摘要： 為抑制直流輸電系統(tǒng)擾動(dòng)引起的直流電流上升速度，避免輕載時(shí)發(fā)生直流電流斷續(xù)，以及降低直流側(cè)諧波，需要在換流器直流側(cè)出口裝設(shè)平波電抗器。筆者根據(jù)800 kV云廣直流輸電系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)，詳細(xì)計(jì)算了平波電抗器的電感參數(shù);特高壓直流輸電系統(tǒng)由于采用特殊的換流器聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其平波電抗器布置不同于500 kV超高壓直流輸電系統(tǒng)。文中搭建了基于PSCAD/EMTDC的云廣特高壓直流輸電模型，從諧波特性、直流操作過電壓等方面對(duì)3種平波電抗器布置方案進(jìn)行了仿真對(duì)比研究，其結(jié)果對(duì)實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)意義。
0 引言
云南—廣東800 kV 特高壓直流輸電工程是世界上第1 條800 kV 直流工程， 其成功投運(yùn)和穩(wěn)定運(yùn)行在世界直流輸電史上具有開創(chuàng)性意義。直流輸電主回路參數(shù)設(shè)計(jì)是直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要部分，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)[1-3]。換流器出口處的平波電抗器作為直流輸電工程中重要的一次設(shè)備，其主要作用為：降低直流側(cè)電流諧波和電壓脈動(dòng)成分， 避免在低直流功率傳輸時(shí)電流的斷續(xù);限制電流突變來降低換相失敗率[4-7]。
平波電抗器的電壓和電流額定值是根據(jù)直流主回路確定的，因此對(duì)平波電抗器的參數(shù)選擇，主要考慮其電感取值。從平波電抗器抑制擾動(dòng)時(shí)直流電流上升速度和防止輕載時(shí)直流電流斷續(xù)的要求來看，其電感值越大越好，但由于電抗器是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，電感的增大會(huì)使電流突變時(shí)電抗器的過電壓增加，還會(huì)導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)速度下降， 增加電抗器費(fèi)用。因此在滿足主性能的前提下， 電感值越小越好。平波電抗器電感值的選擇需要綜合考慮多方面因素加以權(quán)衡[3]。
與傳統(tǒng)的500 kV 直流輸電工程不同，800 kV云廣直流輸電工程采用單極雙12 脈動(dòng)換流器串聯(lián)(400 kV+400 kV)的運(yùn)行接線方式[8]。其平波電抗器的布置方案也不同于傳統(tǒng)直流工程的只在極母線上裝設(shè)電抗器的方法。目前云廣工程采用的是分別在極母線和中性母線上裝設(shè)1 組平波電抗器的布置方案。由于當(dāng)前特高壓直流輸電缺乏設(shè)備制造和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，新的電抗器布置方案的優(yōu)點(diǎn)和不足需要通過長時(shí)間的運(yùn)行效果來檢驗(yàn)。
筆者在云廣特高壓直流工程的主回路結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上，詳細(xì)計(jì)算平波電抗器的電感參數(shù)，并針對(duì)3 種不同的平波電抗器布置方案搭建了基于PSCAD/EMTDC 的云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型，通過對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析，對(duì)比關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的最大持續(xù)運(yùn)行電壓峰值(以下簡(jiǎn)稱PCOV)和在典型操作過程中的暫態(tài)過電壓數(shù)值，揭示平抗的布置方案和系統(tǒng)運(yùn)行特性的內(nèi)在聯(lián)系，為云廣特高壓直流輸電工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供可以參考的依據(jù)。
1 特高壓直流輸電平波電抗器的電感值選擇
