舟山多端柔性直流工程系統(tǒng)方案

馬玉龍，馬為民，陳東，蔣維勇，吳方劼，梅念，余世峰

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市100052)

0 引言

由于采用了全控型電力電子器件，柔性直流輸電解決了常規(guī)直流輸電的諸多固有問題，如對(duì)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制，不需要無功補(bǔ)償設(shè)備，無須交流系統(tǒng)支撐完成換相等，在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、多端直流輸電以及城市配電網(wǎng)增容改造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景［1-3］。

1997年，世界上第一個(gè)柔性直流輸電工程(He?llsj?n工程)成功運(yùn)行，此后柔性直流輸電技術(shù)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢，工程容量已從最初的MW級(jí)發(fā)展到GW級(jí)，直流電壓等級(jí)從10 kV提升到500 kV。近年來，我國加快了柔性直流輸電技術(shù)的研發(fā)力度和工程建設(shè)。2011年，由我國自主建設(shè)的柔性直流工程——上海南匯柔性直流輸電科技示范工程投入運(yùn)行。

舟山多端柔性直流輸電示范工程為五端系統(tǒng)，各換流站分別位于舟山本島(定海)、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島。工程直流電壓等級(jí)為±200 kV，各換流站容量分別為定海換流站400 MW、岱山換流站300 MW、衢山換流站100 MW、洋山換流站100 MW、泗礁換流站100 MW。各換流站間采用電纜連接，電纜總長為140 km。

舟山工程各換流站將接入現(xiàn)有舟山電網(wǎng)，其中定海換流站以1回220 kV線路接入220 kV舟北變，岱山換流站以1回220 kV線路接入220 kV蓬萊變，衢山換流站以1回110 kV線路接入110 kV大衢變，洋山換流站以1回110 kV線路接入110 kV沈家灣變，泗礁換流站以1回110 kV線路接入110 kV嵊泗變。換流站與交流變電站間的線路、所接入的變電站的交流間隔均配套建設(shè)。

舟山工程各換流站采用基于模塊化多電平技術(shù)的電壓源換流器［4-5］。模塊化多電平換流器可大大減小單個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的開關(guān)頻率，降低換流閥的功率損耗，使大容量柔性直流技術(shù)的工程化推廣具備可能。舟山多端柔性直流工程建成后對(duì)于加強(qiáng)舟山群島各海島間的電氣聯(lián)系，增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，解決海上風(fēng)電接入問題，提高供電可靠性等都有重要意義。

1 換流站主接線

舟山柔性直流工程的地理接線圖如圖1所示。換流閥采用半橋式模塊化多電平換流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。橋臂中的每個(gè)子模塊可以獨(dú)立控制，每相上、下2個(gè)橋臂的電壓和等于直流母線電壓。交流電壓由每相中2個(gè)橋臂的子模塊旁路比例控制，橋臂中的子模塊越多，交流電壓的諧波越小。每個(gè)橋臂裝設(shè)橋臂電抗器，用于抑制故障電流的快速上升。定海、洋山換流站的主接線如圖3、4所示，其他換流站的主接線與此類似。

圖1 舟山工程地理接線圖Fig.1 Geographical connection of Zhoushan project

圖2 半橋式模塊化多電平電壓源換流器Fig.2 Half-bridge MMC VSC

2 多端系統(tǒng)運(yùn)行方式

舟山電網(wǎng)的主要電源點(diǎn)位于舟山本島(定海)，岱山等其他島嶼均通過交流220 kV或110 kV交流線路供電。建設(shè)舟山柔性直流工程的主要目的是滿足各島嶼用電負(fù)荷增長的需要，以及交流線路故障時(shí)向各島嶼供電。因此，柔性直流工程投運(yùn)后主要的運(yùn)行方式是定海站作為送電端，其他4個(gè)換流站作為受電端。當(dāng)定海站退出運(yùn)行時(shí)，考慮到舟山本島與岱山島間通過交流220 kV連接，岱山站將作為送電端，其他3個(gè)換流站作為受電端。

圖3 定海換流站主接線圖Fig.3 Main wiring diagram of Dinghai converter station

圖4 洋山換流站主接線圖Fig.4 Main wiring diagram of Yangshan converter station

本工程除了考慮上述主要的運(yùn)行方式外，為增加運(yùn)行的靈活性，發(fā)揮多端柔性直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢，也保留其他運(yùn)行方式。對(duì)于并聯(lián)型五端系統(tǒng)，其運(yùn)行方式可分為五端、四端、三端、二端及STATCOM 這五大類，理論上共有27種運(yùn)行方式，但正常運(yùn)行時(shí)衢山站和泗礁站不配置接地點(diǎn)，因此不考慮衢山站與泗礁站兩端的運(yùn)行方式，實(shí)際共有26種運(yùn)行方式，詳見表1。

