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(1.西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610021；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

系統(tǒng)等值到換流站交流母線(xiàn)的阻抗頻率特性反映了交流母線(xiàn)上背景諧波的分布特征[1]，是確保實(shí)現(xiàn)換流站交流濾波器方案合理配置、保證無(wú)功補(bǔ)償與控制方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)條件。在電力系統(tǒng)諧波阻抗測(cè)量領(lǐng)域，利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行分析以計(jì)算系統(tǒng)諧波阻抗的方法得到了較為深入地研究[2-6]。但在實(shí)際直流工程進(jìn)行交流濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用相關(guān)工具軟件進(jìn)行系統(tǒng)的諧波阻抗特性研究。目前比較常用的諧波阻抗等值工具主要有ABB 公司的SIMPOW 程序和加拿大Teshmont 公司的NIMSCAN 程序[7]。NIMSCAN程序由于其數(shù)據(jù)與國(guó)內(nèi)廣泛使用的PSD-BPA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相似，所以在中國(guó)的直流工程換流站濾波器設(shè)計(jì)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，目前NIMSCAN程序已被應(yīng)用于中國(guó)多條已投運(yùn)和在建的直流工程[7-9]。

觀音巖電站送出直流是南方電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程的重要組成部分。根據(jù)規(guī)劃，云桂交流斷面硯山至靖西500 kV線(xiàn)路將“π”接接入觀音巖直流受端換流站，實(shí)現(xiàn)云南電網(wǎng)與南方主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)，以降低南方電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)于其他直流工程，觀音巖電站送出直流存在運(yùn)行方式較多、受端換流站接入弱交流系統(tǒng)、換流站出線(xiàn)裝設(shè)串補(bǔ)等特點(diǎn)。因此，不同于其他直流的系統(tǒng)諧波阻抗計(jì)算，在進(jìn)行觀音巖電站送出直流的換流站交流濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，有必要針對(duì)本直流工程的運(yùn)行方式及特點(diǎn)，對(duì)其送受端換流站的系統(tǒng)諧波阻抗等值特性進(jìn)行更為詳細(xì)地研究。

基于工程實(shí)際情況，分析觀音巖電站送出直流可能出現(xiàn)的運(yùn)行方式與特點(diǎn)，并針對(duì)工程特點(diǎn)，采用NIMSCAN工具，進(jìn)行系統(tǒng)諧波阻抗特性的比較研究。

1 觀音巖電站送出直流工程概況

觀音巖電站位于金沙江中游河段，裝機(jī)規(guī)模5×600 MW，電站計(jì)劃于2015年12月底前5臺(tái)機(jī)組陸續(xù)投產(chǎn)完畢。觀音巖電站電能的消納方案是近期全部送電廣西，遠(yuǎn)期需兼顧云南省負(fù)荷發(fā)展的需要。為滿(mǎn)足電能消納方案要求，擬通過(guò)建設(shè)1回±500 kV/3 000 MW直流，實(shí)現(xiàn)電站電力的送出。電站送出直流起點(diǎn)位于云南省永仁縣，落點(diǎn)位于云南省富寧縣。

根據(jù)電站消納方案的要求，觀音巖電站送出直流的送電方向有廣西桂西地區(qū)和云南滇南地區(qū)，對(duì)應(yīng)可能存在的主要有以下3種運(yùn)行方式

1)直流雙極接入廣西電網(wǎng)，電力全送廣西；

2)直流雙極接入云南電網(wǎng)，電力全送云南；

3)直流分極接入廣西電網(wǎng)和云南電網(wǎng)，分極送電。

圖1 觀音巖電站送出直流示意圖

觀音巖電站送出直流工程送受端換流站接入系統(tǒng)示意圖如圖1所示。由圖可知，送端換流站通過(guò)兩回線(xiàn)路與云南主網(wǎng)相連，存在孤島運(yùn)行的可能。而受端換流站落點(diǎn)的交流系統(tǒng)較弱，需在換流站出口線(xiàn)路加裝串補(bǔ)，以提高換流母線(xiàn)短路比，改善換流站運(yùn)行條件。目前受端換流站至靖西線(xiàn)路的串補(bǔ)度暫按50%進(jìn)行相關(guān)的研究，最終的補(bǔ)償度正在進(jìn)行進(jìn)一步的分析論證。

