高压直流输电系统主回路参数计算平台的研发

张相宇，温渤婴，李鹏

(中国农业大学信息与电气工程学院，北京市100083)

0 引言

直流输电在大功率、远距离输电，交流系统异步联网等应用场合具有突出的优势，从而使它成为电力系统中具有重要经济和技术价值的输电形式［1］。现阶段，我国的直流输电工程技术很大程度上依赖于国外［2-4］。若能实现直流输电工程的设计自主化，将对增强我国在直流输电核心技术领域的实力，提升我国直流输电设计、制造产业的竞争力具有重大的意义，也为后续的高压直流输电工程提供有力的技术支持和技术保障。

直流系统主回路参数计算是开展直流系统研究的基本条件。它提供了直流工程中换流变压器、换流阀和平波电抗器等关键主设备的参数，是直流输电工程研究的重要组成部分。主回路参数计算的主要目的包括:计算晶闸管阀、换流变压器等关键主设备的定值;确定稳态条件下的运行特性;确定交流滤波器研究的基本条件;确定过电压和绝缘配合研究的基本条件;确定无功功率补偿及控制研究的基本条件;制定控制策略，提供基本的稳态控制参数等。主回路参数包括:直流电压、理想空载直流电压、触发角;换流变压器的额定功率、电压和电流;换流变压器的短路阻抗;换流变压器调压抽头的范围和级差;抽头控制中的过电压限制值以及换流器的运行特性参数［5］。

在进行主回路参数计算时，需要明确直流工程涉及的必要基本参数，为进一步研究提供基础。

1 直流输电系统计算参数

直流输电工程额定容量为PdN，单位为MW;额定直流电压为UdN，单位为kV。

1.1 系统和环境数据

主回路设计需要的系统和环境数据一般包括两端换流站环境温度，两端换流站接入系统过电压、短路容量和频率特性。环境温度包括常年统计最高温度、最低温度、平均温度。两端换流站接入系统过电压包括:最低稳态电压、额定运行电压、最高稳态电压、极端最低稳态电压、极端最高稳态电压，如表1所示。短路容量包括:最小短路容量和最大短路容量，短路容量也可以以短路电流的形式给出，如表2所示。交流系统的频率特性主要是交流系统的额定频率、故障后暂态频率变化范围(见表3)。

表1 交流系统电压Tab.1 AC system voltage

表2 短路电流Tab.2 Short circuit

表3 频率特性Tab.3 Frequency characteristics

1.2 直流系统条件

主回路参数计算需要的直流系统基本数据包括系统接线、运行接线、运行控制模式、直流电压、输送能力、过负荷能力等［6］。

系统接线包括换流站采用换流器的形式、接地极类型等情况。目前，长距离输电工程(包括超高压和特高压直流输电工程)，每段换流站通常采用双极每极单12脉动换流器或者双12脉动换流器串联的形式，每站均设置接地极，并通过接地极线路接入换流站中性母线。对于背靠背工程换流站，通常采用12脉动换流器中点接地接线形式，通常不配置接地极和接地极线路。

运行接线为系统运行时构成的电路回路，包括双极运行接线方式(BP)、单极大地回线运行接线方式(GR)、单极金属回线(MR)运行接线方式。

运行控制模式为功率正送、功率反送和全压运行、降压运行方式。

直流输电工程的直流电压，在运行中可以选择全压运行方式(即额定直流电压方式)或降压运行方式。整流站的直流额定运行电压UdN定义为平波电抗器出线侧直流母线与直流中性点的电压，传输的额定功率用PdN表示。

直流输电工程可以正向送电，也可以反向送电，具有双向送电的功能。

过负荷能力为直流系统在正常电压运行方式下超过额定功率的输送能力，通常分为秒级过负荷能力、分钟级过负荷能力、小时级过负荷能力和长期过负荷能力。

主回路设计要能够满足规定环境温度范围内所有的运行方式。因此，需要提供直流线路电阻的最小值(最小温度修正)、额定值、最大值(最高温度修正)。两站接地极线路电阻的最小值、额定值、最大值以及接地极电阻也是计算需要输入的参数，表4所示。

