求,負值表示交流系統提供的無功功率;Qdc———在決定無功供給設備時所假設的直流換流設備的無功需求;U———換流站交流母線電壓標幺值?？梢钥闯?無功補償裝置提供的無功功率與交流母線電壓的大小有密切的關系,在母線電壓允許范圍內,通過上述公式可以判定換流站無功補償能否滿足其無功需求。文獻對貴廣第二回直流輸電工程進行了計算和校核。5.2qcd的運行式中Qr———在正常電壓下換流站并聯電抗器吸收的總無功;Qfmin———在正常電壓下,由最少交流濾波器組所產生的無功。當無功補償裝置提供的無功過剩時,投入感性無功補償裝置以吸收多余的無功功率,此情況多發生在小負荷運行時,由于最小濾波器的限制所提供的無功功率大于換流站所吸收的無功。另一種情況是投切低壓電抗器來參與精密的無功控制。Qdc的選擇與運行工況密切相關,采用單極最小運行方式時,換流器消耗的無功達到最小,這樣設計出的直流系統具有最好的運行靈活性和系統性能,但其造價很高,采用雙極最小運行方式時,直流系統的造價降低,運行靈活性和系統性能良好。目前,大部分直流輸電工程都是采用雙極最小運行方式作為感性無功補償設計方式。6無功補償裝置的投切及約束運行高壓直流輸電的運行方式多,功率調節快速、平穩,輸送功率變化范圍很大。為適應直流輸電各種運行方式和不同輸送功率的改變,同時滿足換流站交流母線電壓變化的需要,換流站的無功補償裝置必須實行分組投切運行。無功補償裝置的投切將會引起交流母線電壓的變化,根據我國電網的技術規程要求,投切無功小組時的電壓變化率一般不超過1.5%,投切無功大組時的電壓變化率一般不超過5%,在工程的實際運行中大組只有切除,沒有投入,一般在直流系統發生故障時才切除一組或幾組無功大組。通常將無功補償裝置分成3~5個無功大組,每一個大組中又包括3~5組無功小組或交流濾波器小組。分組時,還要充分考慮諧波的影響,應將各種類型的濾波器應盡可能均勻地分配于各個無功大組之中。6.1交流線路配流率之間的關系換流站投切無功大組容量與換流站交流母線的電壓變化率之間的關系式中ΔQ———無功大組容量;ΔU———允許的換流站交流母線暫態電壓變化率;∑Qf———投切無功大組后換流站交流母線上總的無功補償容量。6.2小組容量的確定換流站投切無功最大小分組容量與換流站交流母線的電壓變化率之間的關系式中ΔQ———無功小組容量。換流站無功分組方案的確定是一個不斷優化的過程,根據無功大組和無功小組估算公式初步估算出無功大組容量和無功小組容量,再根據系統運行方式的變化,結合裝置配置的濾波性能和無功大組與小組的合理匹配,對無功分組容量做