2.8 混合三端直流主回路参数
2.8.1 基础数据
1.系统接线
乌东德工程采用三端直流输电方案。工程起点位于云南省昆明市禄劝彝族苗族自治县茂山镇的昆北换流站，受端3000MW直流落点为广西壮族自治区柳州市鹿寨县中渡镇的柳北换流站，5000MW直流落点为广东省惠州市龙门县龙潭镇的龙门换流站。昆北换流站至柳北换流站直流线路长度为932km，柳北换流站至龙门换流站直流线路长度为557km。
三个换流站都为双极结构，昆北换流站每极由两个400kV的12脉动阀组串联，柳北换流站和龙门换流站每极由两个400kV柔性直流阀组构成。不投后备冷却时，系统能在最大环境温度下保持额定功率连续运行。
2.运行接线方式
（1）三端运行接线方式
三端运行接线方式如图2.58～图2.64所示。
图2.58 三端、双极、全电压运行方式
图2.59 三端、双极、一极全电压一极半电压运行方式
图2.60 三端、双极、半电压运行方式
图2.61 三端、单极金属回线、全电压运行方式
图2.62 三端、单极金属回线、半电压运行方式
图2.63 三端、单极大地回线、全电压运行方式
图2.64 三端、单极大地回线、半电压运行方式
（2）云南—广东两端运行接线方式
云南—广东两端运行接线方式如图2.65～图2.71所示。
图2.65 云南—广东两端、双极、全电压运行方式
图2.66 云南—广东两端、双极、一极全电压一极半电压运行方式
图2.67 云南—广东两端、双极、半电压运行方式
图2.68 云南—广东两端、单极金属回线、全电压运行方式
图2.69 云南—广东两端、单极金属回线、半电压运行方式
图2.70 云南—广东两端、单极大地回线、全电压运行方式
图2.71 云南—广东两端、单极大地回线、半电压运行方式
（3）云南—广西两端运行接线方式
该运行方式接线与云南—广东两端运行接线方式类似。
（4）广西—广东两端运行接线方式
广西—广东两端运行接线方式如图2.72～图2.78所示。
图2.72 广西—广东两端、双极、全电压运行方式
图2.73 广西—广东两端、双极、一极全电压一极半电压运行方式
图2.74 广西—广东两端、双极、半电压运行方式
图2.75 广西—广东两端、单极金属回线、全电压运行方式
图2.76 广西—广东两端、单极金属回线、半电压运行方式
图2.77 广西—广东两端、单极大地回线、全电压运行方式
图2.78 广西—广东两端、单极大地回线、半电压运行方式
（5）STATCOM运行接线方式
STATCOM运行接线方式如图2.79所示。
图2.79 STATCOM运行方式
3.运行方式
乌东德工程直流系统具备以下几种运行方式：
1）三端，全电压运行，昆北换流站整流运行，柳北和龙门换流站逆变运行。
2）三端，降电压运行（80%、70%），昆北换流站整流运行，柳北和龙门换流站逆变运行。
3）三端，半电压运行（50%），昆北换流站整流运行，柳北和龙门换流站逆变运行。
4）两端，全电压运行，昆北换流站整流运行，柳北换流站逆变运行。
5）两端，降电压运行（80%、70%），昆北换流站整流运行，柳北换流站逆变运行。
6）两端，半电压运行（50%），昆北换流站整流运行，柳北换流站逆变运行。
7）两端，全电压运行，昆北换流站整流运行，柳北和龙门换流站逆变运行。
8）两端，降电压运行（80%、70%），昆北换流站整流运行，龙门换流站逆变运行。
9）两端，半电压运行（50%），昆北换流站整流运行，龙门换流站逆变运行。
10）两端，全电压运行，柳北换流站整流运行，龙门换流站逆变运行。
11）两端，降电压运行（80%、70%），柳北换流站整流运行，龙门换流站逆变运行。
12）两端，半电压运行（50%），柳北换流站整流运行，龙门换流站逆变运行。
4.交流系统特性
交流系统特性见表2.21～表2.23。
表2.21 交流系统电压（单位：kV）
表2.22 交流系统频率特性
表2.23 交流系统短路特性
5.直流线路参数
