大連柔性直流輸電工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬為民，蔣維勇，李亞男

（國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052）

0 引 言

規(guī)劃中的大連跨海柔性直流輸電重大科技示范工程是目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大的柔性直流工程，工程的建成將實(shí)現(xiàn)對(duì)大連南部地區(qū)雙通道環(huán)網(wǎng)供電，徹底解決大連市區(qū)南部電網(wǎng)第二路電源問題，提高供電可靠性［5］。國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院于2012年開展大連柔性直流輸電工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)，明確了該工程送、受端換流站的主要系統(tǒng)方案，包括主接線、基本運(yùn)行方式與控制模式、絕緣配合方案、主設(shè)備技術(shù)參數(shù)等。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充分吸收采納了國(guó)內(nèi)外柔性直流輸電領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)及理念，同時(shí)通過與設(shè)備制造廠商進(jìn)行廣泛的技術(shù)研討，優(yōu)化了設(shè)備參數(shù)，推動(dòng)了柔性直流輸電設(shè)備的研發(fā)。

1 直流系統(tǒng)主接線

大連跨海柔性直流輸電工程直流輸送容量1000MW，直流電壓±320kV，直流電流1600A。新建柔性直流換流站2座，分別為淮河換流站和港東換流站。新建淮河—港東±320kV直流電纜線路一回，線路全長(zhǎng)59.2km，其中海底電纜路徑長(zhǎng)46km，陸地電纜路徑長(zhǎng)度13.2km?；春訐Q流站的主接線如圖1所示，采用三相橋式全控整流接線，通過Y Y0／Δ聯(lián)結(jié)變壓器接入換流母線。聯(lián)結(jié)變壓器閥側(cè)串聯(lián)接入啟動(dòng)電阻以限制啟動(dòng)時(shí)刻的沖擊電流。換流閥采用模塊化多電平設(shè)計(jì)，每個(gè)閥由約350個(gè)結(jié)構(gòu)相同的換流閥子模塊串聯(lián)而成，每個(gè)橋臂均由橋臂電抗器和閥串聯(lián)而成，在直流正負(fù)極線均串聯(lián)了直流電抗器以限制故障電流對(duì)換流閥的沖擊，港東換流站主接線方案同淮河換流站。大連工程可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向輸送，從淮河站送港東站為功率正送方式；從港東站送淮河站為功率反送方式。

圖1 淮河換流站主接線示意圖Fig.1 Wiring diagram of Huaihe Converter Station

2 主回路參數(shù)設(shè)計(jì)

主回路參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)需要的運(yùn)行功率范圍、電壓水平和主要控制參數(shù)及控制策略，計(jì)算所需的聯(lián)結(jié)變壓器、換流閥、橋臂電抗器、直流電抗器等設(shè)備的主要參數(shù)。在這一過程中，要結(jié)合可關(guān)斷器件的通流和耐壓能力、設(shè)備造價(jià)、允許的直流紋波等對(duì)設(shè)備主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，主回路參數(shù)設(shè)計(jì)需要計(jì)算不同運(yùn)行工況下的柔性直流穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)和各換流站的功率運(yùn)行圓圖（PQ圓圖），明確柔性直流工程各換流站的功率運(yùn)行范圍。

2.1 功率運(yùn)行范圍要求

大連柔性直流工程具有正送和反送能力。有功、無功結(jié)算點(diǎn)均位于聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)。2側(cè)換流站的有功功率的運(yùn)行范圍均為［－1000MW，1000MW］。根據(jù)大連電網(wǎng)的實(shí)際情況，2側(cè)交流系統(tǒng)均希望直流系統(tǒng)具有500Mvar的無功提供能力和400Mvar的無功吸收能力，要在各種運(yùn)行條件下均滿足無功提供能力的要求是困難的，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，結(jié)合交流系統(tǒng)實(shí)際和設(shè)備制造能力的限制，在下列2個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化：

（1）根據(jù)交流系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，當(dāng)換流站換流母線電壓為最小穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓時(shí)，換流站從系統(tǒng)吸收無功是不合理的；反之，當(dāng)換流母線電壓為最高穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓時(shí)，換流站也無需向系統(tǒng)注入無功。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中換流站的無功變化范圍根據(jù)系統(tǒng)電壓無功的實(shí)際控制要求進(jìn)行了優(yōu)化，提出圖2所示的大連柔性直流工程換流站無功提供／吸收能力與交流電壓的關(guān)系。

圖2 無功交換能力與交流電壓的關(guān)系Fig.2 Relation between reactive power exchange and AC voltage

