±800kV云广直流输电工程平波电抗器参数选择和布置方案

21ic智能电网：摘要： 为抑制直流输电系统扰动引起的直流电流上升速度，避免轻载时发生直流电流断续，以及降低直流侧谐波，需要在换流器直流侧出口装设平波电抗器。笔者根据±800 kV云广直流输电系统主回路结构，详细计算了平波电抗器的电感参数;特高压直流输电系统由于采用特殊的换流器联络结构，其平波电抗器布置不同于±500 kV超高压直流输电系统。文中搭建了基于PSCAD/EMTDC的云广特高压直流输电模型，从谐波特性、直流操作过电压等方面对3种平波电抗器布置方案进行了仿真对比研究，其结果对实际工程具有一定的指导意义。

0 引言

云南—广东±800 kV 特高压直流输电工程是世界上第1 条±800 kV 直流工程， 其成功投运和稳定运行在世界直流输电史上具有开创性意义。直流输电主回路参数设计是直流输电系统设计的主要部分，关系到整个系统的运行性能和经济技术指标[1-3]。换流器出口处的平波电抗器作为直流输电工程中重要的一次设备，其主要作用为：降低直流侧电流谐波和电压脉动成分， 避免在低直流功率传输时电流的断续;限制电流突变来降低换相失败率[4-7]。

平波电抗器的电压和电流额定值是根据直流主回路确定的，因此对平波电抗器的参数选择，主要考虑其电感取值。从平波电抗器抑制扰动时直流电流上升速度和防止轻载时直流电流断续的要求来看，其电感值越大越好，但由于电抗器是一个惯性环节，电感的增大会使电流突变时电抗器的过电压增加，还会导致直流输电系统自动调节速度下降， 增加电抗器费用。因此在满足主性能的前提下， 电感值越小越好。平波电抗器电感值的选择需要综合考虑多方面因素加以权衡[3]。

与传统的±500 kV 直流输电工程不同，±800 kV云广直流输电工程采用单极双12 脉动换流器串联(400 kV+400 kV)的运行接线方式[8]。其平波电抗器的布置方案也不同于传统直流工程的只在极母线上装设电抗器的方法。目前云广工程采用的是分别在极母线和中性母线上装设1 组平波电抗器的布置方案。由于当前特高压直流输电缺乏设备制造和实际运行经验，新的电抗器布置方案的优点和不足需要通过长时间的运行效果来检验。

笔者在云广特高压直流工程的主回路结构参数和实际运行工况的基础上，详细计算平波电抗器的电感参数，并针对3 种不同的平波电抗器布置方案搭建了基于PSCAD/EMTDC 的云广特高压直流输电系统电磁暂态模型，通过对系统的稳态、暂态运行特性进行仿真分析，对比关键测点的最大持续运行电压峰值(以下简称PCOV)和在典型操作过程中的暂态过电压数值，揭示平抗的布置方案和系统运行特性的内在联系，为云广特高压直流输电工程的设计和运行维护提供可以参考的依据。

1 特高压直流输电平波电抗器的电感值选择

文[9]指出，防止直流电流断续这一因素对于平波电抗器电感大小的选择不起决定作用， 因此，限于篇幅，文中只考虑将抑制扰动时直流电流突变作为选择平波电抗器电感值的依据。直流输电系统发生扰动时直流电流上升速度过快可能引起逆变侧换相失败。假设逆变侧交流电压不变，在换相开始时刻，逆变器1 个桥发生故障，导致直流侧电压在持续时间为Δt 的换相过程中下降ΔUd，并假设定熄弧角控制器调节误差为1°，则满足不发生换相失败条件的直流系统等值电感L1为

式(2)、(3)中：Is为换流器两相短路的短路电流;γN为逆变器额定熄弧角;IdN是额定直流电流。

根据±800 kV 云广特高压直流输电工程额定工况和一次设备参数，已知：整流侧额定电压UdNr为800 kV，IdN为3.125 kA，γN和γmin分别为18°和7°，逆变侧换流变压器短路阻抗uk为18.5%;考虑到云广直流输电双极线路的实际参数和互感， 有：LL≈195 mH，线路电阻RL=10 Ω。

与平波电抗器的电抗相比，交流系统等值阻抗可忽略不计，因此两相短路电流Is近似计算为(单位为kA)

代入式(3)，得到βN约为39°， 再代入式(2)， 解得：ΔId=0.659 2 kA。

已知逆变侧直流电压UdNi=UdNr-RlIdN=768.75 kV，故单桥额定直流电压ΔUd=UdNi/4=192.187 5 kV，将上述结果代入式(1)，解得L1≈503 mH，从而得：Ld≈308 mH。