文[9]指出，防止直流電流斷續(xù)這一因素對(duì)于平波電抗器電感大小的選擇不起決定作用， 因此，限于篇幅，文中只考慮將抑制擾動(dòng)時(shí)直流電流突變作為選擇平波電抗器電感值的依據(jù)。直流輸電系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)直流電流上升速度過快可能引起逆變側(cè)換相失敗。假設(shè)逆變側(cè)交流電壓不變，在換相開始時(shí)刻，逆變器1 個(gè)橋發(fā)生故障，導(dǎo)致直流側(cè)電壓在持續(xù)時(shí)間為t 的換相過程中下降Ud，并假設(shè)定熄弧角控制器調(diào)節(jié)誤差為1，則滿足不發(fā)生換相失敗條件的直流系統(tǒng)等值電感L1為
|<12345>>
式(2)、(3)中：Is為換流器兩相短路的短路電流;γN為逆變器額定熄弧角;IdN是額定直流電流。
根據(jù)800 kV 云廣特高壓直流輸電工程額定工況和一次設(shè)備參數(shù)，已知：整流側(cè)額定電壓UdNr為800 kV，IdN為3.125 kA，γN和γmin分別為18和7，逆變側(cè)換流變壓器短路阻抗uk為18.5%;考慮到云廣直流輸電雙極線路的實(shí)際參數(shù)和互感， 有：LL195 mH，線路電阻RL=10 。
與平波電抗器的電抗相比，交流系統(tǒng)等值阻抗可忽略不計(jì)，因此兩相短路電流Is近似計(jì)算為(單位為kA)
代入式(3)，得到βN約為39， 再代入式(2)， 解得：Id=0.659 2 kA。
已知逆變側(cè)直流電壓UdNi=UdNr-RlIdN=768.75 kV，故單橋額定直流電壓Ud=UdNi/4=192.187 5 kV，將上述結(jié)果代入式(1)，解得L1503 mH，從而得：Ld308 mH。
由于計(jì)算過程中忽略了控制系統(tǒng)的影響，再考慮到一定的裕度，實(shí)際工程的平波電抗器的電感取300 mH 是完全合理的。
2 3 種不同的云廣特高壓直流工程平波電抗器布置方案
中國已投運(yùn)的500 kV 直流輸電工程均采用單極2 個(gè)6 脈動(dòng)換流橋串聯(lián)組成1 個(gè)12 脈動(dòng)換流器的聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且平波電抗器全部裝設(shè)在換流器出口處的極母線上。由于特高壓直流輸電工程單極額定直流電壓達(dá)到800 kV，為了降低單個(gè)換流變和換流閥的絕緣水平和制造成本，同時(shí)滿足多種運(yùn)行形式和操作方式的需要，云廣特高壓直流輸電工程采用單極雙12 脈動(dòng)串聯(lián)的運(yùn)行接線方式。由于聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變，其平波電抗器的布置方案也需要重新考慮，如果采用傳統(tǒng)的平波電抗器方案(以下簡(jiǎn)稱方案1)，其聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。
345>>
由于特高壓直流輸電電壓等級(jí)高， 輸送容量大，其對(duì)減小諧波對(duì)電氣設(shè)備應(yīng)力的影響[10]和系統(tǒng)的過電壓絕緣配合有更高的要求，因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的平波電抗器布置方案進(jìn)行重新評(píng)估。目前有2種不同的平波電抗器布置方案被提出，1 種方案為平波電抗器分成相等的2 部分，分別裝設(shè)在極母線和中性母線上(以下簡(jiǎn)稱方案2)，見圖2。
另1 種方案為平波電抗器分成2 部分，分別裝設(shè)在極母線上和2 個(gè)12 脈動(dòng)換流器中間的聯(lián)絡(luò)線上(以下簡(jiǎn)稱方案3)，見圖3。
直流輸電運(yùn)行特性包括穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性，筆者針對(duì)不同的平抗布置方案，主要研究反映其穩(wěn)態(tài)特性的最大持續(xù)運(yùn)行電壓峰值，即PCOV，和反映暫態(tài)特性的換流器交叉閥組解鎖直流操作過電壓，來揭示布置方案對(duì)特高壓直流輸電運(yùn)行特性的影響。
目 前過電壓絕緣配合的方法主要是在可能出現(xiàn)較大過電壓的關(guān)鍵點(diǎn)增加避雷器配置。不同于交流避雷器，直流避雷器的保護(hù)水平取決于裝設(shè)點(diǎn)包括換相過沖電壓的最大持續(xù)運(yùn)行電壓峰值(PCOV)[11]。因此，關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)PCOV 的大小是評(píng)估3 種平抗布置方案對(duì)直流輸電系統(tǒng)過電壓絕緣水平的影響的重要依據(jù)。
