_800kV云广直流换流站无功补偿与配置方案

第34卷第6期电网技术V ol. 34 No. 6 2010年6月Power System Technology Jun. 2010 文章编号：1000-3673（2010）06-0093-05 中图分类号：TM 714.3 文献标志码：A 学科代码：470·4034
±800kV云广直流换流站无功补偿与配置方案
邱伟1，钟杰峰1，伍文城2
（1．广东省电力设计研究院，广东省广州市 510663；2．西南电力设计院，四川省成都市 610021）
Reactive Power Compensation Scheme and Its Configuration for Converter Station of ±800kV DC Power Transmission Project From Yunnan to Guangdong
QIU Wei1, ZHONG Jie-feng1, WU Wen-cheng2
(1. Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, Guangdong Province, China;
2. Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, Sichuan Province, China)
ABSTRACT: The ±800kV DC power transmission project from Yunnan to Guangdong in China is the first practical ±800kV DC power transmission engineering home and abroad. Reactive power compensation scheme and its configuration are important components in the design of UHVDC power transmission system. According to the features of reactive power demand of UHVDC converter station and taking UHV AC power system at the sending and receiving ends of the UHVDC transmission line into account, the reactive power compensation for converter station and its configuration are researched, and the total capacity of reactive power compensators for converter station and the scheme of dividing these compensators into groups are proposed. By means of checking calculation and numerical simulation, the proposed reactive power compensation scheme and its configuration are verified.
KEY WORDS: UHVDC; reactive power compensation; configuration of reactive power compensators
摘要：±800kV云广直流工程是世界上第一个±800kV级直流输电工程，换流站的无功补偿与配置方案是特高压直流输电系统设计的重要组成部分。

根据特高压换流站无功需求的特点，结合送受端交流系统，对换流站无功补偿与配置进行了研究，提出了换流站的无功补偿设备总容量及其分组配置方案，通过校核计算和换流站无功分组投切的数字仿真，验证了该无功补偿与配置方案的可行性。

关键词：特高压直流；无功补偿；无功配置
0 引言
南方电网规划建设的±800kV云南—广东特高压直流输电工程，是南方电网“十一五”西电东送主网架的重要组成部分，也是世界上第一个±800kV 直流输电工程[1]。

采用±800kV特高压直流输电方案可节省输电走廊资源、减少输电损耗、提高输电技术水平。

该工程的建设能促进区域资源优化配置，是南方电网电源结构调整的需要，也是我国电力装备制造业自主创新、提高水平的需要[1-6]。

特高压直流无功配置包括确定交流系统无功能力、配置换流站无功补偿设备、确定直流系统的无功电压控制策略等，体现了补偿配置的平衡和调节与控制过程的平衡2方面的要求[7-10]。

本文根据特高压换流站无功需求的特点，结合±800kV云广直流送受端交流系统，提出换流站的无功补偿设备总容量及其分组配置方案，并验证其可行性。

1 ±800kV云广直流输电工程及其运行方式
1.1 ±800kV云广直流输电工程
云广直流输电工程额定电压为±800kV，额定输电容量为双极5000MW，额定电流为3125A，采用双12脉动阀组串联接线方式。

送端楚雄换流站位于云南楚雄州禄丰县，受端穗东换流站位于广州增城东部，工程计划2009年6月单极投产，2010年双极投产[1-2,5]。

楚雄换流站通过2回500kV交流线路与和平500kV变电站相连；小湾水电站通过2回500kV 线路接入楚雄换流站、经1回500kV线路接入和平变电站；金安桥水电站通过2回500kV线路接入楚雄换流站；穗东换流站500kV交流出线6回，至500kV增城、横沥和水乡变电站各2回[5]。

1.2 直流运行方式
云广直流工程的主要运行方式有：1）双极全压运行方式，直流输送额定功率；2）单极大地回路运行方式；3）单极金属回路运行方式；4）降压
94 邱伟等：±800kV云广直流换流站无功补偿与配置方案V ol. 34 No. 6
80%运行方式，相应的直流输送功率为80%额定功率；5）降压70%运行方式，相应的直流输送功率为70%额定功率；6）双极不对称运行方式；7）功率倒送方式。

根据换流站无功消耗特点及无功配置要求，本文仅研究运行方式1）、4）和5）。

2 换流站无功平衡和补偿原则
无功补偿与配置的主要目的是确定换流站所需的无功补偿总容量、分组容量和无功补偿设备。

无功补偿与配置方案应能满足换流器和交流系统对无功平衡的要求，综合考虑交流滤波要求、电压控制要求、投资费用等。

换流站无功补偿容量应按直流系统正向全压额定运行方式确定，还需考虑各主回路参数的测量误差。

过负荷方式下额外增加的无功消耗可利用交流系统无功能力和备用无功补偿分组来平衡；直流降压运行方式不作为计算换流站无功补偿容量的必要方式，降压方式下所需无功补偿缺额可由备用无功容量及交、直流系统相互调节提供；功率反送运行方式不作为计算长距离直流输电工程换流站无功补偿容量的必要方式[7-13]。

