２０１０年第４卷第４期 ２０１０，Ｖｏ１．４，Ｎｏ．４ 南方电网技术 ＳｏＵＴＨＥＲＮ ＰｏＷＥＲ ＳＹＳＴＥＭ ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ 系统、配置与方法 Ｓｙｓｔｅｍ．Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ＆Ｍｅｔｈｏｄ 文章编号：１６７４—０６２９（２０１０）０４—００５６．０４ 中图分类号：ＴＭ７２１．１；ＴＭ７４４ 文献标志码：Ａ 云广＋８００ ｋＶ直流输电工程主回路设备参数选择 黄莹，黎小林，饶宏 （南方电网科学研究院，广州５１００８０） 摘要：换流站主回路设备参数选择关系到整个直流输电系统的运行性能，对直流输电系统设计十分重要。文章论述了主 回路参数设计选择的原则，对云广±８００ ｋＶ直流输电工程的换流变压器短路阻抗、换流变压器分接开关级数、平波电 抗器电感值、换流阀和控制系统参数等关键参数进行了选择，并强调主回路设备参数是否合理需要通过主回路稳态特性 计算来进行校核。 关键词：云广±８００ ｋＶ直流输电工程；关键设备；基本参数；主回路稳态特性计算 Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｍａｉｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｙｕｎｎａｎ－——Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ￣８００ ｋＶ ＤＣ Ｐｒｏｊｅｃｔ ＨＵＡＮＧ Ｙｉｎｇ，ＬＩ Ｘｉａｏｌｉｎ，ＲＡＯ Ｈｏｎｇ （Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＳＧ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ００８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅＲｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｉｎｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ａ ＤＣ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｓ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ，ａｎｄ ａｃｔｕａｌｌｙ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｈｅｍ ｏｒ ｆＹｕｎｎａｎ—Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ￣８００ ｋＶ ＤＣ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ，ＯＬＴＣ ｓｔｅｐｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｔｒｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ， ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｒｅａｃｔｏｒ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ｖａｌｖｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｔ ｉｓ ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｈｅｃｋｅｄ ｏｕｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｙｕｎｎａｎ——Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ＋８００ ｋＶ ＤＣ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ；ｋｅｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｂａｓｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ 云广－４－８００ ｋＶ直流输电工程主回路设备参数选 择是整个直流输电系统设计的关键部分，为无功功 率研究、交直流滤波器研究、过电压和绝缘配合研 究等提供基本的输人条件。