换流站运行损耗分析

换流站运行损耗分析
本文从换流站损耗构成出发，分别介绍了站内主要损耗设备及其损耗构成，重点分析了影响设备损耗的因素，并从不同阶段及角度提出了降低损耗的措施。

标签：换流站、能耗、换流变
0.前言
随着直流开关设备及换流阀技术的快速发展，特高压直流输电以其输送容量大、输送损耗小、不存在同步问题等特点在输变电领域显示出越来越明显的优势。

然而由于换流站作为电能分配和电形式转变的电气设备集中地，换流站本身不会产生电能，而是消耗电能，因此分析及降低换流站能耗对于特高压直流输电有重要意义。

换流站的损耗可以分为生产设施产生的损耗及辅助生产设施的损耗。

生产设施设备类型繁多，主要的耗能设备有换流变压器、降压变压器、换流阀、平波电抗器、交直流滤波器、通流导线及其金具，其中通流导线及其金具损耗占全站损耗的比例很小，可以忽略不及。

辅助生产设施主要为冷却设备、采暖通风设备以及生产办公用建筑物等。

通常换流站的损耗约为换流站额定功率的0.5%～1% 。

其中，换流变压器和晶阀管换流阀的损耗在换流站总损耗占绝大部分（约71%～88%）。

因此，要降低换流站的总损耗以节省能源，降低换流变压器和晶阀管换流阀的损耗是关键。

图1-1为某±500kV变电站（送、受端）各主要生产设备耗损比例。

1.换流站主要设备损耗分析
1.1变压器损耗分析
换流变压器和降压变压器的电能损耗主要为空载损耗和负载损耗，按照其它直流工程经验，换流变损耗通常能占到总损耗的50%以上。

换流变和降压变压器处于热备用状态产生的损耗为空载损耗（铁耗）;在运行状态下，变压器的运行损耗应为激磁损耗（即铁芯损耗）和由电流大小决定的损耗（负荷损耗）之和。

负载状态下，谐波电压将用在换流变上。

当变压器分接头位置与负荷水平相适应，交流系统电压额定时，可认为负载运行时的铁芯损耗等十空载损耗。

（忽略谐波电压对激磁电流的影响）
全站共有7 台工作换流变（另有1 台备用）、2台500kV降压站用变，1台35kV站用变，为降低电能损耗，在设备的选择上，尽可能的降低换流变及交流变压器的空载损耗（铁损），适当降低换流变及降压变压器的负载损耗（铜损），同时在系统设计中采用优化设计，使换流变压器及降压变压器的阻抗采用较低的数值，以减少电能的损失。

1.2 换流阀损耗
每个换流站均包含多个阀，每个换流阀又由多个电压源换流器阀级构成。

因此先对每个阀级的损耗进行计算，再加起来得到所有阀的总损耗。

换流阀损耗即绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）和二极管（diode）的损耗，包括通态损耗、开通损耗和关断损耗。

通态损耗通过每个器件的通态压降、斜率电阻及电流平均和有效值来进行计算。

开通损耗是通过定义每个器件在开通时的瞬态能量来计算的，然后对在每个基频周期内所有次数的开通能量进行相加得到总的开通损耗。

对于关断损耗也可采用同样的方法进行计算，但需要使用瞬态关断能量。

此外，换流阀器件损耗还应考虑关断状态下漏电流带来的损耗，考虑该损耗非常小，一般忽略不计。

因此，可得总的换流阀器件损耗主要由以上几部分构成。

损耗的计算公式涉及到的参数有运行参数，如直流电流、交流系统频率、换流变压器阀侧空载线电压以及设备固有参数。

运行参数可通过搜集系统在不同运行方式和负荷水平下的运行特性参数得到，不同运行方式和负荷水平下的运行参数也互不相同。

设备固有参数则通过搜集设备的出厂资料，必要时还需要做相应试验得到，不同运行方式和负荷水平下设备的固有参数一般不会变化，或变化的程度对损耗计算结果的影响可以忽略不计。

1.3平波电抗器损耗分析
平波電抗器中的电流是直流电流，并带有谐波。

平波电抗器损耗的直流分量应由工厂试验得到。

谐波电流引起的绕组损耗取决于各负荷水平下的谐波电流幅值和对应的谐波电阻值。

如果采用铁芯一-油箱结构，还应计算励磁损耗。

总的运行损耗应为直流损耗、谐波损耗（及励磁损耗）之和。

1.4站用电损耗分析
换流站中用电量较大的经常性负荷主要有阀冷却设备、换流变冷却风扇、阀厅空调系统、各继电器、控制楼和综合楼空调用电，户外端子箱及设备操作机构中的防露干燥加热，夜间照明用电。

换流站中的冷却设备较多，如换流变压器、设备保温带、阀组冷却设备及其空调系统等。

通过技术性能来选择效率高、能耗低的冷却设备。

对阀厅空调设备，由于其功率大，且长时间运行，因而用电量较大。

结合室内外温度及运行工况，合理调节空调容量，将有利于减少阀厅空调系统用电，节约能源。

继电器、控制室空调除满足运行人员工作条件外，主要是为大量微电子设备提供适合的工作环境。

考虑目前电子设备技术日益成熟，对环境温度要求基本能适应大多自然温度条件，运行阶段可在事先了解设备要求后，综合考虑室内环境温度控制和因环境温度变化引起相对湿度变化对设备的影响，合理调节空调容量。

对户内安装电气设备，常规运行条件下一般采用自然对流通风散热，尽可能
减少机械通风，既有利节能，也能减少维护工作和噪声污染。

户外端子箱及设备操作机构中的防露干燥加热，通常采用温、湿自动控制以降低经常性能耗。

换流站夜间照明一般采用分层照明：正常巡视开低照度道路照明，设备维护检修开局部强光照明。

运行阶段可根据实际情况调整照明灯具数量及照明层次。

2.结论
本专题从换流站运行中损耗着手，重点分析了换流变压器、晶闸管、站用电设备损耗设备及其损耗来源，并从设计、设备选择、运行等不同方面阐述了降低损耗的措施与建议。

本节通过分析，建议在设计伊始就要考虑如何减少损耗，通过利用新技术、更加合理的结构布局在源头上做到损耗的降低;其次在设备的选择上要重要选择低能耗产品，杜绝使用国家命令淘汰的产品设备，在设备层级保证换流站的绿色运行;投运期间运行人员应根据本站实际情况及、相关站运行要求以及电网负荷综合调整运行方式以达到降低能耗的目的。