綜上分析可知，觀音巖電站送出直流的特點(diǎn)主要有以下3點(diǎn)。

1)直流送端存在聯(lián)網(wǎng)和孤島運(yùn)行的可能；

2)直流受端可能存在的運(yùn)行方式較多，分極送電時(shí)需接入兩個(gè)同步電網(wǎng)；

3)受端換流站落點(diǎn)交流系統(tǒng)較弱，換流站出口線(xiàn)路裝設(shè)串補(bǔ)。

將通過(guò)NIMSCAN程序?qū)τ^音巖電站送出直流的送受端換流站諧波阻抗特性進(jìn)行分析，主要研究?jī)?nèi)容有以下2點(diǎn)。

1)送端：對(duì)換流站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)諧波阻抗等值分別進(jìn)行研究分析；

2)受端：根據(jù)送電方向的不同分別研究南方主網(wǎng)和云南電網(wǎng)等值到受端換流站的系統(tǒng)阻抗參數(shù)，并針對(duì)線(xiàn)路串補(bǔ)度存在變化的可能，對(duì)不同串補(bǔ)度下系統(tǒng)諧波阻抗參數(shù)的變化進(jìn)行分析。

2 諧波阻抗計(jì)算介紹

2.1 NIMSCAN計(jì)算模型概況

1)發(fā)電機(jī)

在NIMSCAN程序中，發(fā)電機(jī)可視為一個(gè)等值阻抗的電壓源，發(fā)電機(jī)的諧波阻抗模型為

2)變壓器

在NIMSCAN程序中，變壓器的諧波阻抗模型為

其中，RT(nf)為nf次諧波下變壓器的電阻；RT(f0)為基頻下變壓器電阻。

3) 線(xiàn)路

NIMSCAN程序中，輸電線(xiàn)路采用類(lèi)似基頻下常規(guī)的“π”型模型，并采用雙曲函數(shù)校正。

4)負(fù)荷的諧波阻抗模型

NIMSCAN程序?qū)⒇?fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷折算為對(duì)應(yīng)電壓下的阻抗再進(jìn)行計(jì)算，具體模型為

式中，nf為諧波次數(shù)；g(nf)為nf次諧波下負(fù)荷電導(dǎo)；b(nf)為nf次諧波下負(fù)荷電納；P0為有功負(fù)荷；Q0為無(wú)功負(fù)荷；U為節(jié)點(diǎn)電壓。

5)特殊物理原件模型

特殊物理元件等值采用電阻、電抗、電容數(shù)據(jù)來(lái)表征系統(tǒng)中某些物理元件。該模型的等值電路如圖2所示。

圖2 特殊物理原件模型等值電路

2.2 諧波阻抗掃描流程

諧波阻抗等值掃描流程如圖2所示。整個(gè)過(guò)程可主要分為以下4步。

1)BPA數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：對(duì)BPA潮流數(shù)據(jù)和穩(wěn)定數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。主要涉及內(nèi)容有冗余數(shù)據(jù)刪減、BPA數(shù)據(jù)卡片轉(zhuǎn)化等。

2)NIM數(shù)據(jù)生成：將BPA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為NIM文件。