直流线路参数见表2.24～表2.26。
表2.24 直流电阻（单位：Ω）
表2.25 直流输电线路参数
表2.26 接地极线路参数表
2.8.2 昆北换流站主回路参数计算
1.计算输入数据
送端换流站计算输入数据见表2.27。
表2.27 送端换流站计算输入数据
2.Udio的计算
考虑各种测量误差、设备制造公差以及触发延迟角/熄弧角的调整范围等因素组合形成的Udio的偏差，根据乌东德工程情况，可计算出Udio及有载调压开关OLTC结果。
3.换流变阀侧电压、电流及容量计算
送端换流站换流变压器阀侧线电压额定值为
送端换流站换流变压器阀侧电流额定值为
送端换流站每台单相双绕组换流变压器容量为
4.换流变压器短路阻抗及阀侧最大短路电流的计算
在忽略触发延迟角变化影响和换流变压器相对阻性电压降的前提下，直流最大短路电流值为
式中，Id为额定直流电流，Id=5.0kA；Sn为额定换流变视在功率（6脉动），Sn=405.8 ×3MV·A=1217.4MV·A；Skmax系统最大短路功率，
× 525 × 63MV·A=57287.6MV·A。
5.平波电抗器主要参数选择
平波电抗器最主要的参数是电感量。从平波电抗器的作用来看，其电感量一般趋于选大些，但也不能太大。因为电感量太大，运行时容易产生过电压，使直流输电系统的自动调节特性的反应速度下降，而且平波电抗器的投资也增加，所以平波电抗器的电感量在满足主要性能要求的前提下应尽量小些，其选择应考虑以下几点：
1）限制故障电流的上升率，有
式中，f为交流系统额定频率，f=50Hz；γmin为不发生换相失败的最小关断角；ΔUd为直流电压下降量；ΔId为不发生换相失败所容许的直流电流增量；Δt为换相持续时间；β为逆变器的额定超前触发延迟角。
2）平抑直流电流的纹波，有
式中，Ud（n）为直流侧最低次特征谐波电压有效值；Id为额定直流电流；Id（n）/Id为允许的直流侧最低特征谐波电流的相对值；n为最低次特征谐波；ω为基频角频率。
3）防止直流低负荷时的电流断续，有
式中，Udio为换流器理想空载直流电压；α为直流低负荷时换流器触发延迟角；Idp为允许的最小直流电流限值。
4）平波电抗器电感值应与直流滤波器参数统筹考虑。
5）平波电抗器电感量的取值应避免与直流回路在50 Hz、100 Hz发生低频谐振。
2.8.3 柳北换流站和龙门换流站主回路参数计算
1.柔直换流器稳态运行特性
换流器的稳态运行特性是主回路参数设计的基本理论依据。以A相为例，换流器主电路的外部稳态电压、电流表达式为
换流器内部稳态电压、电流表达式为
式中，
。
功率模块电流表达式为
功率模块电容电压表达式为
2.柔直变压器与桥臂电抗器设计
（1）设计原则
柔直变压器与桥臂电抗器是柔性直流换流站与交流系统之间传输功率的纽带。柔直变压器的电压比选择应使得换流器出口电压与阀侧电压匹配，而柔直变压器的漏抗与桥臂电抗器的电感值往往需要综合考虑。具体需要考虑以下因素：
1）换流器额定功率输出范围。在额定运行条件下，柔性直流换流器的功率输出范围满足以下约束条件：
式中，X为变压器漏抗与等效桥臂电抗值（桥臂电抗值的一半）之和；Uc为换流器在额定运行工况下输出线电压有效值；Us为交流系统额定电压折算到柔直变压器二次侧的有效值。
2）功率器件通流能力。在额定运行工况下，要求柔性直流换流阀流过的电流有效值不能超过其额定电流，并保留足够的安全裕度。根据与换流阀厂家的技术调研，建议在额定工况下IGBT的电流使用率不超过65%。
3）桥臂环流抑制能力。桥臂二倍频环流与工频分量的比值可以表示如下：
式中，m为额定功率水平下的调制比；N为每桥臂功率模块数量；C为功率模块电容值（mF）；cosφ为额定功率因数；ω为工频角频率（rad/s）。
从上式可以看出，桥臂电抗的数值越大越有利于降低桥臂的二倍频环流幅值。实际上，当桥臂间环流不是很大时，对柔性直流换流器的运行影响较小，在设计桥臂电抗时一般不需特别考虑这方面因素。当桥臂二倍频环流的有效值为桥臂电流额定值的x倍时，桥臂电流总有效值的增加为