受本工程模塊化多電平換流器主接線技術(shù)特點(diǎn)的限制，不考慮單極運(yùn)行方式。

3 換流站功率圓圖與主回路參數(shù)

換流站功率圓圖(即PQ圓圖)指換流站與交流系統(tǒng)交換有功和無功的能力。繪制PQ圓圖的限制條件包括聯(lián)接變?nèi)萘?、調(diào)制比范圍、電纜等設(shè)備的通流能力等。以定海站為例，其PQ圓圖如圖5所示。

設(shè)計(jì)得到的各換流站橋臂電抗器、聯(lián)接變等設(shè)備的參數(shù)見表2、3。

4 控制保護(hù)策略

對(duì)于舟山五端系統(tǒng)，換流站控制保護(hù)［6-11］可分為系統(tǒng)級(jí)控制、換流站級(jí)控制與換流閥級(jí)控制。系統(tǒng)級(jí)控制確定柔性直流工程各個(gè)換流站的控制目標(biāo)與相互配合關(guān)系，換流站級(jí)控制確定站內(nèi)的控制策略，而換流閥級(jí)控制產(chǎn)生換流閥基本模塊的觸發(fā)脈沖。

4.1 系統(tǒng)級(jí)控制策略

系統(tǒng)級(jí)控制策略主要從調(diào)度要求與直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行角度，確定多端系統(tǒng)的整體控制策略與各換流站的控制目標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)中有3個(gè)以上的換流站運(yùn)行時(shí)可采用基于直流電壓偏差控制的控制策略，其基本思想是選擇某一換流站主控直流電壓，并自動(dòng)平衡系統(tǒng)的有功功率;對(duì)于其他換流站主控功率，也設(shè)置直流電壓控制器，其直流電壓指令值依次增加1個(gè)偏差帶，這樣可以確保任何情況下整個(gè)系統(tǒng)的直流電壓都可控，并且只被1個(gè)換流站控制。當(dāng)無站間通信時(shí)，基于電壓偏差控制的控制策略也能很好地維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)為五端換流站運(yùn)行時(shí)，定海換流站的容量最大，平衡系統(tǒng)功率的能力最強(qiáng)，因此選擇定海站作為直流電壓主控站，岱山站次之，圖6為基于電壓偏差控制的控制策略示意圖。

表1 舟山工程運(yùn)行方式Tab.1 Operation modes of Zhoushan project

圖5 定海站換流器PQ圓圖Fig.5 PQ diagram of Dinghai converter station

表2 各換流站橋臂電抗器參數(shù)

表3 各換流站聯(lián)接變參數(shù)

圖6 基于電壓偏差控制的控制策略Fig.6 Control strategy based on voltage offset control

基于電壓偏差的控制策略主要適用于站間通信不正常時(shí)的直流電壓控制，在通信正常時(shí)當(dāng)定電壓控制的換流站失去電壓控制時(shí)可以通知其他換流站接管直流電壓控制，并將直流電壓控制在額定值。

電壓控制權(quán)的轉(zhuǎn)移主要有2種情況，一種是因直流系統(tǒng)的功率過剩導(dǎo)致的直流電壓升高，另一種是直流系統(tǒng)的功率不足導(dǎo)致的直流電壓下降。當(dāng)多端系統(tǒng)中從直流系統(tǒng)汲取功率的換流站退出或汲取功率減小，或者向直流系統(tǒng)供給功率的換流站功率增大時(shí)，若定電壓換流站向直流系統(tǒng)不能再增加所汲取的功率，直流系統(tǒng)的功率將出現(xiàn)缺額，從而引起直流電壓的下降。當(dāng)多端系統(tǒng)中向直流系統(tǒng)供給功率的換流站退出或供給功率減小，或者從直流系統(tǒng)汲取功率的換流站功率增大時(shí)，若定電壓換流站向直流系統(tǒng)不能再增加所供給的功率，直流系統(tǒng)的功率將出現(xiàn)缺額，從而引起直流電壓的下降。

在本工程中，最有可能發(fā)生的是因直流電壓下降引起的電壓控制權(quán)轉(zhuǎn)移。例如，假定定海換流站向直流系統(tǒng)注入功率，其他4個(gè)換流站從直流系統(tǒng)汲取功率。若定海換流站退出運(yùn)行，直流電壓會(huì)下降，則超過直流電壓死區(qū)值后岱山換流站會(huì)接管電壓控制權(quán)，從而維持直流電壓的穩(wěn)定。若任一汲取功率的換流站退出運(yùn)行或功率定值減小，則定海換流站會(huì)自動(dòng)減少功率以維持直流電壓的穩(wěn)定。