进行换流站无功补偿配置时应充分利用交流系统的无功支持能力，减少换流站无功补偿容量，节省无功补偿设备(如电容器和电抗器)的投资，还可减少无功补偿设备的分组，节省相应的变电设备和控制保护设备的投资。

当换流站位于电厂或电厂群附近，如水电厂送出工程的换流站，在直流系统大负荷运行时，可以利用交流系统的部分无功电源，达到少装容性无功补偿设备的目的；在直流系统小负荷运行时，可以利用发电机的进相能力，吸收换流站的部分过补偿无功，以达到少装容性无功补偿设备的目的[8]。

3 换流站配置无功边界条件
3.1 换流站的无功消耗
换流站无论工作在整流运行还是逆变运行状态，都要消耗容性无功，即换流站对交流系统而言总是无功负荷[7-8]。

换流站无功消耗的计算一般应计及多种不同的交直流运行方式，换流站无功消耗的容量与直流输送功率、直流电压、直流电流、换相角以及换相电抗等因素有关。

换流站无功消耗可用如下公式进行计算
Q dc=P d⋅tanϕ (1) (/180)sin cos(2)
tan
sin sin(2)
µµαµ
ϕ
µαµ
π⋅−+
=
+
(2)
式中：Q dc为换流器无功消耗；P d为换流器直流侧
功率；ϕ为换流器功率因数；α为触发角；µ为换相
重叠角。

当换流站以逆变方式运行时，用γ代替α，
γ为逆变站熄弧角。

稳态控制时α、γ的允许变化范围分别为12.5°~
17.5°、17.0°~19.5°。

计及一定的换流变制造公差以
及U d、I d、α、γ等测量误差，由此计算得出2侧换
流站不同运行方式下的无功消耗量如表1所示，其
中双极全压运行方式下α=17.7°，γ =20.5°；降压
80%运行方式下α=14.3°，γ =25.0°；降压70%运行
方式下α=30.4°，γ =36.9°。

表1云广特高压直流不同运行方式下换流站的无功消耗
Tab. 1 Reactive power consumption of converter station of
Yunnan-Guangdong UHVDC under
different operation mode
运行方式
直流功率/
MW
运行电压
/ kV
楚雄站
无功消耗/Mvar
穗东站
无功消耗/Mvar
双极全压5000 800 2924 3037
降压80%4000 640 2350 2788
降压70%3500 560 3048 3368
3.2 交流系统提供无功的能力
对于交流系统，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
线方式的变化等都将影响系统无功功率的平衡[10]。

楚雄换流站位于南方电网的送端，在直流系统
大负荷运行时，经过无功平衡计算，送端交流系统
向楚雄换流站提供的无功功率取为30Mvar。

受端穗东换流站位于负荷中心，换流站交流母
线将作为交流系统的枢纽母线，需维持母线电压基
本恒定，一般采用保持换流站本身无功平衡，不与
交流系统进行无功交换的设计原则[8]，故考虑穗东
换流站全部在站内自补偿无功补偿容量，即受端交
流系统向穗东换流站提供的无功功率为0。

3.3 交流系统吸收无功的能力
在直流系统小负荷运行时，对于楚雄换流站，
可利用附近发电机的进相能力吸收换流站的部分
过补偿无功，从而减少容性无功补偿设备容量。

经
过计算，楚雄换流站允许向交流系统倒送容性无功
功率210Mvar。

受端穗东换流站处于广东电网负荷中心地区，
电网较为坚强，相关500kV变电站均配置有一定的
低压电抗器，电网具有一定的无功吸收能力。

计算
第34卷 第6期 电 网 技 术 95
表明，当穗东换流站向系统倒送300 Mvar 容性无功功率时，电网运行电压仍可维持在正常范围，故考虑受端交流系统吸收无功的能力为300 Mvar 。

4 换流站无功配置方案
根据云广特高压直流工程的要求，当滤波器分组或并联电容器分组投切时，楚雄和穗东换流站交流母线暂态电压分别不超过2%和1.5%。

切除整个大组，即所有连在此大组中的电容器分组和滤波器分组都被同时切除，可以当作一种非正常方式，不应用作无功功率控制，只能作为一种保护措施。

无功补偿设备由滤波器组及电容器组组成，楚雄换流站最大无功小组容量为187 Mvar(基准电压525 kV)，穗东换流站最大无功小组容量不超过210 Mvar(基准电压500 kV)。