3)諧波阻抗計(jì)算：采用諧波阻抗掃描程序?qū)ι傻腘IM文件進(jìn)行諧波阻抗等值掃描。

4)結(jié)果收集：按照需求統(tǒng)計(jì)收集諧波阻抗計(jì)算結(jié)果。

圖3 諧波阻抗掃描流程圖

3 諧波阻抗掃描分析

影響系統(tǒng)諧波阻抗的主要因素有近區(qū)電網(wǎng)開(kāi)機(jī)、負(fù)荷水平和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。選擇運(yùn)行方式時(shí)應(yīng)盡可能體現(xiàn)各因素對(duì)諧波阻抗變化趨勢(shì)的影響。下面研究以觀音巖電站送出直流工程投產(chǎn)的2016年為水平年，并考慮電源、負(fù)荷、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，對(duì)2017年和2020年的諧波阻抗也進(jìn)行校核計(jì)算。以2016年豐大、豐小、枯大、枯小方式，2017年豐大、豐小、枯大、枯小方式和2020年豐大、枯大方式為基礎(chǔ)運(yùn)行方式，并在每一種運(yùn)行方式下考慮送受端換流站近區(qū)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生“N-1”故障情況，對(duì)觀音巖電站送受端換流站分別進(jìn)行諧波阻抗特性研究。

3.1 送端換流站諧波阻抗特性分析

直流換流站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行時(shí)，直流換流站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化較大，所以對(duì)換流站聯(lián)網(wǎng)和孤島運(yùn)行時(shí)的諧波阻抗分別進(jìn)行研究。

1)換流站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式諧波阻抗等值

送端換流站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)上述各水平年不同運(yùn)行方式(考慮近區(qū)網(wǎng)絡(luò)“N-1”)進(jìn)行諧波阻抗掃描計(jì)算，統(tǒng)計(jì)得到系統(tǒng)諧波阻抗扇形圖參數(shù)列于表1。

表1 送端換交流側(cè)系統(tǒng)諧波阻抗扇形圖參數(shù)(聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行)(1 p.u.= 2 756.25 Ω)

2)換流站孤島運(yùn)行方式諧波阻抗等值

孤島方式下，運(yùn)行方式考慮觀音巖電站到換流站全接線(xiàn)與N-1。諧波阻抗等值計(jì)算結(jié)果如表2所示。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，換流站孤島運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的諧波阻抗特性與聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)差異較大，孤島運(yùn)行時(shí)各次諧波的阻抗扇形面積普遍增大，系統(tǒng)諧波阻抗特性較差，對(duì)換流站濾波器設(shè)計(jì)要求較高。

3.2 受端換流站諧波阻抗特性分析

根據(jù)直流可能存在的運(yùn)行方式，分別按送電廣西(南方主網(wǎng)系統(tǒng)等值到換流站母線(xiàn))和送電云南(云南電網(wǎng)等值到換流站母線(xiàn))，分別進(jìn)行諧波阻抗特性分析。根據(jù)受端換流站的初步研究成果，換流站至靖西線(xiàn)路串補(bǔ)目前暫按50%的串補(bǔ)度進(jìn)行相關(guān)研究，最終的串補(bǔ)度需待進(jìn)一步比較分析，所以先按換流站至靖西線(xiàn)路串補(bǔ)度為50%時(shí)進(jìn)行諧波阻抗等值研究，再對(duì)換流站出線(xiàn)不同串補(bǔ)度時(shí)系統(tǒng)的諧波阻抗參數(shù)變化進(jìn)行分析。

表2 送端換交流側(cè)系統(tǒng)諧波阻抗扇形圖參數(shù)(孤島運(yùn)行)(1 p.u.= 2 756.25 Ω)

1)送電廣西時(shí)系統(tǒng)諧波阻抗特性

各水平年各種方式下，考慮近區(qū)網(wǎng)絡(luò)“N-1”時(shí)受端換流站諧波阻抗如表3所示。

表3 受端換交流側(cè)系統(tǒng)諧波阻抗扇形圖參數(shù)(送電廣西)(1 p.u.= 2 756.25 Ω)

2)送電云南時(shí)系統(tǒng)諧波阻抗特性

送電云南方向時(shí)，考慮近區(qū)網(wǎng)絡(luò)“N-1”，云南電網(wǎng)等值到換流站母線(xiàn)的諧波阻抗特性如表4所示。

表4 受端換交流側(cè)系統(tǒng)諧波阻抗扇形圖參數(shù)(送電云南)(1 p.u.= 2 756.25 Ω)

