高壓柔性直流輸電工程建設(shè)一次系統(tǒng)方案關(guān)鍵技術(shù)研究

劉　云，李庚銀，肖景良

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京　102206；2.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京　100028；

3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院，吉林長(zhǎng)春　130021)

Research on the Key Technologies of the Primary System Scheme of the VSC-HVDC Transmission ProjectLIU Yun1，2, LI Gengyin1, XIAO Jingliang3

(1．State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

(North China Electric Power University)，Beijing 102206, China; 2.The Smart Grid Research Institute of SGCC,

Beijing 100028, China;3. Northeast Electric Power Design Institute，Changchun 130021, China)

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高壓柔性直流輸電工程建設(shè)一次系統(tǒng)方案關(guān)鍵技術(shù)研究

劉云1，2，李庚銀1，肖景良3

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京102206；2.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京100028；

3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院，吉林長(zhǎng)春130021)

Research on the Key Technologies of the Primary System Scheme of the VSC-HVDC Transmission ProjectLIU Yun1，2, LI Gengyin1, XIAO Jingliang3

(1．State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

(North China Electric Power University)，Beijing 102206, China; 2.The Smart Grid Research Institute of SGCC,

Beijing 100028, China;3. Northeast Electric Power Design Institute，Changchun 130021, China)

0引言

柔性直流輸電技術(shù)具有提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，改善電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊[1-4]。系統(tǒng)研究柔性直流工程建設(shè)一次系統(tǒng)方案的輸電方式、起點(diǎn)和落點(diǎn)選擇、工程容量、直流電壓等級(jí)、接入電網(wǎng)交流電壓等級(jí)、工程建設(shè)方案、接地方案、聯(lián)接變壓器參數(shù)(包括：容量、變比、繞組聯(lián)接方式、短路阻抗等)、P-Q運(yùn)行區(qū)間、交流側(cè)短路電流和系統(tǒng)主接線等關(guān)鍵技術(shù),對(duì)推動(dòng)柔性直流技術(shù)研究和工程應(yīng)用具有重要意義[5-13]。

1工程背景

某地區(qū)面積227km2，是城市的核心區(qū)域，也是政治、經(jīng)濟(jì)中心和重要的軍事設(shè)施所在地。據(jù)預(yù)測(cè)，該地區(qū)2020年和遠(yuǎn)景年網(wǎng)供負(fù)荷分別達(dá)到1 110MW 和1 833MW。該區(qū)域重要負(fù)荷比例、負(fù)荷密度和負(fù)荷總量均比較高，且對(duì)供電可靠性和供電電壓質(zhì)量要求高。據(jù)預(yù)測(cè)，由于缺少大型電源，該地區(qū)一直保持缺電狀態(tài)，2020年及遠(yuǎn)景年最大缺電分別為932MW和1 655MW。

該地區(qū)有4座220kV和1座500kV變電站，由兩回220kV線路與兩回500kV線路供電。由于地理因素制約，上述4回線路約有3.8km采用同塔并架方式，且為兩座220kV變電站的唯一供電通道，見(jiàn)圖1橢圓圈標(biāo)注處。同塔并架4回線路是該地區(qū)電網(wǎng)最薄弱的環(huán)節(jié)，也是該地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)連接的唯一通道。當(dāng)遇到嚴(yán)重災(zāi)害天氣或特殊情況發(fā)生同塔四回路線路倒塔故障時(shí)，將出現(xiàn)大面積停電，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

圖1　地區(qū)電網(wǎng)存在問(wèn)題示意圖

2工程系統(tǒng)接入方案

該地區(qū)建設(shè)第二條輸電通道有助于消除電網(wǎng)隱患，加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高該地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。同時(shí)，還可提高相鄰部分電網(wǎng)可靠性。

2.1輸電方式

通過(guò)分析比較不同輸電方式對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)的適應(yīng)性，為確定輸電方式提供依據(jù)。

① 交流輸電方式。雖然，采用交流輸電方式可以提高近期電網(wǎng)供電可靠性和供電能力，但是，隨著臨近地區(qū)電網(wǎng)和負(fù)荷的發(fā)展，交流輸電方案的供電能力將逐步降低，難以從根本上長(zhǎng)期解決本地區(qū)電網(wǎng)供電可靠性問(wèn)題。

② 陸上電纜或架空線。若采用陸上電纜或架空線，則存在線路走廊征用和工程建設(shè)的巨大障礙，近期難以快速投運(yùn)、并及時(shí)發(fā)揮效益和功能。

③ 海底交流電纜。若采用海底交流電纜輸電，存在以下問(wèn)題:a.送受端電網(wǎng)為交流同步系統(tǒng)，潮流方向和大小由系統(tǒng)阻抗和電源分布決定，難以迅速和直接控制;b.該地區(qū)現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與地理環(huán)境無(wú)法滿足海底交流輸電模式所要求的兩端電網(wǎng)交流電壓相近的條件;c.輸電距離長(zhǎng)，交流電纜投資將高于直流電纜。