楚雄和穗东换流站交流滤波器组及电容器组的推荐配置如表2所示。

表2 云广特高压直流输电工程换流站无功配置
Tab. 2 The reactive power compensation configuration for
Yunnan-Guangdong UHVDC project
无功配置
楚雄换流站
穗东换流站
无功补偿总量/Mvar 3 366 3 010 交流滤波器组/Mvar 11 × 187 7 × 190 电容器组/Mvar 7 × 187 8 × 210 电抗器组/Mvar —
—
大组数 4 4 最大大组容量/Mvar 935 800 小组数 18 15 最小小组容量/Mvar 187 190 最大小组容量/Mvar 187
210
5 无功补偿容量和配置的校核
5.1 无功补偿总量的校核
换流站内无功补偿总容量应满足下式要求[7]
2
total ac dc ac sb ()/Q Q Q U Q ≥++ (3) 式中：Q total 为换流站无功补偿总容量；Q ac 为交流
系统提供的无功；Q dc 为换流站消耗的无功量；Q sb
为换流站的无功备用容量，通常取1组无功小组容量；U ac 为换流站交流母线电压标么值，计算中一般取1.0。

对于楚雄换流站，为了满足在孤岛运行方式下交流系统“N − 1”无功平衡要求，换流站需向交流系统提供200 Mvar 容性无功。

根据式(3)，得到双极全压方式下Q total ≥ 3 311 Mvar ，而在送端交流系统正常运行电压下(楚雄换流站侧为525 kV)，交流滤波器和并联电容器所提供的总无功Q total = 3 366 Mvar ≥ 3 311 Mvar 。

对穗东换流站，根据式(3)，得到双极全压方式
下Q total ≥ 3 269 Mvar 。

在受端交流系统正常运行电压(525 kV)下，交流滤波器和并联电容器所提供的总无功Q total =(7×190+8×210)×(525/500)2 = 3 319 Mvar ≥ 3 269 Mvar 。

可见，楚雄和穗东换流站配置的无功补偿容量可以满足直流运行条件的要求。

5.2 换流站无功吸收能力的计算
在直流小方式下，根据滤波要求须投入一定数量的容性无功补偿设备，换流站在满足本身容性无功消耗的情况下可能产生剩余的容性无功功率，换流站需要的感性无功补偿容量Q r 可按下式计算
Q r = Q f min − (Q ac + Q dc ) / U
2 (4)
式中：Q f min 为正常电压下最小交流滤波器组产生的无功；U 为交流母线电压标幺值，通常取1.0。

云广特高压直流最小运行工况为单极输送直流功率250 MW ，交流系统电压取550 kV ，为满足滤波要求需投入2小组滤波器，计算得到楚雄换流站和穗东换流站的无功消耗量分别为221 Mvar 和220.8 Mvar 。

楚雄和穗东换流站允许的Q ac 分别为210、300 Mvar ，按式(4)计算，对于楚雄换流站Q r = −20.5 Mvar < 0，对于穗东换流站Q r = −61 Mvar < 0。

可见，适当增大触发角及熄弧角，利用交流系统无功吸收能力，可吸收直流小方式下楚雄和穗东换流站最小滤波器组产生的剩余容性无功功率。

5.3 投切无功分组电压波动计算
换流站投切无功分组容量 ∆S 与换流站交流母线的暂态电压变化率 ∆U 之间存在如下关系
∆U = ∆S / S d (5)
式中S d 为换流站交流母线的短路容量。

根据式(5)可由短路容量初步推算最大的无功
分组容量。

在不同运行方式下，楚雄换流站和穗东换流站投切无功小组时交流母线的暂态电压波动仿真计算结果见表3和表4。

从计算结果看，对于楚雄换流站，交直流并列
表3 楚雄换流站投切无功小组电压波动
Tab. 3 Voltage change when switching a sub bank of reactive power compensation in Chuxiong station
切除1个无功小组 投入1个无功小组 运行方式U 0−/pu U 0+/pu ∆U /%
U 0−/pu U 0+/pu
∆U /%正常方式 1.029 8 1.017 7−1.17 1.029 8 1.042 1
1.19
草铺—和平1回退出 1.026 9 1.014 2−1.24 1.026 9 1.04 1.28 草铺—和平2回退出 1.026 6 1.010 8−1.54 1.026 6 1.042 9 1.59 孤岛运行
0.974 9
0.934 1
−4.19 0.974 9 1.019
4.52
注：U 0−为动作前电压；U 0+为动作后电压；∆U 为电压变化率。