如圖1-3 所示，Uv為高端閥組Y-Y 換流變閥側(cè)A 相電壓，Udh為極母線出口直流電壓，Udm是2 個(gè)12 脈動(dòng)換流器中間聯(lián)絡(luò)母線的電壓，Udv為下12 脈動(dòng)換流器的2 個(gè)6 脈動(dòng)橋中點(diǎn)的直流電壓。根據(jù)特高壓直流換流站的避雷器配置方案，上述4 個(gè)電壓測(cè)量點(diǎn)均裝設(shè)相應(yīng)的避雷器，避雷器額定電壓和保護(hù)水平由該點(diǎn)的運(yùn)行電壓和PCOV 決定。當(dāng)平抗布置采用第2 種和第3 種方案時(shí)， 由于上下雙12 脈動(dòng)換流器結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，其2 部分電抗器產(chǎn)生的諧波電壓降大小相等，方向相反，因此Udm近似于純直流電壓，而方案1 的Udm諧波含量較大，輸出為脈動(dòng)較大的直流電壓。Udh為12 脈動(dòng)換流器各點(diǎn)對(duì)地PCOV 與Udm之和，因此方案1 的Udh諧波含量大于方案2、3 的諧波含量，其PCOV 也大于另外2 個(gè)方案中的PCOV， 這也將提高換流變壓器高端閥組側(cè)電壓Uv處的運(yùn)行峰值和避雷器保護(hù)水平，增大相應(yīng)設(shè)備的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力，不利于系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。此外，Udm的諧波含量太大導(dǎo)致數(shù)值波動(dòng)較大， 將造成以Udm為輸入?yún)⒖茧妷旱恼鱾?cè)定電壓控制器不能起到穩(wěn)定的控制作用。
345>>
特高壓直流輸電工程采用單極雙12 脈動(dòng)換流閥串聯(lián)的接線形式，每個(gè)閥組都并聯(lián)了旁路斷路器和旁路隔離開關(guān)，使得每個(gè)閥組可以單獨(dú)的投運(yùn)或者退出，運(yùn)行方式和操作種類數(shù)量大大增加[12]。典型的操作包括在單極低端12 脈動(dòng)換流器解鎖的情況下，解鎖高端閥組，根據(jù)云廣直流工程調(diào)試過程中的記錄， 該操作多次造成Udv過電壓太大，Udv處避雷器動(dòng)作。經(jīng)初步分析，該避雷器動(dòng)作原因與平波電抗器布置在中性母線上有關(guān)。
3 3 種平波電抗器布置方案的仿真研究
在實(shí)際工程中改變平波電抗器布置方案進(jìn)行試驗(yàn)研究，由于其涉及到的工程復(fù)雜，成本太高，難以實(shí)施，不具有操作性。因此，利用電磁暫態(tài)軟件建模仿真是1 種簡(jiǎn)捷、方便、有效的途徑。
PSCAD/EMTDC 是目前世界上被廣泛使用的1種電力系統(tǒng)分析軟件，其主功能包括電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域計(jì)算仿真，典型應(yīng)用是計(jì)算電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或參數(shù)變化時(shí)，電參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律。其在高壓直流輸電系統(tǒng)領(lǐng)域的仿真研究具有較高的權(quán)威性。筆者利用PSCAD/EMTDC 軟件搭建了800 kV云廣特高壓直流輸電工程模型，并針對(duì)應(yīng)用3 種不同的平抗布置方案的特高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，對(duì)比其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行特性，揭示各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。
特高壓直流輸電模型中，交流系統(tǒng)采用無窮大等值電源模擬，換流變、交直流濾波器等一次設(shè)備均采用實(shí)際參數(shù)，平波電抗器總電感值取上文中計(jì)算得到的300 mH， 直流架空線路采用軟件自帶的貝杰龍線路模型，參數(shù)均為實(shí)測(cè)所得?？刂品绞綖镃IGRE HVDC 標(biāo)準(zhǔn)模型的控制模式?；诓煌桨傅? 種模型整流側(cè)單極接線圖分別為圖1-3， 由于另一極以及逆變側(cè)的接線方式具有高度對(duì)稱性，限于篇幅不再給出。
當(dāng)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行在額定工況時(shí)，Uv、Udh、Udm的仿真波形分別見圖4-6。
345>>
雙12 脈動(dòng)換流器中間聯(lián)絡(luò)線電壓Udm的諧波含量取決于上下兩組12 脈動(dòng)換流器參數(shù)的對(duì)稱度，包括上下兩閥組換流變基本參數(shù)、觸發(fā)角、對(duì)地雜散電容、平波電抗器的電感值等。在仿真中忽略了雜散電容的影響，換流變、觸發(fā)角等參數(shù)一致，因此，Udm的諧波含量取決于平抗的布置方式。見圖6，由于方案2、3 的平波電抗器分開布置在極母線和中性線或中間聯(lián)絡(luò)線上， 其對(duì)稱度遠(yuǎn)高于方案1，Udm近似為純直流電壓，而方案1 中Udm的5、7 次諧波含量明顯較大。
