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±800kV向上直流换流站交流滤波器的配置与控制

导读:上海电力学院电气工程学院 邓艳平 杨秀 张美霞 国网上海市电力公司电力科学研究院 潘爱强 1 引言 在直流输电系统中,换流器在运行中要产生大量的谐波,同时还要消耗一定的滞后无功功率,在额定条件下运行时,整流器消耗的无功功率为滞留功率的30%~50%,逆变

  上海电力学院电气工程学院 邓艳平 杨秀 张美霞

  国网上海市电力公司电力科学研究院 潘爱强

  1 引言

  在直流输电系统中,换流器在运行中要产生大量的谐波,同时还要消耗一定的滞后无功功率,在额定条件下运行时,整流器消耗的无功功率为滞留功率的30%~50%,逆变器为40%~60%。为保证交流系统和直流系统的安全稳定运行,需要在奉贤换流侧配备交流滤波器组[1-6]。本文根据奉贤换流站无功需求及直流输电的交流系统,提出了换流站的交流滤波器配置和投切控制策略,并通过PSCAD仿真验证其可行性。

  2 ±800kV向上直流输电工程简介

  向家坝—上海直流线路全长大约2000km,直流线路额定电压为±800kV,额定输电容量为双极6400MW,额定电流为4kA,双12脉动阀组串联连接。向上HVDC模型见图1。向上直流输电工程主要运行方式有:

  ①极全压运行方式;

  ②单极金属回路运行方式;

  ③双极不对称运行方式。

  3 奉贤换流站无功平衡和补偿原则

  3.1 交流滤波器的设计目标及原则

  交流滤波器可以除去换流器等非线性元件产生的谐波,使得谐波标准控制在标准范围里,并且提供交流系统所需要的无功,使整个系统正常运行。奉贤换流站交流滤波器的设计,主要根据非线性元件产生的非特征谐波和特征谐波、交流系统谐波阻抗和其他交流系统数据。在设计配置方案的基础上,使交流线路中的谐波电压和谐波电流降低,且不会干扰相邻的通信设备,不会影响接在交流线路上的设备。同时,还应按照无功功率的要求来设计交流滤波器[7-8]。

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  滤波器的设计还需要满足下面的要求:

  (1)使谐波降低到规定的范围;

  (2)满足交流系统以及换流器的无功要求;

  (3)一组备用;

  (4)有一定的抗频率变化能力;

  (5)滤波器的损耗尽量最小。

  3.2 交流滤波器的配置方案

  向家坝—上海直流在双极运行时的最小直流功率为640MVar,单极运行时的最小直流功率为320MVar。奉贤换流站具有300MVar的无功吸收能力。

  根据向家坝—上海UHVDC的要求,投切一组并联电容器或滤波器时,复龙侧换流母线电压波动值不能超过0.02p.μ. ,奉贤侧换流母线电压波动值不超过0.015p.μ. 。奉贤换流站单个滤波器/并联电容器组的最大无功容量不能超过260MVar。

  奉贤换流站共配置3746MVar无功补偿的容量,单组容量260MVar共分成4大组,15小组。滤波器型式为8组双调谐高通滤波器和7组并联电容器。奉贤换流站交流滤波器、并联电容器配置见表1。

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  4 无功补偿及滤波器配置校验

  4.1 无功补偿容量校验

  奉贤换流站无功补偿总容量应该满足式(1)~(3)要求:

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  奉贤换流站不同运行方式下,投切交流滤波器电压暂态波动范围基本满足要求。

  4.4 奉贤换流站滤波器组投切协调控制策略

  换流站交流滤波器的投切控制功能是在直流站控系统中实现的,其控制的优先级为[9-14]:①按照最小滤波要求投切滤波器;

  ②按照交流母线电压要求条件投切滤波器;

  ③按照满足谐波条件投切滤波器;

  ④按照满足无功条件投切滤波器。

  (1)按照最小滤波要求投切滤波器。在交流滤波器投切控制中最小滤波条件是首先要满足的,它可以满足最基本的滤波要求。当换流器被解锁以后,先要投入最小滤波器组;输送功率增大,投入的滤波器组也随之增多。如果解锁时投入的交流滤波器组数小于要求的最小交流滤波器组,将自动投入一组备用滤波器组;如果没有备用则直流系统将停止运行。

  (2)按照交流母线电压要求条件投切滤波器。根据满足交流侧母线电压的要求属于滤波器控制策略的次级优先级,它的功能是使得交流系统侧的母线电压处于最大限值和最小限值之间。当交流母线电压在一定时间内大于规定的最大限值 Umax,此时系统将会切除滤波器,当电压回到正常值或者此时只剩下最小滤波器组停止动作。当交流母线电压在一定时间内小于规定的最小限值Umin ,此时将投入滤波器组,直到电压恢复到正常值或者此时没有备用滤波器组,停止动作。

  奉贤换流站根据电压变化投切滤波器方案见表3。

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  (3)按照满足谐波条件投切滤波器。直流输电的系统运行方式以及传输功率的大小对换流站的谐波有很大的影响,随着直流功率的增大,换流站所消耗的无功功率也增大,换流站交流侧的谐波也增大,此时则要投入更多的滤波器组[15]。根据直流输电工程输送的直流功率以及运行方式确定需要投入什么类型的滤波器以及数量。如果不满足滤波条件时,则投入合适的滤波器组。但交流母线电压超出规定限制则不能执行滤波器投入命令。

  (4)按照满足无功条件投切滤波器。滤波器投入运行后,计算出无功出力后,根据交流系统侧提供的无功和换流站之间的无功交换情况来确定投入或者切除滤波器。

  换流站与交流系统的无功交换为:

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  (5)小负荷下的无功优化。当直流系统输送功率低,此时换流站所消耗的无功也相对较低,甚至有可能超出最小滤波器组所提供的无功功率从而造成无功剩余。无功过剩将会引起交流母线的电压偏高[16]。为了在这种情况下满足换流站的无功平衡,需要减小直流电压参考值从而增大触发角,使得换流器消耗更多的无功[17-18]。

  5 计算及仿真验证

  根据滤波器投切的控制策略,分别计算双极—大地运行方式,输送功率为4000MW和1600MW,滤波器的最优投切组数。不同输送功率滤波器投入组数见表4。

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  对向家坝—上海直流输电工程不同运行方式和不同输送功率水平下的滤波器投切进行仿真,按照计算出的最优的滤波器投入组数,验证其母线电压、交流谐波含量以及无功的情况。

  双极—大地运行方式,输送功率为1600MW,投入3组HP12/24和1组SC时无功交换、交流母线电压以及谐波电流情况见图2。

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  双极—大地运行方式,输送功率为4000MW,投入8组HP12/24和1组SC时无功交换、交流母线电压以及谐波电流情况见图3。

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  由图2、3可见,双极运行方式下,输送功率为1600MW和4000MW投入相应的滤波器时,无功、电压和谐波均不越限。文中对其他输送功率下,投入相应滤波器的无功、电压和谐波情况作了类似的仿真,均满足无功、电压以及谐波的要求,限于篇幅,这里不再赘述。

  6 结语

  奉贤换流站交流滤波器的配置需要考虑谐波、电压以及无功的影响,根据优先级原则进行投切。双调谐滤波器具有经济性且占地面积小。奉贤换流站配置8×260MVar滤波器、

  7×238MVar电容器,通过PSCAD仿真验证,不同运行方式下根据文中的滤波器控制策略进行投切,均能满足谐波、电压以及无功的要求。

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