中俄聯(lián)網(wǎng)黑河換流站新建主變投運(yùn)及站控系統(tǒng)無功策略驗(yàn)證試驗(yàn)方案

高德賓，劉 洋，王聰穎，岳 涵，竇姿麟

(1.國家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽 110181；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽 110018)

根據(jù)中俄聯(lián)網(wǎng)黑河換流站工程建設(shè)進(jìn)度，2018年7月已在黑河換流站中方側(cè)新投運(yùn)1臺(tái)500 kV變壓器(52B主變)，該變壓器投運(yùn)后黑河換流站形成2臺(tái)主變連接地區(qū)220 kV系統(tǒng)運(yùn)行方式，增強(qiáng)地區(qū)電網(wǎng)供電可靠性，同時(shí)52B主變低壓側(cè)配備了2組60 Mvar低抗和1組60 Mvar低容，無功補(bǔ)償設(shè)備容量有所增加，有利于黑河換流站電壓調(diào)整。擴(kuò)建工程還對(duì)黑河換流站無功控制策略進(jìn)行了修改，2臺(tái)主變低壓側(cè)無功補(bǔ)償裝置均納入換流站的無功控制系統(tǒng)，在主變投運(yùn)后進(jìn)行了無功控制策略的驗(yàn)證試驗(yàn)。

目前，對(duì)直流換流站內(nèi)無功補(bǔ)償設(shè)備的配置方案及控制策略的研究較多，文獻(xiàn)[1]給出了無功設(shè)備的配置方案以及多種判據(jù)、多邊界條件下無功控制功能及策略。文獻(xiàn)[2]介紹了高壓直流換流站內(nèi)的無功消耗和影響因素以及站內(nèi)無功補(bǔ)償裝置容量的確定。文獻(xiàn)[3]分析了國內(nèi)現(xiàn)有直流換流站交流無功補(bǔ)償設(shè)備投切和故障情況，提出優(yōu)化直流換流站無功配置原則的建議。文獻(xiàn)[4]針對(duì)連接弱交流系統(tǒng)的高壓直流換流站提出了一種基于靜態(tài)同步補(bǔ)償器和電容器組相互協(xié)調(diào)的多模式協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[5]提出了一種適用于背靠背換流站的無功協(xié)調(diào)控制策略，減小了常規(guī)直流無功輔助控制對(duì)直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及系統(tǒng)性能的負(fù)面影響，并通過仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]介紹了黑河換流站SVC和HVDC的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

1 新建52B主變投運(yùn)方式

新建52B主變?yōu)樽择钣徒綗o載調(diào)壓變壓器，主要參數(shù)如表1所示。

表1 52B主變主要參數(shù)

52B主變接入500 kV 第2串間隔與63M直流濾波器組配串，開關(guān)TA變比均為2000/1A，投運(yùn)時(shí)需對(duì)52B主變有關(guān)保護(hù)、500 kV 2母線母差保護(hù)、開關(guān)保護(hù)及220 kV、35 kV有關(guān)保護(hù)、新增的穩(wěn)控裝置進(jìn)行相位測(cè)試。黑河換流站中方側(cè)接線方式如圖1所示，虛線框內(nèi)為新建52B主變及其他有關(guān)設(shè)備。

圖1 黑河換流站中方側(cè)接線方式

在開關(guān)5022加裝臨時(shí)保護(hù)對(duì)主變沖擊合閘，35 kV無功補(bǔ)償設(shè)備送電，利用無功設(shè)備的電流分別測(cè)試主變差動(dòng)保護(hù)、35 kV母差保護(hù)、開關(guān)保護(hù)相位，再用5013串帶2母線邊開關(guān)5023對(duì)主變充電，利用35 kV無功設(shè)備測(cè)試相關(guān)保護(hù)相位，最后220 kV開關(guān)環(huán)并，測(cè)試主變差動(dòng)及220 kV系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)相位，如圖2所示。

臨時(shí)保護(hù)的整定需避開正常運(yùn)行的負(fù)荷電流，同時(shí)又要保證對(duì)故障電流的靈敏性。黑河換流站短路電流較小，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在52B主變500 kV與220 kV系統(tǒng)環(huán)并時(shí)，需控制52B主變潮流不大于260 MW。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，若控制52B主變環(huán)并后潮流不大于260 MW，需控制環(huán)并前51B潮流不大于341 MW，根據(jù)夏季負(fù)荷情況，主變最大潮流為320 MW，不需采取其他措施即可滿足運(yùn)行需求。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 52B主變環(huán)并潮流轉(zhuǎn)移比

(a)中開關(guān)帶35 kV設(shè)備

(b)邊開關(guān)帶220 kV、35 kV設(shè)備圖2 黑河換流站52B主變投運(yùn)示意圖

2 無功策略驗(yàn)證試驗(yàn)仿真分析

52B主變投運(yùn)后對(duì)中方側(cè)無功控制策略進(jìn)行了修改，擴(kuò)建后的低壓無功補(bǔ)償設(shè)備納入換流站無功控制，由黑河換流站站控系統(tǒng)控制低抗和低容的投切。直流站控系統(tǒng)如圖3所示。