由于计算过程中忽略了控制系统的影响，再考虑到一定的裕度，实际工程的平波电抗器的电感取300 mH 是完全合理的。

2 3 种不同的云广特高压直流工程平波电抗器布置方案

中国已投运的±500 kV 直流输电工程均采用单极2 个6 脉动换流桥串联组成1 个12 脉动换流器的联络结构，且平波电抗器全部装设在换流器出口处的极母线上。由于特高压直流输电工程单极额定直流电压达到800 kV，为了降低单个换流变和换流阀的绝缘水平和制造成本，同时满足多种运行形式和操作方式的需要，云广特高压直流输电工程采用单极双12 脉动串联的运行接线方式。由于联络结构的改变，其平波电抗器的布置方案也需要重新考虑，如果采用传统的平波电抗器方案(以下简称方案1)，其联络结构见图1。

由于特高压直流输电电压等级高， 输送容量大，其对减小谐波对电气设备应力的影响[10]和系统的过电压绝缘配合有更高的要求，因此，需要对传统的平波电抗器布置方案进行重新评估。目前有2种不同的平波电抗器布置方案被提出，1 种方案为平波电抗器分成相等的2 部分，分别装设在极母线和中性母线上(以下简称方案2)，见图2。

另1 种方案为平波电抗器分成2 部分，分别装设在极母线上和2 个12 脉动换流器中间的联络线上(以下简称方案3)，见图3。

直流输电运行特性包括稳态特性和暂态特性，笔者针对不同的平抗布置方案，主要研究反映其稳态特性的最大持续运行电压峰值，即PCOV，和反映暂态特性的换流器交叉阀组解锁直流操作过电压，来揭示布置方案对特高压直流输电运行特性的影响。

目 前过电压绝缘配合的方法主要是在可能出现较大过电压的关键点增加避雷器配置。不同于交流避雷器，直流避雷器的保护水平取决于装设点包括换相过冲电压的最大持续运行电压峰值(PCOV)[11]。因此，关键测点PCOV 的大小是评估3 种平抗布置方案对直流输电系统过电压绝缘水平的影响的重要依据。

如图1-3 所示，Uv为高端阀组Y-Y 换流变阀侧A 相电压，Udh为极母线出口直流电压，Udm是2 个12 脉动换流器中间联络母线的电压，Udv为下12 脉动换流器的2 个6 脉动桥中点的直流电压。根据特高压直流换流站的避雷器配置方案，上述4 个电压测量点均装设相应的避雷器，避雷器额定电压和保护水平由该点的运行电压和PCOV 决定。当平抗布置采用第2 种和第3 种方案时， 由于上下双12 脉动换流器结构基本对称，其2 部分电抗器产生的谐波电压降大小相等，方向相反，因此Udm近似于纯直流电压，而方案1 的Udm谐波含量较大，输出为脉动较大的直流电压。Udh为12 脉动换流器各点对地PCOV 与Udm之和，因此方案1 的Udh谐波含量大于方案2、3 的谐波含量，其PCOV 也大于另外2 个方案中的PCOV， 这也将提高换流变压器高端阀组侧电压Uv处的运行峰值和避雷器保护水平，增大相应设备的稳态应力，不利于系统安全经济运行。此外，Udm的谐波含量太大导致数值波动较大， 将造成以Udm为输入参考电压的整流侧定电压控制器不能起到稳定的控制作用。

特高压直流输电工程采用单极双12 脉动换流阀串联的接线形式，每个阀组都并联了旁路断路器和旁路隔离开关，使得每个阀组可以单独的投运或者退出，运行方式和操作种类数量大大增加[12]。典型的操作包括在单极低端12 脉动换流器解锁的情况下，解锁高端阀组，根据云广直流工程调试过程中的记录， 该操作多次造成Udv过电压太大，Udv处避雷器动作。经初步分析，该避雷器动作原因与平波电抗器布置在中性母线上有关。

3 3 种平波电抗器布置方案的仿真研究

在实际工程中改变平波电抗器布置方案进行试验研究，由于其涉及到的工程复杂，成本太高，难以实施，不具有操作性。因此，利用电磁暂态软件建模仿真是1 种简捷、方便、有效的途径。

PSCAD/EMTDC 是目前世界上被广泛使用的1种电力系统分析软件，其主功能包括电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律。其在高压直流输电系统领域的仿真研究具有较高的权威性。笔者利用PSCAD/EMTDC 软件搭建了±800 kV云广特高压直流输电工程模型，并针对应用3 种不同的平抗布置方案的特高压直流输电系统进行仿真研究，对比其稳态和暂态运行特性，揭示各种方案的优缺点。