3)換流站出線(xiàn)不同串補(bǔ)度對(duì)諧波阻抗特性的影響

由于換流站出線(xiàn)串補(bǔ)的最終補(bǔ)償度尚在進(jìn)行研究論證，對(duì)換流站至靖西雙回線(xiàn)路在不同串補(bǔ)度下的系統(tǒng)等值諧波阻抗參數(shù)(最小阻抗幅值、最大阻抗幅值、最小阻抗角、最大阻抗角)進(jìn)行比較，主要分析了換流站至靖西雙回線(xiàn)路串補(bǔ)度由50%降至30%和10%時(shí)的系統(tǒng)諧波阻抗參數(shù)變化情況。

換流站至靖西雙回線(xiàn)路不同串補(bǔ)度下系統(tǒng)等值諧波阻抗參數(shù)與50%串補(bǔ)度時(shí)的系統(tǒng)等值諧波阻抗參數(shù)之差分別如圖4至圖7所示。

圖4 各次諧波阻抗最小阻抗幅值差

圖5 各次諧波阻抗最大阻抗幅值差

圖6 各次諧波阻抗最小阻抗角

圖7 各次諧波阻抗最大阻抗角差

由圖4至圖7可知：

1)從數(shù)值上看，在大部分諧波次數(shù)下?lián)Q流站至靖西雙回線(xiàn)路串補(bǔ)補(bǔ)償度對(duì)系統(tǒng)等值諧波阻抗參數(shù)的影響不大；當(dāng)線(xiàn)路串補(bǔ)度變化時(shí)，對(duì)2次諧波阻抗的參數(shù)影響比其他各次諧波阻抗大；

2)線(xiàn)路串補(bǔ)補(bǔ)償度由50%變化為10%時(shí)，系統(tǒng)的諧波阻抗參數(shù)變化量大致是串補(bǔ)補(bǔ)償度由50%變化為30%時(shí)諧波阻抗參數(shù)變化量的2倍；

3)換流站至靖西雙回線(xiàn)路串補(bǔ)補(bǔ)償度的改變對(duì)各次諧波阻抗下的參數(shù)影響沒(méi)有明顯規(guī)律；

4)換流站至靖西雙回線(xiàn)路串補(bǔ)補(bǔ)償度由50%變化為30%和10%時(shí)對(duì)同次諧波的阻抗幅值影響相同，均表現(xiàn)為對(duì)該次諧波阻抗最小、最大幅值的增大或減小趨勢(shì)；

5)換流站至靖西雙回線(xiàn)路串補(bǔ)補(bǔ)償度減小時(shí)，各次諧波阻抗最小、最大阻抗角均呈增大趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

觀音巖電站送出直流是南方電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)工程的重要組成部分，相對(duì)于其他直流工程，觀音巖電站送出直流運(yùn)行方式較多。通過(guò)NIMSCAN程序?qū)Ρ局绷鞑煌\(yùn)行方式下送受端換流站的系統(tǒng)諧波阻抗等值進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下。

1)送端換流站孤島運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)諧波阻抗特性與聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)差異大，對(duì)濾波器的要求較高，濾波器設(shè)計(jì)較困難；

2)為滿(mǎn)足電站電能的消納，受端換流站存在雙極接入廣西電網(wǎng)、雙極接入云南電網(wǎng)和分極接入廣西電網(wǎng)與云南電網(wǎng)的運(yùn)行方式，需按照送電方向的不同分別對(duì)受端換流站的系統(tǒng)諧波阻抗進(jìn)行等值研究；

3)換流站至靖西雙回線(xiàn)路串補(bǔ)補(bǔ)償度的改變對(duì)各次諧波阻抗下的參數(shù)影響沒(méi)有明顯規(guī)律。當(dāng)串補(bǔ)度由50%分別降至30%和10%時(shí)，對(duì)大部分諧波次數(shù)下系統(tǒng)的諧波阻抗等值參數(shù)沒(méi)有較大影響。

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