，比如当x为30%时，桥臂电流仅增加到约1.05倍，对整个换流器桥臂电流和发热并没有十分明显的影响。因此，本章在设计桥臂电抗器的电感值时，重点考虑换流器额定功率输出范围和交流系统故障穿越能力两个因素，仅对桥臂环流抑制能力进行校核计算。如果校核结果不满足桥臂二倍频环流含量低于30%的要求，则适当增加桥臂电抗器的电感值，同时调整变压器的电压比和漏抗值，直至满足要求。
由于环流的大小主要是影响桥臂电流的畸变度和峰值，而且在实际工程运行中通常会由环流抑制控制器对环流进行抑制，因此在最小电抗值的基础上可以适当减小。
（2）柔直变压器容量
针对换流站的容量，考虑15%左右的裕度，乌东德工程的柔直变压器视在容量见表2.28。
表2.28 柔直变压器容量（单位：MV·A）
（3）柔直变压器漏抗
针对换流站的容量，综合变压器制造、运输等方面的考虑，乌东德工程的变压器短路阻抗选择见表2.29。
表2.29 柔直变压器漏抗推荐值（单位：p.u.）
（4）柔直变压器电压比
经过分析计算，乌东德工程柔直变压器的额定电压比见表2.30。
表2.30 柔直变压器额定电压比推荐值（单位：kV/kV）
（5）桥臂电抗器
经过分析计算，对于乌东德工程的桥臂电抗器值见表2.31。
表2.31 桥臂电抗器电感值（单位：mH）
（6）柔直变压器分接头
采用有载调压柔直变压器，可以扩大换流站的调节范围，并优化换流器运行的电压和电流。考虑电压波动范围，并且满足龙门换流站和柳北换流站输出功率范围的要求，可以计算出额定直流电压运行时柔直变压器分接头级数需求，计算结果见表2.32。
换流变分接头设计过程如下：
变压器分接头调节档位方向约定为档位数越高，变压器二次侧电压越低；档位数越低，变压器二次侧电压越高。
变压器最大分接头级数计算公式如下：
变压器最小分接头级数计算公式如下：
式中，Usmax为系统最大电压（kV）；Usmin为系统最小电压（kV）；Utr2N为柔直变压器二次侧额定电压（kV）；Utr2为不同运行方式下要求的柔直变压器二次侧额定电压（kV）。
表2.32 柔直变压器分接头级数配置需求（1.25%一档）
3.功率运行范围
图2.80和图2.81所示分别为在有载调压开关档位正确调节，且系统在连续运行工作范围内情况下龙门换流站和柳北换流站单个阀组的PQ运行曲线图。点画线框为要求的运行范围。
图2.80 龙门换流站PQ运行曲线
图2.81 柳北换流站PQ运行曲线
4.功率模块数量
功率模块的直流电压等级需要与所选择的IGBT电压等级相配合，相应地也决定了所需的功率模块数目。单桥臂串联功率模块数的计算公式为
式中，ceil（x）是向上取整函数；Udcn为空载运行最大直流电压（kV）；Udcm和Um为不同运行工况下的直流电压和柔性直流换流阀输出的交流相电压幅值（kV）。
IGBT器件的标称电压通常是指其集电极和发射极之间所能承受的最大阻断电压，IGBT器件在运行时所承受的电压（包括暂态过程的峰值电压）均不应超过此值。在乌东德工程中使用的高压IGBT器件的标称电压等级主要是4500 V。在实际设计时，考虑到开关器件开关动作时产生的尖峰电压，以及直流电容电压上存在的波动，在选择功率模块直流电压等级时需要考虑留有2倍左右的裕量。
在计算功率模块数量时，空载运行最大直流电压取为±800kV。为了提高直流系统的运行可靠性，功率模块冗余比例取为8%。
5.功率模块直流电容
由于功率模块直流电容承受交流电流，因此会产生电压波动。为了抑制电压波动，需要选择合适的电容值，选取理论依据如下：
式中，m为额定功率水平下的调制比；N为每桥臂功率模块数量；C为功率模块电容值（mF）；S为换流器视在容量（MW）；cosφ为额定功率因数；ω为工频角频率（rad/s）；Udc为换流器额定直流运行电压（kV）；ε为电容电压波动幅值设计值。