（2）柔性直流換流閥的最大通流能力為1.8kA。直流輸送額定功率時(shí)，不同無功功率對(duì)應(yīng)的換流閥電流見表1。由表1可見，在直流大功率運(yùn)行時(shí)，如果無功功率較大，則換流閥電流將越限。因此，在輸送功率為1000MW時(shí)，不要求換流站提供或者吸收無功功率；在輸送功率為800MW 時(shí)，具備300 Mvar的無功提供和吸收能力，當(dāng)輸送功率小于600 MW時(shí)，具備500 Mvar的無功提供能力和400 Mvar的無功吸收能力，確保換流閥電流在設(shè)備承受范圍內(nèi)。換流站各種有功功率運(yùn)行情況下的無功提供能力如圖3所示，圖中功率輸送方向由換流站至系統(tǒng)為正。

在灰?guī)r裂隙中運(yùn)動(dòng)的地下水，其中侵蝕性CO2會(huì)使石灰?guī)r的主要成分CaCO3、MgCO3被溶蝕，使得水中出現(xiàn)較多的Ca2+、Mg2+和HCO3-離子含量，產(chǎn)生一定的碳酸鹽硬度。而灰?guī)r中硬石膏的溶濾是地下水中SO42-含量增高的主要因素。

表1 不同功率情況下的換流閥電流Tab.1 Converter valve current under different power

圖3 換流站各種有功功率情況下的無功提供能力Fig.3 Reactive power supply capacity under different active power in converter station

2.2 控制策略

柔性直流輸電系統(tǒng)各換流站均具有有功和無功四象限運(yùn)行的能力，即有功和無功是解耦控制的［6－7］。通常情況下，由送端控制直流電壓，另外一站控制有功功率。同時(shí)，2站可以分別根據(jù)交流系統(tǒng)的要求控制換流母線的交流電壓或與交流系統(tǒng)的無功交換。以淮河站整流運(yùn)行為例，該站采用定直流電壓控制，控制直流電壓為額定電壓±320kV，此時(shí)港東站采用定有功功率控制，控制聯(lián)結(jié)變壓器網(wǎng)側(cè)出口功率為指定功率。2端換流站均可以采用定交換無功控制或者定交流母線電壓控制模式，通過調(diào)節(jié)調(diào)制波幅值使得交直流系統(tǒng)交換無功功率為設(shè)定值，或者控制交流母線電壓為設(shè)定值。

通過聯(lián)結(jié)變壓器分接頭控制，使調(diào)制比范圍內(nèi)為［0.75，0.95］，直到分接頭達(dá)到上、下限為止。淮河站和港東站的額定調(diào)制比均為0.9。

2.3 主設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.3.1 換流閥

大連柔性直流工程換流閥采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)［8］，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在模塊化多電平換流閥子模塊中，子模塊電容器的大小直接決定著子模塊輸出電壓的紋波，進(jìn)而決定了直流電壓的紋波［8－10］。子模塊電壓的波動(dòng)和子模塊電容存儲(chǔ)的能量的波動(dòng)成比例，子模塊電容器存儲(chǔ)的能量可根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］推導(dǎo)過程得到。根據(jù)絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）的耐壓能力以及考慮冗余等方面，大連柔性直流工程每個(gè)橋臂的換流閥擬選擇由350個(gè)子模塊串聯(lián)而成。本工程考慮直流電壓波動(dòng)不高于5%額定電壓，根據(jù)直流電壓的波動(dòng)要求，計(jì)算得到淮河站和港東站子模塊電容器參數(shù)最小值都是17mF。

圖4 模塊化多電平換流閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of modular multilevel converter valve

另外，由于直流側(cè)安裝直流電抗器，這在一定程度上會(huì)削減電壓波動(dòng)，因此可以考慮適當(dāng)減小電容器的大小，實(shí)際子模塊的電容值取10mF。

2.3.2 橋臂電抗器

橋臂電抗器是電壓源換流站的一個(gè)重要部分，是主要的換相電抗設(shè)備，換流器也是通過橋臂電抗器實(shí)現(xiàn)有功和無功的控制。橋臂電抗器參數(shù)的選擇綜合考慮二倍頻環(huán)流抑制要求、電流響應(yīng)速度、故障電流抑制、無功提供能力等方面的因素。橋臂電抗器參數(shù)選擇還要經(jīng)過無功以及動(dòng)態(tài)性能仿真的驗(yàn)證。綜合考慮各方面因素，大連柔性直流工程橋臂電抗器為干式電抗器，每個(gè)橋臂1臺(tái)，每臺(tái)橋臂電抗器的電感值為85mH。