本文考虑云广±８００ ｋＶ 直流输电工程的双１２脉动阀组接线方式和运行方 交流系统条件 指的是换流站交流系统的电压 及运行范围、系统短路容量等，见表１和表２。 表１交流系统电压 ｌａｂ．１ ＡＣ Ｓｙｓｔｅｍ Ｖｏｌｔａｇｅ 式，对换流变压器、平波电抗器等关键设备参数进 行计算选择，并进行了主回路稳态参数计算，以确 定选取的设备基本参数的合理性。 １ 系统条件 云广直流输电工程额定容量为５ ０００ Ｍｗ，额 定直流电压为￣８００ ｋＶ，额定直流电流为３ １２５ Ａ， 换流站 ｉ相对称最大 三相对称最小 短路电流／ｋＡ 短路电流／ｋＡ 每极双１２脉动阀组串联接线结构，直流线路长度为 １ ４１８ ｋｍ［１－２］。 １．１交流系统条件 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目（２００６ＢＡＡ０２Ａ３１）。 Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｅｍ：Ｋｅｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｕｐｐｏｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒ＆Ｄ Ｐｒｏｇｒａｍ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ １ ｌｔｈ ｉｖｅ－ｆｙｅａｒ ｐｌａｎ ｒ２００６ＢＡＡ０２Ａ３ ｌ１． １．２直流系统条件 １．２．１直流运行接线方式 云广采用双１２脉动阀组串联结构接线，可以 考虑７种运行方式：双极全压运行方式；双极半压 第４期 黄莹，等：云广±８００ｋＶ直流输电工程主回路设备参数选择 ５７ 运行方式；双极一极全压一极半压运行方式；单极 全压金属回线方式；单极全压大地回路方式；单极 半压金属回线方式；单极半压大地回路方式。 １．２．２直流电压 参数的选择，还需考虑如下因素的制约： １）换流阀可以承受的最大短路电流水平； ２）换流器消耗的无功功率； ３）换流变压器及相关设备的制造成本。 对换流变压器短路阻抗的优化原则，可归纳为： 正常全压运行方式下楚雄站的直流电压为＋８００ ｋＶ，正常半压运行方式下楚雄站的直流电压为ｉ４００ ｋＶ，定义在线路端极母线与中性点之间。每极都应 有在直流降压至７０ ～１Ｏ０ 正常直流电压（￣８００ ａｒｉｎ Ｑｄ（ ）｝＝＝＞ ｉ ＝ 一 （ ）＜ ］ ，， ｍｉｎＴ（ｕ ）ｊ ＩＭ ￣＇ＳＣ＿ｍａｘ ．（１） ｋＶ）内连续运行的能力。 １．２．３线路参数 直流线路导线型式ＬＧＪ－－６３０／４５，线路长度按 １ ４１ ８ ｋｍ计；接地极线路导线采用两组双分裂导线 结构，导线型号为ＬＧＪ一７２０／５０，楚雄站接地极线路 长度为１１１ ｋｍ，穗东站接地极线路长度为９５ ｋｍ。 主回路计算中采用的直流电阻值见表３。 表３直流电阻 ＂ｉ－ａｂ，３ ＤＣＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ １．２．４控制策略 常规的直流控制模式是整流站直流极母线处的 定功率控制。整流站定电流控制，逆变侧为定电压 或定熄弧角控制。 换流变压器分接开关是调节稳态运行时直流电 压的主要手段之一，通常有两种调节控制方式Ｉ３ ： 电压控制，保持换流变压器阀侧或直流空载电压恒 定；角度控制，保持直流系统的运行参数（如Ｏｌ和 ）在给定的范围内。 云广主回路设备设计考虑的控制策略为：整流 侧定电流控制，换流变压器调节分接头为角度控制； 逆变侧定电压控制，换流变压器调节分接头为角度 控制。此外，还为主回路设备参数留下一定的裕度。 ２换流变压器参数选择 ２．１ 换流变压器短路阻抗选择 换流变压器短路阻抗的计算选择是一个反复优 选的过程，需要综合考虑各项制约因素。首先，无 论短路阻抗高于２２％还是低于１２％，都会增加换流 变压器的制造成本 。此外，换流变压器短路阻抗 式中： ｍｉｎ为换流变压器短路阻抗最小值；／ｄＮ为 直流额定电流；／Ｓ、／Ｍ分别为换流阀所能承受的短 路电流和最大短路电流（也称浪涌电流）； 为单 桥换流变压器额定容量；Ｓｓｃ 为交流系统最大短 路容量；Ｑｄ为换流站无功消耗；Ｔ为换流站总费用。 据此优化原则，云广换流变压器分析结果如下： 如果考虑换流阀承受短路电流水平为３３ ｋＡ， 则由公式（１）计算得出，楚雄站换流变压器短路阻 抗为 ｉ ＝１ ７．５％，穗东站换流变压器短路阻抗为 ｉ ＝１７．７％。