在運(yùn)行過程中，換流站的功率出力都要受換流器容量、過負(fù)荷水平等因素的限制，因此有些情況下有可能通過多次電壓控制權(quán)的轉(zhuǎn)移才能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。例如在岱山 300 MW、衢山 100 MW、泗礁100 MW、洋山100 MW四端系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如果岱山站退出運(yùn)行，由于其他換流站的容量較小，發(fā)生一級(jí)電壓控制權(quán)的轉(zhuǎn)移后系統(tǒng)仍不能保持功率平衡，當(dāng)發(fā)生第二級(jí)電壓控制權(quán)轉(zhuǎn)移后系統(tǒng)才能穩(wěn)定。

若所連接的交流系統(tǒng)為無源系統(tǒng)或交流系統(tǒng)很弱，例如洋山島失去與舟山本島、岱山島的交流線路聯(lián)系，則該換流站應(yīng)進(jìn)入頻率控制，以滿足向無源系統(tǒng)送電的要求。

以上分析了本工程有功類控制目標(biāo)的選取。對(duì)于電壓源型換流器而言，還具備無功類目標(biāo)的控制，如與系統(tǒng)交換的無功、交流電壓。各換流站可以根據(jù)需要選擇無功或交流電壓作為控制目標(biāo)。

4.2 換流站級(jí)控制策略

換流站級(jí)控制策略執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)控制策略產(chǎn)生的有功類和無功類指令，并產(chǎn)生換流器級(jí)控制的指令，如調(diào)制電壓。本工程推薦采用基于dq變換的直接電流控制策略，該控制策略在柔性直流工程以及電壓源換流器控制中得到廣泛應(yīng)用?；赿q變換的直接電流控制實(shí)現(xiàn)了有功類控制目標(biāo)與無功類控制目標(biāo)的解耦，其d軸控制器以有功類指令為控制目標(biāo)，q軸控制器以無功類指令為控制目標(biāo)，d軸與q軸的矢量和為最終輸出指令。d軸和q軸控制器均采用外環(huán)控制器與內(nèi)環(huán)控制器嵌套的結(jié)構(gòu)。換流站級(jí)控制還應(yīng)具備抑制橋臂環(huán)流的能力。

聯(lián)接變壓器分接頭的控制策略為控制換流器的調(diào)制比，使調(diào)制比位于死區(qū)范圍內(nèi)。當(dāng)調(diào)制比超過上限值時(shí)調(diào)低聯(lián)接變閥側(cè)電壓，低于下限值時(shí)調(diào)高聯(lián)接變閥側(cè)電壓。圖7為換流站級(jí)控制策略示意圖。

圖7 換流站級(jí)控制策略Fig.7 Control strategy of converter station level

4.3 換流器級(jí)控制策略

換流器級(jí)控制策略執(zhí)行換流站級(jí)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓調(diào)制波形，產(chǎn)生換流器橋臂子模塊導(dǎo)通及關(guān)斷的指令。采用最近電平控制(nearest level control，NLC)可以根據(jù)電壓調(diào)制波形產(chǎn)生相應(yīng)的子模塊開通數(shù)量。換流器級(jí)控制中，應(yīng)使各子模塊的開關(guān)頻率盡可能低，從而降低損耗，同時(shí)應(yīng)采取合適的策略確保同一橋臂的各子模塊電容電壓相對(duì)均衡，減小相間環(huán)流。

4.4 直流保護(hù)配置

直流保護(hù)的范圍為聯(lián)接變閥側(cè)至直流電纜區(qū)域，直流保護(hù)配置如圖8所示。換流閥器件級(jí)的保護(hù)，如IGBT過流保護(hù)、子模塊過壓保護(hù)等由閥控承擔(dān)。直流保護(hù)動(dòng)作后應(yīng)閉鎖換流器，跳開交流進(jìn)線開關(guān)，打開直流側(cè)隔刀，退出包括聯(lián)接變在內(nèi)的所有直流設(shè)備。

圖8 換流站保護(hù)配置Fig.8 Protection configuration of converter station

5 結(jié)論

舟山柔性直流工程采用半控型模塊化多電平換流器技術(shù)，可顯著降低直流工程損耗。舟山五端柔性直流工程直流電壓等級(jí)為±200 kV，換流器總?cè)萘繛? 000 MW，采用直流電纜互聯(lián)，工程建成后將進(jìn)一步改善舟山群島的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)供電的可靠性。

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