德宝直流德阳换流站无功平衡与站内配置分析

邓鸿强， 王渝红， 明志强， 李兴源， 戴寒光， 何 琰

(1.四川大学电气信息学院， 成都 610065；2.四川省电力公司超(特)高压运行检修公司， 成都 610041；3.西南电力设计院， 成都 610021)

德宝直流德阳换流站无功平衡与站内配置分析

邓鸿强1， 王渝红1， 明志强2， 李兴源1， 戴寒光1， 何 琰3

(1.四川大学电气信息学院， 成都 610065；2.四川省电力公司超(特)高压运行检修公司， 成都 610041；3.西南电力设计院， 成都 610021)

换流站无功平衡对交直流系统的正常运行有着非常重要的影响。德宝直流输电工程是四川和陕西“水火互济”的直流联网工程，优化了两地能源资源配置。根据高压直流输电稳定运行要满足的无功平衡条件，结合交流系统的无功补偿能力，重点分析在不同运行方式下的无功功率消耗和无功补偿装置配置方式，研究德阳换流站分别作为整流站和逆变站运行时的无功平衡，通过计算和数字仿真，验证了德阳换流站的无功补偿容量的正确性和装置配置方案的有效性。

德宝直流输电； 换流站； 无功平衡； 无功配置

随着国家“西电东送，南北互供，全国联网”能源发展战略的逐步实施，我国各大区域电网已出现世界上规模最大的远距离大容量输电格局[1，2]。而在远距离大容量输电模式中，高压直流输电由于其调节快速，运行可靠，线路损耗小，不存在安全稳定性问题[3，4]等优点变得更为可行，但高压直流输电系统在运行时不管是整流侧还是逆变侧都将消耗大量的容性无功功率[4～12]，因此，必须在交流母线上安装相应的无功补偿装置提供无功功率以使换流站无功达到平衡。

换流站无功平衡是指交流系统的无功补偿能力、无功补偿装置的无功供给能力和在无功电压控制下的无功功率消耗三者之间的平衡，反映了无功配置、调节和控制方面的要求。本文分析了德阳换流站站内的无功功率平衡和各种不同运行方式下的德阳换流站的无功消耗，简述了德阳换流站无功容量和分组方案，最后验证了其分组和投切方案的有效性。

1 德阳换流站及其运行方式

德阳-宝鸡直流联网工程额定直流电压±500 kV，额定容量3000 MW。单极运行功率1500 MW，在最大环境温度和冗余冷却设备投入的条件下，能够正送3150 MW功率。德阳换流站位于四川德阳的罗江县，整个直流线路全长574 km。

德阳换流站作为整流站，宝鸡换流站作为逆变站运行时，称为功率正送运行方式；德阳换流站作为逆变站，宝鸡换流站作为整流站运行时，称为功率反送运行方式。德宝直流输电工程主要在正送方式下运行即常规送电方向为从四川的德阳换流站至陕西的宝鸡换流站。四川具有丰富的水电资源，水电厂装机容量占四川电网总装机容量60%以上，在丰水期，为充分利用水资源，避免弃水，将充沛的“水电”通过功率正送方式输送到陕西；在枯水期，由于四川火电装机不足，被迫拉闸限电，利用陕西煤矿资源丰富的优势，将“火电”通过功率反送方式输送到四川，形成“水火互济”，优化了两地能源资源，提高了两地的有电水平。

德宝直流输电工程运行方式主要有：(1)双极全压运行方式，直流输送额定功率；(2)单极金属回路运行方式，输送功率为额定功率的一半；(3)单极大地回路运行方式，输送功率为额定功率的一半；(4)降压80%运行方式，输送功率为额定功率的80%；(5)降压70%运行方式，输送功率为额定功率的70%；(6)功率反送方式。

2 换流站站内无功平衡

高压直流输电系统运行时，必须满足换流站与交流系统的无功功率平衡，换流站的无功交换情况可用图1所示。

图1 换流站无功功率平衡

换流器与交流系统的无功功率平衡的定义为

Qac=Qtotal-Qdc

(1)

式中：Qac为交流系统参与的无功功率，Mvar；Qtotal为容性无功补偿装置产生的无功功率减去并联电抗器吸收的无功功率的差值，Mvar；Qdc为换流器吸收的无功功率，Mvar。

如果Qac为负，那么换流站会从交流系统吸收容性无功功率；如果Qac为正，那么换流器会向交流系统提供容性无功功率。根据相连的交流系统最大的无功发出和吸收能力[5]，考虑一定的无功死区，确定无功设备的投入点和切除点，以满足直流输电工程无功平衡。

2.1 交流系统的无功补偿能力

交流系统的无功补偿能力是指交流系统参与换流站无功平衡的能力。这种能力受交流系统的负荷水平、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条件的影响[6]。因此，不同状况下的交流系统向换流站提供无功功率的能力会有较大的不同。