單個(gè)12 脈動(dòng)換流器各處對(duì)地PCOV 可以按傳統(tǒng)500 kV 的12 脈動(dòng)換流器各點(diǎn)對(duì)地PCOV 的公式計(jì)算， 然后加上中間聯(lián)絡(luò)母線的直流電壓或者PCOV。因此Udm的大小和波形直接影響到Uv、Udh，如圖4、5 所示，方案1 中的換流變閥側(cè)PCOV 和極母線PCOV 明顯大于方案2、3 中相應(yīng)的PCOV，因此，采用方案2、3 時(shí)，可以有效降低安裝在換流變閥側(cè)和極母線處的避雷器的額定電壓，降低避雷器保護(hù)水平， 也可降低上組12 脈動(dòng)換流器各點(diǎn)的絕緣水平、減小穩(wěn)態(tài)應(yīng)力[13]。其中，方案3 中換流變閥側(cè)PCOV 要略高于方案2， 是因?yàn)槠讲娍蛊餮b設(shè)在中性母線時(shí)，雙脈動(dòng)換流器結(jié)構(gòu)對(duì)稱度更高。
直流操作過電壓是直流輸電工程較為常見的過電壓現(xiàn)象，云廣特高壓直流工程在調(diào)試過程中出現(xiàn)過因直流過電壓太大造成避雷器動(dòng)作的事例：2010 年1 月7 日11:38， 楚雄換流站在極2 低端閥組帶功率運(yùn)行的情況下，解鎖極2 高端閥組的操作時(shí)， 低端閥組2 個(gè)6 脈動(dòng)換流器中點(diǎn)瞬時(shí)電壓Udv過大，導(dǎo)致該處避雷器動(dòng)作。文中對(duì)該操作過程進(jìn)行模擬仿真， 在不裝設(shè)避雷器的情況下觀察Udv的暫態(tài)波形，結(jié)果見圖7-9(為了便于觀察，輸出結(jié)果設(shè)置為正極性)。
圖7-9 中所示直流輸電系統(tǒng)在0.6 s 前為單極低端閥組在額定工況下運(yùn)行，0.6 s 時(shí)解鎖高端閥組，同時(shí)斷開旁路斷路器，系統(tǒng)由單閥組運(yùn)行轉(zhuǎn)為雙閥組運(yùn)行狀態(tài)。
由以上3 圖可以看出，3 個(gè)方案中，在解鎖高端閥組瞬間，由于運(yùn)行狀態(tài)的突然改變和非線性元件的特性，低端2 個(gè)6 脈動(dòng)換流器中點(diǎn)處均會(huì)出現(xiàn)過電壓，方案1 和方案3 的過電壓峰值較接近，約為420 kV，方案2 的過電壓峰值達(dá)到了600 kV，其中方案2 的過電壓峰值大大高于低端閥廳避雷器的額定電壓，導(dǎo)致避雷器動(dòng)作。
仿真結(jié)果說明， 平波電抗器布置在中性母線上，提高了閥底部設(shè)備的絕緣水平,包括最低電位換流變閥側(cè)絕緣水平[14]，同時(shí)導(dǎo)致閥底部的操作過電壓增加，從而使低端閥廳內(nèi)2 個(gè)6 脈動(dòng)換流器中點(diǎn)處的過電壓增大，造成避雷器動(dòng)作。
平波電抗器布置在2 個(gè)12 脈動(dòng)換流器中點(diǎn)處固然可以降低低端閥廳內(nèi)操作過電壓，但是由于平抗處于400 kV 電位，污閃可能性增大，增加了支柱絕緣子的投資。
4 結(jié)論
1)筆者根據(jù)云廣特高壓直流輸電工程實(shí)際工況和主回路參數(shù)計(jì)算了滿足主性能的平波電抗器電感值，其電感值不能過大和過小，應(yīng)兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性。
2)對(duì)提出的3 種平波電抗器布置方案進(jìn)行對(duì)比研究，表明平波電抗器布置在中性母線上可以降低高電位換流器各點(diǎn)的PCOV 和絕緣保護(hù)水平，減小相應(yīng)電氣設(shè)備的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力[15]，減少極母線和雙12 脈動(dòng)換流器中點(diǎn)處諧波含量，有利于定電壓控制器的運(yùn)行。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論研究的正確性。
3)仿真表明，中性母線裝設(shè)平波電抗器時(shí),低端閥廳內(nèi)直流操作過電壓增大， 導(dǎo)致避雷器多次動(dòng)作，威脅閥廳內(nèi)的設(shè)備安全。目前投運(yùn)的低端閥組中點(diǎn)處避雷器運(yùn)行電壓遠(yuǎn)小于其操作過電壓，初步推斷原因?yàn)楸芾灼鲄?shù)設(shè)計(jì)不合理。
參考文獻(xiàn)：
[1] 浙江大學(xué)直流輸電科研組.直流輸電[M]. 北京：水利電力出版社，1985.HVDC Research Group of Zhejiang University.Directcurrent power transmission[M]. Beijing：China Water PowerPress，1985.