在实际设计时，还需要考虑环流分量和阀控均压措施对功率模块电压波动幅度的影响，因此，功率模块电容值还应该在上述计算结果的基础上取一定的裕度。
6.启动电阻
启动电阻的作用主要用于限制对电容器充电时启动瞬间在桥臂电抗器上的过电压及功率模块二极管上的过电流。另外，充电速度不宜太快或太慢，以免电压电流上升率过高，或在充电过程中发生电容电压发散问题。参考已有工程经验，为控制启动时的冲击电流电压，宜将换流阀冲击电流峰值限制在100A以内，同时启动电阻设计时还应考虑最小单次启动能量要求。启动电阻安装的位置可以为变压器网侧，也可以为变压器阀侧。当安装在变压器网侧时，启动电阻会恒定流过变压器的励磁电流，该电流在启动电阻上产生较大的热损耗，导致启动电阻温升较高。因此，若启动电阻安装在网侧，需要尽快投入旁路开关将其退出，因此建议旁路开关选择交流断路器。当安装在变压器阀侧时，启动电阻在稳态阶段流过的电流较小，热累积主要集中在充电的初始阶段，因此对旁路开关动作时机无严格要求，选取隔离开关即可。
启动电阻安装在网侧或者阀侧均是可行的。考虑换流站平面布置、阀厅占地面积等因素，建议启动电阻安装位置优先考虑在网侧，其次为阀侧。参考现有工程启动电阻应用经验，乌东德工程启动电阻初步推荐值为5kΩ，后续可进一步优化。
7.直流电抗器
直流侧装设直流电抗器主要有以下作用：
1）抑制直流开关场或直流线路所产生的陡波冲击波进入阀厅，使换流阀免于遭受过电压而损害。
2）削减长距离输电直流线路上的谐波电流，消除直流线路上的谐振。
3）防止直流低负荷时发生电流断续现象。
4）抑制直流线路故障时换流阀的暂态电流上升率。
对于柔性直流输电而言，由于采取模块化多电平拓扑结构，其交、直流侧谐波含量非常低，直流电抗器设计不需要考虑谐波抑制问题。同时，柔性直流输电直流侧也不存在电流断续现象。因此，柔性直流输电的直流电抗器设计重点需要考虑换流阀暂态电流抑制要求和直流侧陡波冲击，同时需要避免直流线路上的谐振问题。
为将故障时换流阀暂态电流上升率限制在合理水平，留给控制保护充分时间判断识别故障，保证换流阀IGBT在安全电流水平下可靠关断，需要设计合理的直流电抗器值。此外，在设计时安全裕度一般按照10%考虑。
在直流最严重工况下，即直流故障位于换流阀800kV直流母线出口，如图2.82所示。为了确保直流故障时，换流阀暂态电流峰值能控制在安全范围内，建议直流电抗器安装在中性母线位置；为了防止直流线路的陡波冲击，建议直流极线也安装直流电抗器，其具体数值需要考虑过电压和绝缘配合要求。
图2.82 直流电抗器安装位置
本节重点讨论中性母线位置的直流电抗器的设计，即Ld1。为避免交流系统故障时，换流阀暂态电流上升引起IGBT暂时性闭锁，要求暂态电流满足以下约束条件：
I max+Δiactac+Δidctdc＜I0
式中，tac为控制保护装置延时，取600μs；tdc为换流阀快速过电流保护动作时间，取200μs；Imax为换流阀最大峰值电流（kA）；I0为设置的器件最大关断电流值（kA）。
换流阀800kV母线出口发生直流故障时，换流阀暂态电流上升率近似计算如下：
交流系统故障时，换流阀暂态电流上升率计算需要考虑最严苛工况，为此主要设定以下边界条件：
1）柔性直流输电换流站输出额定有功功率和额定无功功率。
2）交流故障时刻，柔性直流换流阀输出最大电压（相电压幅值为直流电压一半）。
3）交流系统故障时，换流母线电压瞬间跌落。因此，交流系统故障时，换流阀暂态电流上升率为
式中，Lt为交流侧变压器的短路阻抗值（mH）；Ls为换流阀桥臂电抗器的电感值（mH）；Ld为备选直流电抗器的电感值（mH）。
经上述计算，中性母线直流电抗器取值建议见表2.33。
表2.33 中性母线直流电抗器推荐值（龙门、柳北换流站）（单位：mH）
考虑到现有成型设备的情况，同时尽量保持柔性直流换流站直流侧阻抗成对称分布，建议龙门换流站和柳北换流站直流极线直流电抗器值也选择为75mH。