充分合理地利用交流系统的无功补偿能力对换流站的无功平衡和投资的经济性是十分重要的。一方面，对于位于大型的水、火电站附近高压直流输电的换流站，当直流输电大负荷运行时，交流系统可以提供部分的容性无功功率；另一方面，在直流系统小负荷运行时，利用发电机的进相能力，可以吸收换流站过剩的容性无功功率。这种利用交流系统的无功补偿能力可以减少换流站内装设的无功补偿设备，降低直流系统停运时的甩负荷过电压水平，还可以减少无功补偿设备的分组，降低换流站造价，节省相应的变电设备和控制保护设备的投资[4，8，10]。

德阳换流站处于四川电网，长期稳态运行电压为525 kV，经无功平衡计算，得出交流系统提供的无功为100 Mvar，无功吸收能力为160 Mvar，无功死区的设置一般大于最大无功补偿小组的一半，以避免滤波器或电容器的频繁投切，根据实际运行情况，德阳换流站无功死区设定为84 Mvar。

2.2 换流站无功消耗的计算

高压直流输电换流站无功补偿计算须结合一定的交流系统和直流系统参数条件，计算出在各种运行方式下的无功消耗。交流系统条件包括两端换流站接入点的电压等级、电压运行范围、短路容量、无功支持能力等；直流系统条件包括直流电压、直流电流、运行方式以及直流线路参数和接地极参数等。德阳换流站的各种运行方式下的无功消耗可以通过下列式子计算得出[7]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Id为直流电流，kA；IdN为额定直流电流，kA；UdR、UdI分别为整流侧和逆变侧的直流电压，kV；UdioR、UdioI分别为整流侧和逆变侧的换流变压器阀侧理想空载直流电压，kV；UdioNR、UdioNI分别为整流侧和逆变侧的换流变压器阀侧额定理想空载直流电压，kV；UT为三相6脉动换流阀正向导通压降，其值很小，用于工程计算时可忽略不计；n为每极6脉动换流器数，对于12脉动换流器，则n=2；dxR、drR分别为整流侧等值感性和阻性的压降标幺值。

将式中的α换成γ即为逆变器Qdc的计算公式。

稳定运行时，额定触发角为15°，控制范围为±5°，额定熄弧角分别控制在17°。计算时，要计及一定的换流变+5%的制造公差及Ud、Id、α、γ等测量误差，分别取-1%，+0.3%，+0.5°，+1.0 °。计算结果如表1所示。在双极全压运行方式下，α=14.4°，γ=17.7°功率正送(功率反送)方式下，无功消耗为1573.5 Mvar(1657.4 Mvar)；降压80%运行方式下，α=14.5°，γ=17.8°无功消耗为1237.1 Mvar(1309.3 Mvar)；降压70%运行方式下，α=22.1°，γ=31.2°无功消耗为1334.6 Mvar(1678.3 Mvar)；单极大地运行方式，α=13.5°，γ=17.7°无功消耗为735.9 Mvar(793.5 Mvar)；单极金属运行方式，α=14.7°，γ=17.8°无功消耗为734.9 Mvar(769.1 Mvar)。可以看出，随着运行电压的降低，传输的功率也相应地降低，但触发角和熄弧角也会相应大幅提高，消耗的无功反而有所增加。

表1 德阳换流站不同运行方式和传输功率下的无功消耗

2.3 德阳换流站无功补偿分组容量的确定

2.3.1 无功小组容量的估算

换流站投切无功最小分组容量与换流站交流母线的电压变化率之间的关系可由下式表示：

ΔQ=ΔU×Sd

(6)

式中：ΔQ为无功小组容量，MVA；ΔU为允许的换流站交流母线暂态电压变化率，p.u.；Sd为换流站交流母线短路容量，MVA。

2.3.2 无功大组容量的估算

换流站投切无功大组容量与换流站交流母线的电压变化率之间的关系可由下式表示：

ΔQ=ΔU×(Sd-ΣQf)

(7)

式中：ΔQ为无功大组容量，MVA；ΣQf为投切无功大组后换流站交流母线上总的无功补偿容量，MVA。

无功补偿装置的投切将会引起交流母线电压的变化，当滤波器或并联电容器投切时，德阳换流站暂态电压无功小组投切变化率小于1.5%，无功大组投切变化率小于5%，在工程的实际运行中大组只有切除，没有投入，一般在直流系统发生故障时才切除一组或几组无功大组[6，10]。根据公式(6)，(7)由短路容量可以估算出德阳换流站无功小组容量和无功大组容量，无功大小组投切引起的交流母线电压变化如表2和表3所示。

表2 德阳换流站投切无功小组引起的电压波动

表3 德阳换流站投切无功大组引起的电压波动

可以看出，德阳换流站投切无功小组和大组引起的交流母线电压均在允许的范围内。

2.4 无功补偿装置的配置

高压直流输电的运行方式多，功率调节快速、平稳，输送功率变化范围很大。为适应直流输电各种运行方式和不同输送功率的改变，同时满足换流站交流母线电压变化的需要，换流站的无功补偿装置必须实行分组投切运行[10]。

通常将无功补偿装置分成3～5个无功大组，每一个大组中又包括3～5组无功小组或交流滤波器小组。分组时，还要充分考虑谐波的影响，应将各种类型的滤波器尽可能均匀地分配于各个无功大组之中。换流站无功分组方案的确定是一个不断优化的过程，首先估算出无功大、小组容量，再根据系统运行方式的变化，结合装置配置的滤波性能和无功大、小组的合理匹配，对无功分组容量做进一步优化，最终使换流站站内配置达到最优[10，13]。