2.3.3 聯(lián)結(jié)變壓器

聯(lián)結(jié)變壓器在柔性直流輸電工程中的作用主要是在閥側(cè)形成與換流閥直流側(cè)匹配的電壓同時(shí)能夠提供部分換相電抗。本工程聯(lián)結(jié)變壓器為單相三繞組油浸式，單臺(tái)額定容量341MVA，聯(lián)結(jié)變壓器容量的確定考慮了聯(lián)結(jié)變壓器和橋臂電抗器損耗，特別是無功損耗。網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)額定電壓為230、341.3kV，淮河換流站和港東換流站均以整流輸送1000MW，系統(tǒng)無功交換0Mvar作為額定運(yùn)行狀態(tài)確定聯(lián)結(jié)變壓器額定變比。聯(lián)結(jié)變壓器采用Y／Y0／Δ接法，其中，第3繞組為阻尼繞組。聯(lián)結(jié)變壓器額定短路阻抗15%。分接頭檔位范圍10／－2，分接頭級(jí)差1.25%，分接頭檔位考慮了交流母線的穩(wěn)態(tài)電壓變化范圍、直流電壓的波動(dòng)范圍和測(cè)量誤差等，以使柔性直流系統(tǒng)滿足各種工況下的功率運(yùn)行范圍要求。

2.3.4 直流電抗器

直流電抗器主要起到抑制直流側(cè)短路電流和限制子模塊電流變化率的作用，其參數(shù)與橋臂電抗器的參數(shù)應(yīng)相互適應(yīng)配合，還能起到抑制直流紋波的作用。直流平抗型式為干式、空心，單臺(tái)直流平抗的電感為80mH。額定直流電壓320kV，直流電流1600A。

2.3.5 啟動(dòng)電阻

為了保證換流閥及其他一次設(shè)備的安全，柔性直流輸電系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需限制啟動(dòng)電流；充電電流不超過額定電流的50%，同時(shí)應(yīng)對(duì)充電時(shí)間進(jìn)行限制。啟動(dòng)電阻的阻值取7kΩ。

2.4 換流站的運(yùn)行范圍

主設(shè)備參數(shù)確定后，柔性直流工程換流站的功率運(yùn)行范圍就隨之確定了。采用PQ圓圖表示柔性直流換流站的功率運(yùn)行范圍，即注入交流系統(tǒng)的有功和無功的能力。圖5為在分接頭配合下，交流母線電壓在220－235kV內(nèi)，大連柔性直流工程淮河換流站的PQ功率圓圖，即當(dāng)交流母線電壓在220235kV內(nèi)變化時(shí)，柔性系統(tǒng)淮河換流站可以在圖5曲線內(nèi)部任意一點(diǎn)運(yùn)行。

圖5 淮河換流站運(yùn)行功率范圍Fig.5 Operating power range in Huaihe Converter Station

根據(jù)設(shè)計(jì)，當(dāng)交流母線電壓高于235kV，換流站提供無功能力逐步降低，當(dāng)換流母線電壓低于220kV時(shí)，換流站吸收無功能力逐步降低，表2給出了換流母線電壓為235、242kV時(shí)淮河換流站的無功提供能力和換流母線電壓為220、213kV時(shí)淮河換流站的無功吸收能力。

2.5 換流站運(yùn)行特性

淮河換流站換流母線為230kV、直流運(yùn)行電壓為320kV時(shí)的各種運(yùn)行狀態(tài)如表3所示。

當(dāng)交流電壓或其他運(yùn)行條件變化導(dǎo)致調(diào)制比超出［0.75，0.95］時(shí)，通過聯(lián)結(jié)變壓器分接頭檔位調(diào)整使調(diào)制比回到正常范圍內(nèi)。

3 換流站絕緣配合方案

3.1 絕緣配合的原則

?

?

柔性直流換流站的絕緣配合原則與常規(guī)換流站一樣，參考絕緣配合的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)確定［11－13］。在考慮避雷器保護(hù)時(shí)，交流側(cè)的過電壓應(yīng)盡可能由裝在交流側(cè)的避雷器保護(hù)，直流側(cè)的過電壓應(yīng)由裝在聯(lián)接變壓器直流側(cè)的避雷器組合加以限制。換流設(shè)備的關(guān)鍵部件應(yīng)由與該部件緊密相連的避雷器直接保護(hù)，在絕緣裕度的選擇上，盡可能根據(jù)運(yùn)行電壓，選擇標(biāo)準(zhǔn)的避雷器額定參數(shù)及保護(hù)水平，設(shè)備的絕緣水平也按照該電壓等級(jí)選取。

大連柔性直流工程避雷器的配置方案如圖1所示，其中：直流電抗器線路側(cè)設(shè)備由直流極線避雷器（D）保護(hù)；閥頂區(qū)域設(shè)備由閥頂避雷器（DL）保護(hù)；換流閥與橋臂電抗器由閥低避雷器（VL）保護(hù)；聯(lián)結(jié)變壓器閥側(cè)及相關(guān)設(shè)備由閥側(cè)交流母線避雷器（AV）保護(hù)；聯(lián)結(jié)變壓器交流側(cè)母線及設(shè)備由交流避雷器（A）保護(hù)。

3.2 避雷器參數(shù)