考虑到送端楚雄站的运输尺寸限值 和换流变压器的设计优化能力，楚雄站换流变压器 短路阻抗选取１ ８ ，穗东站换流变压器短路阻抗选 为１８．５％。 ２－２直流空载电压和换流变压器分接开关级数 ２．２．１额定直流空载电压计算和额定角度选择 楚雄站额定直流空载电压 ｉ。Ｎ 按照公式（２） 所示计算＿４＇ ，其中云广工程中考虑整流站额定触发 角０［ 选取为１５。。由于穗东站的换流变压器与楚雄 站换流变压器相同，逆变侧额定熄弧角不能按以往 常规直流设计来选定，需要由换流变压器额定阀侧 电压来计算出逆变侧额定直流空载电压 ｉ０ＮＩ，再由 公式（３）反推出额定熄弧角 为１８．６７。。 十 Ｕｄ１。ＮＲ ＣＯＳ Ｎ一（ Ｒ＋ ）’ （２） ＵｄＮｌＵｄ ｒ ’（３ 式中：Ｕｄｉ。Ｒ和 ｉ。１分别为整流侧与逆变侧直流空载 电压；ＵｄＲ和 －分别为整流侧与逆变侧直流电压； 和 分别为换流变压器感性和阻性压降；ＵＴ为 换流阀通态压降，下标Ｎ表示额定。 ２．２．２最大、最小直流空载电压计算 在直流空载电压计算时，根据公式 ５８ 南方电网技术 第４卷 ｉ。 ：ｌＬ ＋ 一（ ＋ ）． ． Ｉ． 一， ｄＮ ＣＯＳ ＳＮ＝４３・ ・ ＝ － ｉ。 ・ ． ｊ （６） 考虑各种测量误差、设备制造公差以及触发角、熄 弧角的调整范围等因素组合形成的 ｉ。的偏差，计 算出 ｉ。的上、下限值（ ｉ。 ， ｉ ），决定换 流变压器抽头的最小空载直流电压需考虑单极金属 回线７０％降压运行工况。 ２．２－３换流变压器分接开关级数选择 换流变压器分接开关级数的选择需要考虑系统 电压稳态运行范围、直流降压运行要求；另外，还 需要考虑设备能力，如换流阀大角度运行能力以及 换流变压器分接开关的制造能力等方面的要求。 由最大空载直流电压来换流变压器分接开关最 小档位（负档），由单极金属回线７０％降压运行方 式下的最小空载直流电压来设计逆变站分接开关的 最大档位（正档）【ｏＪ。 换流变压器的最大及最小变比 按如下公式计 算 ， 】： （／１ 乙，ｄ ｏＮ ＵＩ ｉ Ｕｄｉ０Ｎ “ ； ｉｎ ‘ ’ 换流变压器的调节开关级数 计算公式为 ｃ＝ ・ 式中： 为交流侧母线电压；△叩为分接头步长。按 照上述计算并考虑云广换流阀大角度运行能力为 ４５。，云广直流输电工程直流空载电压和换流变压器 调节开关级数如表４所示。 表４直流空载电压和换流变压器调节开关级数 ａＴｂ．４ ＤＣ Ｎｏ－ＬｏａｄＶｏｌｔａｇｅ ａｎｄＯＬＴＣＳｔｅｐｓ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｆｌｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ３换流变压器额定参数计算 换流变压器额定参数按如下公式计算： ＝等‘詈， ㈩ ，ｖＮ＝ （５） 根据公式（４）一（６），由额定直流空载电压， 计算出换流变压器阀侧额定电压ＵｒＮ；由额定直流 电流得出换流变压器阀侧额定电流ＩｖＮ；然后计算出 换流变压器额定容量 ｌ４， 。 云广工程的换流变压器额定参数如表５所示。 表５换流变压器额定参数 Ｔａｂ．５ Ｒａｔｅｄ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｆｌｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ４平波电抗器参数 平波电抗器最主要的参数是其电感量。平波电 抗器的电感量在满足主要性能要求的前提下应尽量 小些，其选择应考虑以下几点［４】． １）考虑限制故障电流的上升率，电感计算为 Ｌ：一ＡＵｄ△ ： Ｉ ｄ ｄ ３６０。Ｘ厂 式中：厂为交流系统基频，．厂＝５０ Ｈｚ；ｙ ｉ 为不发生 换相失败所允许的最小关断角；Ａ 为直流电压下 降量，一般选取为单桥额定直流电压；△厶为不发生 换相失败所允许的电流增量； 为以角度表示的逆 变器触发越前角额定值，并假设定关断角控制的调 节误差为１。；Ａｔ为换相持续时问。 ２）考虑平抑直流电流的纹波，电感计算为 Ｌ２ ：—Ｕｄ０ Ｘ ０．０２３ｓｉｎｔ—ｚ ．∞Ｉ屿 式中： ０为换流器理想空载直流电压；６ｃ为轻载时 换流器所允许的触发角。 ３）考虑防止直流低负荷时的电流断续，电感 计算为 （ ）＝———— ＿ｌ —一． ，ｎｃｏＩａ×（Ｉｄ㈨／，ｄ） 式中：ｕｄ㈨为直流侧最低次特征谐波电压有效值； 厶为额定直流电流；，ｄｆＪｊ１／，ｄ为允许的直流侧最低特征 谐波电流的相对值；船为最低次特征谐波； 为基 频角频率。 另外，需要将平波电抗器电感值应与直流滤波 器参数统筹考虑，并进行费用优化；还应避免平波 第４期 黄莹，等：云广±８００ ｋＶ直流输电工程主回路设备参数选择 ５９ 电抗器与直流回路在５０ Ｈｚ、１００ Ｈｚ发生低频谐振。 