特高压直流输电模型中，交流系统采用无穷大等值电源模拟，换流变、交直流滤波器等一次设备均采用实际参数，平波电抗器总电感值取上文中计算得到的300 mH， 直流架空线路采用软件自带的贝杰龙线路模型，参数均为实测所得。控制方式为CIGRE HVDC 标准模型的控制模式。基于不同方案的3 种模型整流侧单极接线图分别为图1-3， 由于另一极以及逆变侧的接线方式具有高度对称性，限于篇幅不再给出。

当云广特高压直流输电系统运行在额定工况时，Uv、Udh、Udm的仿真波形分别见图4-6。

双12 脉动换流器中间联络线电压Udm的谐波含量取决于上下两组12 脉动换流器参数的对称度，包括上下两阀组换流变基本参数、触发角、对地杂散电容、平波电抗器的电感值等。在仿真中忽略了杂散电容的影响，换流变、触发角等参数一致，因此，Udm的谐波含量取决于平抗的布置方式。见图6，由于方案2、3 的平波电抗器分开布置在极母线和中性线或中间联络线上， 其对称度远高于方案1，Udm近似为纯直流电压，而方案1 中Udm的5、7 次谐波含量明显较大。

单个12 脉动换流器各处对地PCOV 可以按传统500 kV 的12 脉动换流器各点对地PCOV 的公式计算， 然后加上中间联络母线的直流电压或者PCOV。因此Udm的大小和波形直接影响到Uv、Udh，如图4、5 所示，方案1 中的换流变阀侧PCOV 和极母线PCOV 明显大于方案2、3 中相应的PCOV，因此，采用方案2、3 时，可以有效降低安装在换流变阀侧和极母线处的避雷器的额定电压，降低避雷器保护水平， 也可降低上组12 脉动换流器各点的绝缘水平、减小稳态应力[13]。其中，方案3 中换流变阀侧PCOV 要略高于方案2， 是因为平波电抗器装设在中性母线时，双脉动换流器结构对称度更高。

直流操作过电压是直流输电工程较为常见的过电压现象，云广特高压直流工程在调试过程中出现过因直流过电压太大造成避雷器动作的事例：2010 年1 月7 日11:38， 楚雄换流站在极2 低端阀组带功率运行的情况下，解锁极2 高端阀组的操作时， 低端阀组2 个6 脉动换流器中点瞬时电压Udv过大，导致该处避雷器动作。文中对该操作过程进行模拟仿真， 在不装设避雷器的情况下观察Udv的暂态波形，结果见图7-9(为了便于观察，输出结果设置为正极性)。

图7-9 中所示直流输电系统在0.6 s 前为单极低端阀组在额定工况下运行，0.6 s 时解锁高端阀组，同时断开旁路断路器，系统由单阀组运行转为双阀组运行状态。

由以上3 图可以看出，3 个方案中，在解锁高端阀组瞬间，由于运行状态的突然改变和非线性元件的特性，低端2 个6 脉动换流器中点处均会出现过电压，方案1 和方案3 的过电压峰值较接近，约为420 kV，方案2 的过电压峰值达到了600 kV，其中方案2 的过电压峰值大大高于低端阀厅避雷器的额定电压，导致避雷器动作。

仿真结果说明， 平波电抗器布置在中性母线上，提高了阀底部设备的绝缘水平,包括最低电位换流变阀侧绝缘水平[14]，同时导致阀底部的操作过电压增加，从而使低端阀厅内2 个6 脉动换流器中点处的过电压增大，造成避雷器动作。

平波电抗器布置在2 个12 脉动换流器中点处固然可以降低低端阀厅内操作过电压，但是由于平抗处于400 kV 电位，污闪可能性增大，增加了支柱绝缘子的投资。

4 结论

1)笔者根据云广特高压直流输电工程实际工况和主回路参数计算了满足主性能的平波电抗器电感值，其电感值不能过大和过小，应兼顾系统运行的经济性和安全可靠性。

2)对提出的3 种平波电抗器布置方案进行对比研究，表明平波电抗器布置在中性母线上可以降低高电位换流器各点的PCOV 和绝缘保护水平，减小相应电气设备的稳态应力[15]，减少极母线和双12 脉动换流器中点处谐波含量，有利于定电压控制器的运行。仿真结果验证了理论研究的正确性。

3)仿真表明，中性母线装设平波电抗器时,低端阀厅内直流操作过电压增大， 导致避雷器多次动作，威胁阀厅内的设备安全。目前投运的低端阀组中点处避雷器运行电压远小于其操作过电压，初步推断原因为避雷器参数设计不合理。

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