綜合以上條件，采用海底柔性直流電纜輸電方式建設(shè)第二條輸電通道方案具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。

2.2起點(diǎn)和落點(diǎn)

柔性直流輸電工程起點(diǎn)和落點(diǎn)選擇需綜合考慮多種因素。

① 起點(diǎn)選擇。工程起點(diǎn)選擇綜合考慮以下因素：a.可大范圍且直接接受區(qū)外電力；b.供電可靠性高；c.相應(yīng)電壓等級(jí)具備出線條件；d.電源選取方便；e.有利于縮短海底電纜長(zhǎng)度。

② 落點(diǎn)選擇。工程落點(diǎn)選擇考慮的因素與工程起點(diǎn)選擇相似。除此之外，它綜合考慮如下因素：a.盡量選擇靠近負(fù)荷中心和負(fù)荷增長(zhǎng)迅速區(qū)域，以便工程輸送電力就近消納；b.考慮土地資源十分稀缺的現(xiàn)實(shí)，直流工程落點(diǎn)選擇毗鄰大海，以便于直流電纜登陸。

2.3工程容量

工程容量的選擇綜合考慮供電可靠性、供電區(qū)電壓質(zhì)量、技術(shù)和裝備制造能力，并兼顧技術(shù)領(lǐng)先性。

根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，工程容量的選擇保證中期(2020年)在特殊情況下發(fā)生同塔四回線路倒塔故障事故時(shí)，地區(qū)正常供電及遠(yuǎn)期地區(qū)重要負(fù)荷的供電。為提高供電區(qū)電壓質(zhì)量，功率因數(shù)不低于0.9。

通過(guò)綜合分析，并結(jié)合推動(dòng)柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展的需求，本柔性直流輸電工程設(shè)計(jì)容量選擇1 000MW。

2.4直流電壓等級(jí)

換流閥容量及直流電纜制造水平是決定直流電壓等級(jí)的關(guān)鍵因素。

根據(jù)IGBT均壓均流技術(shù)現(xiàn)狀，流過(guò)換流閥的正常工作電流峰值需限制在IGBT模塊允許電流(約1.6kA)以下。國(guó)內(nèi)外已建及擬建的柔性直流工程直流電壓最高為±320kV，更高電壓等級(jí)直流電纜的相關(guān)技術(shù)及生產(chǎn)條件正在完善。

綜合考慮換流閥器件的電壓和電流容量及直流電纜的制造水平，該工程選擇±320kV直流電壓可行。

2.5接入電網(wǎng)交流電壓等級(jí)

根據(jù)供電區(qū)交流電網(wǎng)電壓序列，220kV和500kV均可作為送端和受端換流站交流側(cè)電壓的備選方案(以下分別稱為方案一和方案二)。兩種方案的比較情況如下:

① 方案一的設(shè)備投資低，工程造價(jià)低。

② 方案一電網(wǎng)間互供能力好。在地區(qū)交流電網(wǎng)事故情況下，可通過(guò)直流輸電向地區(qū)220kV交流電網(wǎng)供電，但會(huì)占用500kV主變?nèi)萘俊?/p>

③ 方案一可減少輸配電中的降壓環(huán)節(jié)，降低網(wǎng)損。尤其是受端交流電網(wǎng)，由于主要接受外部電力供應(yīng)，滿足地區(qū)供電需求，則這一優(yōu)勢(shì)更為明顯。

④ 方案二可實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)直接從500kV電網(wǎng)取電，供電可靠性較高。

通過(guò)綜合比較，送受端交流側(cè)采用220kV電壓的方案具有更大優(yōu)勢(shì)。

2.6工程建設(shè)方案

根據(jù)上述分析，提出如下建設(shè)方案：送端電網(wǎng)到受端電網(wǎng)建設(shè)一條柔性直流輸電線路(見(jiàn)圖2)，輸送容量 1 000MW，直流電壓±320kV，直流電纜長(zhǎng)約59.9km。送端換流站與220kV變電站合建；受端換流站與220kV變電站合建。同時(shí)，加強(qiáng)送端換流站相連220kV變電站與電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)；新建受端換流站至另一變電站2回220kV線路，長(zhǎng)度約為2×4.6km。此方案將為受端區(qū)域電網(wǎng)增加一條柔性直流外來(lái)電力輸電通道(見(jiàn)圖2)，從而徹底結(jié)束原受端地區(qū)電網(wǎng)全部5座變電站(4座220kV和1座500kV變電站)僅由一條輸電走廊供電，供電可靠性低的局面(見(jiàn)圖1)。

圖2　柔性直流工程建設(shè)方案示意圖

2.7接地方案

飽和電抗器對(duì)交流電流呈現(xiàn)高阻，而在通過(guò)直流電流時(shí)，能夠迅速飽和并呈現(xiàn)低感性狀態(tài)，因此，飽和電抗器接地方案在降低系統(tǒng)總體過(guò)電壓水平、降低絕緣要求等方面優(yōu)勢(shì)明顯。進(jìn)一步綜合權(quán)衡直流偏磁、系統(tǒng)損耗、占地面積、設(shè)備造價(jià)、制造難度等多種因素，與變壓器Yn高阻接地、高阻接地+放電間隙接地、變壓器Yn小電阻接地、接地變壓器接地、大電抗接地等5種常用系統(tǒng)接地方案比較，飽和電抗器是較為理想的接地方案，同時(shí)，該方案對(duì)飽和電抗器的容量和響應(yīng)速度均提出更高的要求。