96 邱伟等：±800 kV 云广直流换流站无功补偿与配置方案
V ol. 34 No. 6
表4 穗东换流站投切无功小组电压波动
Tab. 4 Voltage change when switching a sub bank of reactive power compensation in Suidong station
切除1个无功小组 投入1个无功小组 运行方式
U 0−/pu U 0+/pu
∆U /%
U 0−/pu U 0+/pu
∆U /%正常方式 1.058 7 1.050 8 −0.75 1.058 7 1.067 40.82 穗东—横沥 1回退出 1.058 4 1.049 7 −0.82 1.058 4 1.067 30.84 穗东—横沥 2回退出
1.054 8 1.038 9
−1.51 1.054 8 1.074 1
1.83
注：U 0−为动作前电压；U 0+为动作后电压；∆U 为电压变化率。

运行情况下，正常运行、交流线路1回及2回退出运行时，投切无功小组暂态电压波动范围为1.17%~ 1.59%，满足要求。

孤岛运行方式下，楚雄投切无功小组暂态电压波动最大为4.52%，为了满足稳定的要求，无功分组控制中无功控制策略需考虑增加异常电压控制功能[14-15]，换流站装设静止无功补偿器(static var compensator ，SVC)是解决以上问题的一种措施。

计算表明，在孤岛运行方式下，楚雄换流站投入SVC 可在 −120~ +120 Mvar 范围内调节，则投切小组的暂态电压波动不超过1.23%，稳态电压波动不超过0.79%，满足设计限值要求，并留有裕度。

对穗东换流站，考虑正常运行、交流线路1回及2回退出运行，投切无功小组电压暂态波动范围为0.75%~1.83%，基本满足要求。

5.4 换流站无功分组投切的仿真计算
考虑送、受端换流站无功消耗、换流站最小滤波要求、换流站与交流系统无功功率交换限值等参数，运用直流设计软件对云广特高压直流各种运行方式下换流站无功分组投切进行了仿真计算，无功补偿装置的投切顺序应按照制定的无功控制策略确定，以满足无功消耗和滤波要求，得到楚雄和穗东换流站投切无功分组曲线及换流站与交流系统的无功交换曲线如图1~4所示。

可以看出，在满足换流站滤波要求的前提下，
无功消耗总量/M v a r
0.0 0.2 0.4 0.60.8 1.0 1.2 直流输送功率/pu 0
600
1 800 1.4
3 0003 600
4 2001 2002 400顺序切除无功分组
顺序投入无功分组
无功消耗
图1 楚雄换流站投切无功分组曲线
Fig. 1 Curve of switching sub banks of reactive power
compensation in Chuxiong station
与交流系统无功交换/M v a r
0.00.2
0.4
0.6 0.8 1.0 1.2 直流输送功率/pu
−100
1.4
1002003000
图2 投切无功分组时楚雄换流站与交流系统的无功交换 Fig. 2 Reactive power exchange with AC system when
switching sub banks in Chuxiong station
无功消耗总量/M v a r
0.0
0.2
0.40.6 0.8 1.0 1.2 直流输送功率/pu 0
6001800 1.430003600420012002400顺序切除无功分组
顺序投入无功分组 无功消耗
图3 穗东换流站投切无功分组曲线
Fig. 3 Curve of switching sub banks of reactive power
compensation in Suidong station
与交流系统无功交换/M v a r
0.00.2
0.4
0.6 0.8 1.0 1.2 直流输送功率/pu
−100
1.4
1002004000300
图4 投切无功分组时穗东换流站与交流系统的无功交换 Fig. 4 Reactive power exchange with AC system when
switching sub banks in Suidong station
两端换流站与交流系统在各种运行方式下的无功交换仍在允许范围内，即上述换流站的滤波器组合方案是可行的。

6 结论
1）对于楚雄换流站，允许向系统倒送容性无功210 Mvar ，允许交流系统向换流站提供30 Mvar 容性无功；对于穗东换流站，允许向系统倒送300 Mvar 容性无功。

2）楚雄换流站配置11 × 187 Mvar 滤波器、7 × 187 Mvar 电容器，穗东换流站配置7 × 190 Mvar 滤波器、8 × 210 Mvar 电容器，通过不同投切组合方案可以满足各种运行方式下的无功需求及滤波要求。

3）楚雄换流站装设一定容量的SVC ，可使孤岛运行方式下楚雄换流站投切无功小组时电压波动满足要求。

4）校核计算表明，所配置的滤波器及电容器分
第34卷第6期电网技术 97
组方案可以满足各种直流运行方式下的投切要求。

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收稿日期：2009-07-07。

作者简介：
邱伟(1982—)，男，工程师，研究方向为电力系
统规划设计、电力系统可靠性；
钟杰峰(1973—)，男，高级工程师，研究方向为
电力系统分析、电力系统规划设计；
伍文城(1977—)，男，工程师，研究方向为电力
系统规划、电力系统仿真技术及电力市场。

邱伟
（编辑褚晓杰）。