2.8.4 各种主要运行方式下的主回路参数
1.主回路主要参数
昆北换流站主回路主要参数有直流电压、直流电流、直流功率、无功功率、触发延迟角、变压器分接头位置。
龙门换流站和柳北换流站主回路主要参数有直流电压、直流电流、直流功率、无功功率、换流阀交流电流、换流阀桥臂电流、换流阀二倍频换流、功率模块电容电压、功率模块电容电流、A点电压、B点电压、C点电压，如图2.83所示。
图2.83 主回路电气量
限于篇幅，本书仅给出在正常交流电压（昆北525kV、龙门525kV、柳北525kV）下三端双极全电压运行方式下和单端STATCOM方式下的主回路参数。
2.三端双极全电压运行
在交流电压昆北525kV、柳北525kV、龙门525kV下，直流功率从0.1 p.u.至1.05 p.u.时的运行特性如下。
（1）昆北换流站
昆北换流站主回路数据见表2.34。
表2.34 昆北换流站主回路数据
（2）柳北换流站
单400kV阀组数据，以0 Mvar无功功率情况为例，结果见表2.35。
表2.35 0Mvar无功功率
（续）
（3）龙门换流站
单400kV阀组数据，以0 Mvar无功功率情况为例，结果见表2.36。
表2.36 0Mvar无功功率
（续）
（4）广东STATCOM运行
广东STATCOM运行模式下的主回路参数见表2.37。
表2.37 广东STATCOM运行模式下的主回路参数
2.8.5 极限运行电压计算
1.计算原则
在混合三端直流输电系统不同功率水平条件下，柔性直流换流阀的输出电压是不同的，这影响到换流站B点（柔直变压器阀侧套管位置）和C点（桥臂电抗器靠近阀侧）的运行电压。B点和C点的极限运行电压影响到柔直变压器和换流阀的交直流电压耐受要求，需要进行扫描计算，以确定其运行边界。
在计算确定B点和C点的运行边界时，需要充分考虑变压器分接开关位置、变压器漏抗值、桥臂电抗器电感值的误差，还应该考虑系统的运行方式。根据分析，两端运行方式下和STATCOM运行方式下，B点和C点的电压相对更高。因此本章计算中，以云南—广东、云南—广西、广西—广东、STATCOM运行方式为主，相关设备参数误差考虑如下：
Ⅰ.换流变压器分接开关存在一个负档位偏差，而此时连接变压器电压比仍为额定电压比。
Ⅱ.换流变压器分接开关存在一个正档位偏差，而此时连接变压器电压比仍为额定电压比。
Ⅲ.换流变压器漏抗与桥臂电抗实际值处于最大正制造偏差，即漏抗（+5%），桥臂电抗（+3%）。
Ⅳ.换流变压器漏抗与桥臂电抗实际值处于最大负制造偏差，即漏抗（-5%），桥臂电抗（-3%）。
B点和C点的对地电位是由直流分量和工频分量叠加而成的，其大小与直流功率水平、换流器无功输出大小有关。图2.84所示为柳北换流站B点的对地电位随着直流功率水平的变化曲线，计算条件：云南—广西两端运行方式、输出额定无功功率、考虑Ⅰ+Ⅲ组合误差。可以看出，B点实际最大对地电位约为790kV。
图2.84 柳北换流站B点对地电压
2.龙门换流站
图2.85所示为龙门换流站C点的对地电位随着直流功率水平的变化曲线，计算条件：云南—广东两端运行方式、输出额定无功功率、考虑Ⅰ+Ⅲ组合误差。可以看出，C点实际最大对地电位约为814kV。
图2.85 龙门换流站C点对地电压
2.8.6 过负荷能力
对特高压混合多端直流技术方案的昆北换流站过负荷能力要求如下：在不额外增加换流站设备投资的前提下，云南送端2 h过负荷能力暂按额定输送容量的1.05倍考虑，暂态（3s）过负荷暂按额定输送容量的1.3倍考虑。直流系统运行时的过负荷能力与环境温度、备用冷却装置是否投入有关。
对于柳北换流站和龙门换流站，主要考虑有二倍频换流分量与无二倍频换流分量时，换流阀桥臂电流的最大有效值；同时按照大容量功率器件的额定电流值，结合换流阀厂家提供的技术参数，确定水冷却系统的设计可否将IGBT的结温控制在100℃以下，即低于器件允许的最大运行结温（一般为125℃），以确保系统运行安全。