換流站過電壓由外部或內(nèi)部的原因引起，引起過電壓的外部因素有交流系統(tǒng)開關(guān)操作、故障清除、雷擊和甩負(fù)荷等，這些事件一般不會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運(yùn)。引起過電壓的內(nèi)部因素有直流系統(tǒng)內(nèi)（包括電源部分）的接地故障、短路以及控制故障，這些故障可能會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)停運(yùn)。對(duì)于柔性直流換流站，考慮的故障包括交流側(cè)母線及聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)短路、直流平抗及線路短路故障等。根據(jù)過電壓仿真的結(jié)果，可以確定換流站各避雷器的參考電壓及保護(hù)水平如表4所示。

表4 換流站避雷器參數(shù)及保護(hù)水平Tab.4 Protective levels and parameters of

3.3 設(shè)備絕緣水平

設(shè)備絕緣裕度參照常規(guī)直流工程及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取［12－13］，本工程確定的設(shè)備絕緣裕度按不小于表5所示的值考慮。

表5 設(shè)備絕緣裕度Tab.5 Insulation margin of equipment

根據(jù)避雷器的參數(shù)和設(shè)備絕緣水平，最終確定的設(shè)備絕緣水平如表6所示。

表6 換流站保護(hù)水平及設(shè)備絕緣保護(hù)水平Tab.6 Protection level of converter station and insulation protection levels of equipment

4 結(jié) 論

大連跨海柔性直流輸電工程主接線采用三相橋式全控整流接線，聯(lián)結(jié)變采用Y／Y0／Δ繞組接線方式，換流閥采用模塊化多電平設(shè)計(jì)，橋臂電抗器采用干式電抗器。通過主回路參數(shù)設(shè)計(jì)，工程具有1000 MW的有功功率雙向傳輸能力；當(dāng)換流母線交流電壓為220235 kV，輸送有功功率為1000 MW時(shí)，具備提供34 Mvar無功的能力和吸收211 Mvar無功的能力；在同樣的電壓范圍內(nèi)，輸送有功功率為800 Mvar時(shí)，具備提供481 Mvar無功的能力和吸收515 Mvar無功的能力；在同樣的電壓范圍內(nèi)，當(dāng)輸送功率小于600 Mvar時(shí)，具備提供528 Mvar無功的能力和吸收416 Mvar無功的能力。較強(qiáng)的無功提供能力為大連電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的無功支持。通過絕緣配合研究，確定了聯(lián)結(jié)變壓器閥側(cè)、橋臂電抗器閥側(cè)、直流電抗器閥側(cè)等所有節(jié)點(diǎn)的絕緣水平，為換流閥、直流電纜等設(shè)備的研制奠定了基礎(chǔ)。大連跨海柔性直流工程設(shè)計(jì)是我國(guó)首次獨(dú)立完成的柔性直流工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)，填補(bǔ)了我國(guó)在柔性直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的空白，標(biāo)志著我國(guó)柔性直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)站在世界前列。

［1］IEC62543 DC transmission using voltage sourced converters［S］.

［2］Marquardt R，Lesnicar A.New concept for high voltage－modular multilevel converter［C］／／IEEE Power Electronics Specialists Conference（PESC2004）.Aachen，Germany：IEEE.2004：5.

［3］Marquardt R，Lesnicar A，Hildinger J.Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung beihohen Spannungen［C］／／ ETGFachtagung 2002.Bad Nauheim.2002：7.

［4］王姍姍，周孝信，湯廣福，等.交流電網(wǎng)強(qiáng)度對(duì)模塊化多電平換流器 HVDC 運(yùn)行特性的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（2）：17－24.

［5］東北電力設(shè)計(jì)院.大連跨海柔性直流工程可行性研究報(bào)告［R］.長(zhǎng)春：東北電力設(shè)計(jì)院，2012.

［6］趙巖，胡學(xué)浩，湯廣福，等.模塊化多電平變流器HVDC輸電系統(tǒng)控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（25）：35－39.

［7］劉鐘淇，宋強(qiáng)，劉文華.基于模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（2）：53－57.

［8］Lesnicar A，Marquardt R.An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range［C］／／Power Tech Conference 2003.Bologna，Italy：IEEE，2003：6.

［9］王姍姍，周孝信，湯廣福，等.模塊化多電平HVDC輸電系統(tǒng)子模塊電容值的選取和計(jì)算［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（1）：26－32.

［10］管敏淵，徐政.模塊化多電平換流器子模塊故障特性和冗余保護(hù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（16）：94－97.

［11］GB311.1—1997絕緣配合：第1部分定義、原則和規(guī)則［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

［12］GB／T28541—2012±800 kV高壓直流換流站設(shè)備的絕緣配合［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［13］IEC 60071—5 Procedures for high－voltage direct current（HVDC）converter stations［S］.