表4 直流电阻Tab.4 DC resistances

1.3 控制策略、参数以及误差

主回路参数计算中，需要考虑直流系统一次设备的额定运行参数、控制策略、一次设备和二次系统误差等的影响。

通常，一次设备的额定运行参数包括换流阀的额定触发角、额定息弧角等(见表5)。根据一次设备额定参数要求，整流侧控制策略通常包括触发角控制策略和换流变压器控制策略。典型的控制策略为触发角定电流控制，换流变压器分接头控制触发角在额定触发角附近。逆变侧控制策略通常包括息弧角控制策略和分接头控制策略。对于长距离直流系统，典型控制策略有2种，策略1:换流阀定息弧角控制、分接头控制直流电压在额定值;策略2:换流阀定电压控制、分接头控制息弧角在额定值附近。

另外，根据控制策略的不同，还需要对控制参数提出要求，比如，整流侧触发角的稳态控制范围，整流侧换流变压器调节抽头使触发角α维持在α±2.5°的范围内。只要触发角α在此范围内，换流变分接头就不会动作以使触发角更接近额定值。

表5 控制参数Tab.5 Control parameters

一次、二次设备的误差对主回路参数计算有明显影响，需要在设计前对影响主回路的参数误差提出要求。主要考虑参数包括正常电压运行范围内换流变压器相对感性压降的最大制造公差、直流电流测量误差、直流电压的测量误差、触发角测量误差、息弧角测量误差、电容分压式互感器的测量误差等(见表6)。

表6 误差Tab.6 Errors

每极2个串联的12脉动换流器分接头相互独立控制，相差不超过1档，极线对中性母线的直流电压UdRN维持在±0.625%的范围内，相当于逆变站2个分接头档位之间的死区值。

2 主回路参数计算的基本原理

主回路参数计算的主要任务是根据直流工程要求及相关输入数据，利用直流输电基本原理，对换流变压器、换流阀等一次设备的基本参数进行计算确定，并对各运行方式的稳态工作点进行明确计算［7］。计算设计的原理性公式如下。

2.1 直流电压

6脉动整流器、逆变器两端的直流电压计算公式为

式中:Ud为12脉动阀组两端的直流电压;dx、dr为换流器感性压降、阻性压降;Id、IdN为直流电流和额定直流电流;UdioN、Udio为额定理想空载电压和理想空载直流电压;n为每极6脉动换流器的个数。R、I分别表示整流侧、逆变侧。

2.2 换流器直流电压降

在主回路计算中需考虑换流阀的各种损耗及压降，工程中采用6英寸晶闸管换流阀。每个6脉动换流器的相对阻性压降 dr为［8］

式中:Rth为晶闸管上与电流相关的电压降，即晶闸管的正向压降;Pcu为6脉动换流器运行在额定容量下，换流变压器和平波电抗器的负载损耗。因子2是由于在6脉动换流器中，总是同时有2个换流阀导通。

依据换流阀特性及以往工程经验［8］，两端换流站每个6脉动换流器的前向压降取为0.3kV，相对阻性压降dr取为0.3%。

2.3 额定相对感性压降

额定相对感性压降dxN定义为

式中Xt为换相电抗，包括换流变压器漏抗和其他在换相电路中可能影响换相过程的电抗，在不采用电力载波通信(power line carrier，PLC)滤波器时，只有换流变压器短路阻抗提供。

额定相对感性直流压降dxN和换流变压器感性压降(短路阻抗)uk之间的关系［8］如下:

一般在设计阶段需要为电力线载波通信PLC滤波器预留空间，主回路计算中也需考虑。由于 PLC滤波电抗器的相对感性压降较小，通常可取为约0.2%，根据式(5)有

2.4 换相角

换相角，或称叠弧角，表示换流器完成换相过程所需的时间，是换流器的重要参数之一。

整流器叠弧角计算公式为

对于逆变器，在公式(7)中采用熄弧角γ代替α。

2.5 无功功率损耗

在运行过程中，换流器要消耗大量无功，需要由无功设备补偿。换流站额定运行工况下消耗的无功功率计算式为

式中χ定义为

对于逆变器，在公式(9)中采用熄弧角γ代替α。式中:poles为换流站的极数，双极时poles=2;n为换流站6脉动换流器的个数。

3 主回路参数的设计流程

3.1 理想空载直流电压

理想空载电压是确定换流变压器分接头变比和档位、换流阀设备的基础性参数。换流变压器空载直流电压可由6脉动换流器理想空载电压实际值公式［8］得到:

根据公式(10)，考虑触发角允许上限值和测量误差、直流电压测量误差、电流测量误差以及相对感性压降的制造公差，可以计算整流器的最大Udi0maxR和最小理想直流电压Udi0minR，同样得出换流变分接头负、正向的最大档位Udi0maxOLTCR、Udi0minOLTCR。

在计算逆变器最大和最小Udi0时，根据式(11)，除了考虑直流电压测量误差、触发角允许上限值和熄弧角测量误差、电流测量误差以及相对感性压降的制造公差，还要涉及到2个方面的问题。首先，要考虑直流线路的压降是高于还是低于换流器内部的压降，其次，最大Udi0的计算取决于其目的是选择设备型式Udi0absmaxI，还是确定最大的负向换流变分接头档位Udi0 max OLTCI。

在主回路参数计算中，最小Udi0只用于确定可接受的最小正向换流变分接头档位。

3.2 Udi0限制值(过电压限制)

Udi0限制的目的是防止稳态运行时设备过电压。相对于正常的换流变分接头控制，Udi0限制器是优先考虑的。为确保Udi0不会超过Udi0L，通过调节换流变分接头控制换流变阀侧电压来实现。

对Udi0有2个限制:Udi0L和Udi0G。当Udi0达到以下值时，Udi0限制器将动作。

Udi0G～Udi0L:当Udi0位于 Udi0G和 Udi0L之间时，Udi0限制器禁止提高换相电压Udi0的换流变分接头动作;大于Udi0L时，Udi0限制器调节分接头以降低换相电压Udi0。

Udi0G是换流变分接头正常调节以增大Udi0的上限。为防止换流变分接头频繁动作，Udi0L应足够大，即换流变分接头动作降低Udi0后不允许立即有增大Udi0的动作。

通常，整流侧的 Udi0G可以取为 Udi0maxR，Udi0L在Udi0G的基础上再增加一定的裕度。逆变侧的Udi0L可以取为Udi0maxI，Udi0G在Udi0L的基础上再减去一定的裕度。

最后，选择考虑测量误差的Udi0L作为设备设计电压Udi0absmax。Udi0absmax是换流阀和换流变压器设备制造的依据参照。

3.3 有载换流变压器分接头

额定换流变压器变比计算(相对于0分接头位置的)式为

换流变压器最大、最小变比计算式为

有载调压开关级数计算［8］式为

有载调压开关级数的选择还要结合降压运行要求和整流侧触发角和逆变侧息弧角大角度允许的限制综合考虑。

3.4 换流变压器额定容量

连接6脉动换流阀组的换流变压器三相容量额定值为

相应的，连接12脉动阀组的单相三绕组换流变压器额定容量为

3.5 阀侧电压和电流

空载阀侧线电压和理想空载直流电压之间的关系为

阀侧交流电流有效值计算［8］式为

3.6 流程设计时应注意事项

(1)常规的控制模式是整流侧直流母线处的恒功率控制模式;(2)在降压运行方式下，当换流变分接头达到极限时，控制角将增加;(3)在过负荷运行时，维持Udi0不变，直流电压降低，直流电流将随之增大。

4 直流系统稳态运行特性

通常，需要对双极、单极大地回线、单极金属回线运行接线方式和全压降压运行方式下典型功率点进行主回路参数计算，确定各运行方式下的直流电压、电流、理想空载直流电压、触发角、息弧角、分接头档位以及换流器的无功消耗。针对任何一种运行方式，计算通常以0.1 pu电流为步长。计算结果是后续过电压与绝缘配合、动态性能研究甚至系统调试阶段的重要依据。

5 结语

按本平台计算而得的结果，与实际工程结果完全符合，适合工程需求，可应用到直流工程成套设计中。

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