对云广工程进行计算，各影响因素计算出的电 感值为Ｌ１＝３１０ ｍＨ，Ｌ２＝２１５ ｍＨ，Ｌ３＝２２４ ｍＨ。 综合考虑以上影响因素和平波电抗器的制造能 力，云广工程平波电抗器的电感值取为３００ ｍＨ，极 母线和中性母线各布置２ ｘ ７５ ｍＨ。 ５换流阀参数和控制基本参数选择 由上述选择换流变压器短路阻抗的参数可以 得出换流阀设备的短路电流水平。云广工程换流阀 的短路电流选取为３３ ｋＡ。触发角稳态控制范围为 ￣２Ｎ±２．５。，熄弧角稳态控制范围在１７．０。～１９．５。。 经过交流滤波器性能计算，在１５％负荷水平就 需要在１Ａ（ＤＴ１１／２４）＋１Ｂ（ＤＴ１３／３６）滤波器的基 础上多投一组Ｃ型（ＨＰ３）滤波器小组，才能满足 滤波性能指标要求。考虑到无功平衡，需要在主回 路控制中将换流器的触发角增大来增加换流器的无 功消耗，而增大触发角是通过降低直流电压来实现 的，因此，在低负荷无功优化控制策略中，考虑通 过预设直流电压来满足无功平衡和滤波性能要求。 预设直流电压值见文献［２］，后续的主回路稳态 挣陛计算需要根据预设直流电压值进行计算。 ６云广主回路稳态特性计算和主设备参数 在选择主设备参数后需要进行主回路稳态状态 计算，最终确定主回路设备参数。本节按照文献［５］ 和［７］的主回路稳态特性计算方法，针对２．２节中各 种组合工况和负荷水平进行了主回路稳态特性计 算。双极全压运行和单极金属７０％降压运行时主回 路稳态计算结果表６和表７。主回路稳态特性分析 说明云广主回路设备参数的选择是合理的。 ７结论 １）换流变压器最佳短路阻抗值应综合换流阀 的浪涌电流水平和换流变压器设备制造能力进行选 择；对云广换流变压器短路阻抗由于运输尺寸限制 等原因，对送端换流变压器短路阻抗选取为１ ８％。 ２）换流变压器分接开关级数的选择要考虑系 统电压运行要求，还要考虑换流阀大角度运行能力 以及换流变压器分接开关制造能力等方面的要求。 ３）平波电抗器的选择需要综合考虑限值故障 上升率、防止直流断续、纹波等因素，据此进行优 表６双极全压运行工况主回路稳态计算结果 Ｔａｂ ６ Ｓｔｅａｄｙ－Ｓｔａｔｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ＲｅｓｕｌｔＳ ｕｎｄｅｒ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｎｏｒｍａ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 表７单极金属７０％降压运行工况主回路稳态计算结果 Ｔａｂ ７ Ｓｔｅａｄｙ－Ｓｔａｔｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｕｎｄｅｒ Ｍｏｎｏｐｏｌａｒ ７０％ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 化选择。云广工程平波电抗器电感值选取３００ ｍＨ。 ４）换流阀和控制系统参数选择需要结合换流 变压器短路阻抗的参数和无功要求进行选择。云广 工程额定熄弧角的选择，由于换流变压器的原因， 不同于以往直流工程的计算。 ５）主回路设备参数是否合理需要通过主回路 稳态特性计算来进行校核。 参考文献： ［１］ 云南一广东￣８００ ｋＶ直流输电工程功能规范书［ｚ］＿广州：中国南 方电网有限责任公司，２００６． ［２］ 云南一广东￣８００ ｋＶ直流输电工程：主回路参数研究报告［ｚ］．广 州：中国南方电网有限责任公司，２００７． ３ 浙江大学直流输电科研组．直流输电［Ｍ］．北京： 电力工业出版 社 １９８２． ［４］ 赵畹君．高压直流输电工程技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社， ２００４． ［５］ “十一五”国家科技支撑计划“特高压输变电系统开发与示范项目” 课题２１验收研究报告［Ｒ１．广州：南方电网技术研究中心，２００９． ［６］ＤＬ／Ｔ ５２２３－－２００５，高压直流换流站设计技术规定［ｓ］． ［７］ 王峰，徐政，黄莹，等．高压直流输电主回路稳态参数计算【Ｊ】ｌ电 工技术学报，２００９，２４（５）：５３～５６． 收稿日期：２０１０—０３—２４ 作者简介： 黄莹（１９７７），女，山东淄博人，高级工程师，工学博士，主要从 事直流输电方面的研究（ｅ—ｍａｉｌ）ｈｕａｎｇｙｉｎｇ＠ｃｓｇ．ｃｎ： 黎小林（１９６３），男，湖南邵阳人，高级工程师，工学硕士，从事 直流输电和ＦＡＣＴＳ方面的研究： 饶宏（１９６１），男，湖北人，高级工程师（教授级），工学硕士，长 期从事交直流电力系统及高压直流输电的研究、设计、建设和管理。