[2] 李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制[M]. 北京： 科學(xué)技術(shù)出版社，1998.LI Xing-yuan.The operation and control of HVDC system[M].Beijing：Science and Technology Press，1998.
[3] 李立浧.直流輸電技術(shù)的發(fā)展及其在我國電網(wǎng)中的作用[J].電力設(shè)備，2004，7(11)：1-3.LI Li-cheng.Development of HVDC transmission technologyand its role in power network in China[J]. ElectricalEquipment，2004，7(11)：1-3.
[4] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社，2004.ZHAO Wan-jun.High voltage DC transmission engineeringtechnology[M]. Beijing：China Electric Power Press，2004.
[5] 楊汾艷，徐政. 直流輸電系統(tǒng)平波電抗器電感參數(shù)的選擇研究[J]. 高壓電器，2009，45(3)：8-10.YANG Fen-yan，XU Zheng. Selection of smoothingreactance for HVDC projects[J]. High Voltage Apparatus，2009，45(3)：8-10.
[6] 王其兵，丁明，蘇建徽，等. SVM 電流源型變頻器平波電抗器的設(shè)計(jì)[J]. 高壓電器，2011，46(3)：53-58.WANG Qi-bing，DING Ming，SU Jian-hui，et al.Smoothingreactor design for SVM current source converter[J]. HighVoltage Apparatus，2011，46(3)：53-58.
[7] 鞠非.無功補(bǔ)償電容器串聯(lián)電抗器的選擇[J]. 電力電容器，2006，27(6)：4-7.JU Fei. Parameters selection of series reactor in shuntreactive compensation insta [J]. Power Capacitor，2006，27(6)：4-7.
[8] 中國南方電網(wǎng)公司.800 kV 直流輸電技術(shù)研究[M]. 北京：中國電力出版社，2006.China South Power Grid.The research on 800 kV HVDCtechnology[M]. Beijing：China Electric Power Press，2006.
[9] 徐政.交直流電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為分析[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.XU Zheng. The dynamic character analysis of AC/DC powersystem[M]. Beijing：China Machine Press，2004.
[10] BJORKLAND P E ，JONSSON T. Capacitor commutatedconverters for HVDC system[K]. ABB： REVIEW，1997.
[11] 周沛洪，修木洪，谷定燮，等.800 kV 直流系統(tǒng)過電壓保護(hù)和絕緣配合研究[J]. 電力建設(shè)，2007，28(1)：18-19.ZHOU Pei-hong，XIU Mu-hong，GU Ding-xie，et al. Studyof 800 kV DC system over-voltage protection andinsulation coordination[J]. Electric Power Construction，2007，28(1)：18-19.
[12] 王慶，石巖，陶瑜，等.800 kV 直流輸電系統(tǒng)雙12脈動(dòng)閥組平衡穩(wěn)定運(yùn)行及投退策略的仿真研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(17)：1-6.WANG Qing，SHI Yan，TAO Yu，et al.Simulation study oncontrol strategy for balanced steady operation and block/deblock of dual 12-pulse converter groups in 800 kV DCtransmission project[J]. Power System Technology，2007，31(17)：1-6.
[13] IEC 60700-1：1998.Thyristor valves for high voltage directcurrent (HVDC) power transmission: Part 1 [S].
[14] DL/T 605—1996.高壓直流換流站絕緣配合導(dǎo)則[S].DL/T 605—1996.Guide for insulation coordination ofHVDC converter station[S].
[15] 周沛洪，趙杰，呂金壯，等.800 kV 云廣DC 換流站避雷器布置和參數(shù)選擇[J]. 高電壓技術(shù)，2009，35(11)：2603-2611.ZHOU Pei-hong，ZHAO Jie，L譈Jin-zhuang，et al.Arresterprotection scheme and arreseter parameters selection for800 kV Yun-Guang UHVDC converter station [J]. HighVoltage Engineering，2009，35(11)：2603-2611.
345
返回頂部