站控系統(tǒng)可以按照以下優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)：①換流站解鎖控制；②最高/低電壓限值；③最大無功交換限值；④最小濾波器控制；⑤無功控制/電壓控制(可切換)。

換流站內(nèi)每組低抗均有“參與換流站母線電壓控制”、“參與換流站無功平衡”2種運(yùn)行狀態(tài)。直流閉鎖時(shí)，所有低抗均“參與換流站母線電壓控制”，直流解鎖時(shí)，自動(dòng)選擇1組備用低抗“參與換流站無功平衡”，直到直流閉鎖后恢復(fù)為“參與換流站母線電壓控制”。 “參與換流站母線電壓控制”的低抗在交流母線電壓高于V1時(shí)自動(dòng)投入1組；交流電壓低于V3則自動(dòng)退出1組。

低容采用電壓控制：交流電壓高于V2則投入1組低容；電壓低于V4則退出1組低容，如圖4所示。

圖4 低容、低抗投切控制邏輯

黑河換流站為東北電網(wǎng)末端，短路容量較小，2017年末500 kV母線三相接地短路后短路電流約為3.9 kA，短路容量約為3 369 MVA，受電壓波動(dòng)影響較為明顯。因此，進(jìn)行無功策略驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，需有充足的無功備用容量。利用低谷負(fù)荷進(jìn)行換流站投切低抗及濾波器后母線電壓變化的仿真分析，投退1組60 Mvar的低抗電壓變化為10 kV左右，如圖5所示。

根據(jù)52B主變投運(yùn)前的系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，在夜間直流解鎖瞬間直流功率仍為0 MW，但直流站控系統(tǒng)自動(dòng)投入1組最小濾波器，導(dǎo)致站內(nèi)無功過剩，系統(tǒng)電壓升高。因此進(jìn)行無功策略驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，需留有足夠的無功補(bǔ)償容量，試驗(yàn)時(shí)采取2臺(tái)主變輪流測(cè)試，低壓無功補(bǔ)償裝置互為備用的方式，即進(jìn)行52B主變無功補(bǔ)償裝置驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，51B主變的無功補(bǔ)償設(shè)備為手動(dòng)狀態(tài)，由現(xiàn)場(chǎng)值班人員根據(jù)系統(tǒng)電壓實(shí)時(shí)調(diào)整，進(jìn)行51B主變無功策略驗(yàn)證時(shí)，52B主變的低壓無功補(bǔ)償設(shè)備為手動(dòng)控制方式，由現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員手動(dòng)控制投切。

(a)切除1組50 Mvar濾波器

(b)切除1組60 Mvar濾波器圖5 切除低抗及交流濾波器電壓變化曲線

黑河換流站中方側(cè)配置5組HP12/24濾波器、2組HP3濾波器、3組并聯(lián)電容器，每組容量均為50 Mvar，濾波器根據(jù)直流功率的變化進(jìn)行投切。在換流器解鎖前，2臺(tái)12/24濾波器自動(dòng)投入，其他濾波器、電容器按式(1)、式(2)進(jìn)行投切：

ΔQ>Qref+33 Mvar

(1)

ΔQ

(2)

式中：Qref為參考值。

站控系統(tǒng)除了通過投切電容器來實(shí)現(xiàn)無功控制外，還可以通過換流器增大觸發(fā)角的方法提高換流器對(duì)無功功率的吸收，但換流站的最大觸發(fā)角不超過40°。

3 無功策略驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果

2018年8月，在黑河換流站中方側(cè)直流站控系統(tǒng)升級(jí)后，進(jìn)行了換流站無功策略驗(yàn)證試驗(yàn)。

首先，進(jìn)行了直流解閉鎖時(shí)低容、低抗自動(dòng)投切的策略驗(yàn)證，直流解鎖后，投入1組最小濾波器組同時(shí)站控系統(tǒng)選擇1組備用狀態(tài)的低抗投入，參與換流站無功平衡，此試驗(yàn)受俄功率0～75 MW，電壓變化見表3所示。

其次，進(jìn)行黑河換流站無功控制策略驗(yàn)證試

表3 投退低容、低抗500 kV電壓

驗(yàn)，試驗(yàn)過程中中方受俄功率0～720 MW，換流站根據(jù)直流功率的無功補(bǔ)償需求投入或切除濾波器組，根據(jù)站內(nèi)的電壓情況控制低容低抗的投切。

4 結(jié)論

a.試驗(yàn)證明，無論是51B還是52B主變35 kV側(cè)的低容低抗，均可參與換流站的電壓控制而正確投切，投入1組60 Mvar低容，500 kV母線電壓升高10 kV左右，而投入1組低抗，500 kV母線電壓降低約10 kV。

b.如果直流解鎖前有低抗在熱備用狀態(tài)，直流解鎖后該組低抗將自動(dòng)投入，直流閉鎖后，該組低抗將自動(dòng)切除。如果直流解鎖前無低抗在熱備用狀態(tài)，直流系統(tǒng)仍可正常解鎖并調(diào)節(jié)功率。

c.直流功率升降過程中交流濾波器的投切表明，無功控制策略能夠根據(jù)直流系統(tǒng)的功率正確投入或切除交流濾波器。