德阳换流站无功配置采用了3个大组，每一大组由4个小组组成，共12个小组，每个小组的容量均为155 Mvar，补偿总容量为1860 Mvar的配置方案。具体配置如表4所示。需说明的是，上述配置方案直接引用了实际的工程设计配置方案。

2.5 换流站无功补偿容量的校核

换流站容性无功补偿容量可由下式计算[6]：

(8)

式中：Qsb为在正常电压下由最大的交流滤波器分组或并联电容器分组所提供的容性无功功率，Mvar；N为备用的无功补偿设备组数，一般取一组最大无功小组；Uac为换流站交流母线电压标幺值，计算时，取Uac为1.0 p.u.。

表4 德宝直流输电工程德阳换流站无功配置

在双极全压运行方式下，整流运行时，Qac=-100 Mvar，Qdc=1573.5 Mvar，Qsb=155 Mvar，可得出Qtotal≥1628.5 Mvar，此时投入的无功补偿容量为11×155=1705 Mvar。逆变运行时，Qac=-50 Mvar，Qdc=1656.9 Mvar，Qsb=155 Mvar，可得出Qtotal≥1761.9 Mvar，此时投入的无功补偿容量为12×155=1860 Mvar。可见，不管是整流运行还是逆变运行，德阳换流站的无功补偿容量都能满足直流系统运行的无功需求。德阳换流站滤波器组合配置如表5所示。

表5 直流双极全压运行方式下德阳换流站无功补偿装置投切策略

3 换流站无功小组投切仿真

随着传输功率的变化，结合交流系统的无功补偿能力，换流站需投切相应的滤波器和并联电容器以满足直流系统所需要的无功功率和滤波要求。

根据换流站实际运行情况和滤波器的滤波性能，在直流双极全压运行方式下，德阳换流站滤波器组合配置如表5所示，整流运行时无功小组投切曲线和与交流系统的无功交换曲线如图2和图3，逆变运行时无功小组投切曲线和与交流系统的无功交换曲线如图4和图5所示。

图2 德阳换流站整流运行时无功小组投切曲线

图3 德阳换流站整流运行时投切无功小组与交流系统的无功交换

图4 德阳换流站逆变运行时无功小组投切曲线

图5 德阳换流站逆变运行时投切无功小组与交流系统的无功交换

可以看出，德阳换流站，无论是整流运行还是逆变运行，在满足换流站谐波滤波要求条件下，德阳换流站与交流系统的无功交换仍在允许范围内，故上述无功配置方案可行。

4 结语

在各种运行方式下，德阳换流站站内无功能够达到平衡，双极全压运行方式下，无功消耗为1573.5 Mvar(1657.4 Mvar)，降压80%运行方式下，无功消耗为1237.1 Mvar(1309.3Mvar)，降压70%运行方式下，无功消耗为1334.6 Mvar(1678.3 Mvar)，逆变运行比整流运行时消耗的容性无功功率多。换流站内无功功率补偿装置配置方式能够满足德宝直流输电工程德阳换流站的稳定运行条件，投切无功大小组引起的母线电压变化在允许的范围内，站内提供的无功补偿容量和投切方式，能够满足各种直流运行方式下的无功要求，使换流站无功达到平衡。

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邓鸿强(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定与控制。Email:denghqyfyh@163.com

王渝红(1971-)，女，博士，硕士生导师，研究方向为电力系统稳定与控制、高压直流输电。Email:yuhongwang@scu.edu.cn

李兴源(1945-)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统稳定与控制、高压直流输电。Email:xy.li@163.com

AnalysisonReactivePowerBalanceandItsConfigurationforDeyangConverterStationofDebaoHVDCProject

DENG Hong-qiang1， WANG Yu-hong1， MING Zhi-qiang2，LI Xing-yuan1， DAI Han-guang1， HE Yan3

(1.School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University,Chengdu 610065, China;2.EHP/UHP Oamp;M Co., Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610041, China;3.South West Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China)

Reactive power balance of converter station exerts a profound influence on the normal operation of AC and DC system. Being a DC link project of Sichuan and Shanxi's “hydro power and thermal power aiding each other”, Debao HVDC project optimizes allocation of resource and energy in the two provinces. According to the requirements of reactive power balance when HVDC transmission is in stable operation, and combined with reactive power compensation capacity of AC system，this paper mainly analyzes the configurations of reactive power compensation devices and reactive power consumption under different operation modes. Also the reactive power balance of Deyang converter station as rectifier station and inverter station respectively are studied. Finally, the correctness of reactive power compensation capacity of Deyang converter station and feasibility of its configuration scheme are verified through calculation and digital simulation.

Debao HVDC project； converter stations； reactive power balance； configuration of reactive power compensators

TM722

A

1003-8930(2012)06-0001-05

2011-11-16；

2011-12-14

国家自然科学基金资助项目(51037003)；国家电网公司科技项目(19KJ020402C2012720110000)