3工程設(shè)備參數(shù)和方案

3.1聯(lián)接變壓器參數(shù)

① 容量。工程主要用于城市電網(wǎng)供電，直流線路傳輸功率等于交流輸送功率，因此，聯(lián)接變壓器容量選擇1 020MVA。

② 變比。工程聯(lián)接變閥側(cè)電壓選擇420kV。在變壓器交流側(cè)配置有載分接開關(guān)，以滿足無(wú)功支持和交流系統(tǒng)調(diào)壓需求。結(jié)合相關(guān)設(shè)備參數(shù)，有載分接開關(guān)調(diào)壓范圍設(shè)置為±8×1%。聯(lián)接變壓器變比設(shè)置為220±8×1%/420kV。

③ 繞組聯(lián)接。采用Y(一次側(cè))/D(二次側(cè))：抑制和隔離諧波和直流電流分量，同時(shí)抑制和隔離零序分量向交流系統(tǒng)傳遞。

④ 短路阻抗。通過(guò)綜合考慮多種因素，包括：閥臂和直流母線電流、換流器內(nèi)部壓降、換流器容量、諧波電流等，短路阻抗可設(shè)置為15%。

3.2P-Q運(yùn)行區(qū)間

基于25%的相等效連接電抗設(shè)計(jì)，考慮諧波抑制、橋臂環(huán)流抑制、直流故障電流上升抑制和系統(tǒng)閉環(huán)控制性能，采用空間矢量調(diào)制提高換流閥直流電壓利用率。該工程有功功率(P)-無(wú)功功功率(Q)的運(yùn)行區(qū)間見(jiàn)圖3。

圖3　換流站運(yùn)行區(qū)間

工程有功和無(wú)功出力間、功率因數(shù)與最大有功出力間的關(guān)系如下。

① 有功出力與無(wú)功出力。從圖3 可以看出，有功出力為零時(shí)，無(wú)功出力范圍為-1 000Mvar～310Mvar，見(jiàn)a點(diǎn)至b點(diǎn)間直線；有功出力1 000MW時(shí)，換流站最大發(fā)出無(wú)功180Mvar，見(jiàn)c點(diǎn)；有功出力850MW時(shí)，換流站最大發(fā)出無(wú)功226Mvar，見(jiàn)d點(diǎn)。

② 功率因數(shù)與最大有功出力。功率因數(shù)0.85時(shí)，最大有功出力446MW；功率因數(shù)0.90時(shí)，最大有功出力565MW；功率因數(shù)0.95時(shí)，最大有功出力747MW。

3.3交流側(cè)短路電流

交流側(cè)短路電流是工程設(shè)備選型，尤其是斷路器等設(shè)備的重要參考依據(jù)。按照遠(yuǎn)景年地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)部220kV線路解列，地區(qū)間220kV線路解列，對(duì)遠(yuǎn)景年該電網(wǎng)220kV以上變電站母線進(jìn)行短路電流計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：遠(yuǎn)景年送端和受端換流站及臨近變電站220kV母線三相短路電流均在40kA以內(nèi)。綜合考慮臨近變電站現(xiàn)有斷路器開斷水平，工程送端和受端新增斷路器短路水平均按50kA設(shè)計(jì)。

3.4系統(tǒng)主接線方案

結(jié)合高壓大容量柔性直流輸電需求和目前半導(dǎo)體功率器件容量水平，重點(diǎn)對(duì)比3種換流系統(tǒng)主接線技術(shù)方案：①雙回直流輸電方式；②子模塊IGBT并聯(lián)方式；③換流器并聯(lián)方式。

其中，雙回直流輸電方式在直流線路成本和控制容錯(cuò)能力方面不具優(yōu)勢(shì)。IGBT并聯(lián)方式下均流控制將引起額定電流下降，從而導(dǎo)致系統(tǒng)成本上升和可靠性降低；同時(shí)，該方案的控制容錯(cuò)能力有待進(jìn)一步提高。

注：QSx—斷路器； Qx—隔離開關(guān)；Rx—電阻；Fx—避雷器；LPx—直流分壓器；TAx—電流互感器；TMx—變壓器；TVx—電壓互感器圖4　換流器并聯(lián)方式主接線圖

綜合比較結(jié)果表明：方案③的換流器并聯(lián)方式技術(shù)成熟、方案可靠、控制靈活、系統(tǒng)容錯(cuò)能力強(qiáng)，是具有優(yōu)勢(shì)的主接線方案，見(jiàn)圖4。在該系統(tǒng)主接線方案中，換流器并聯(lián)點(diǎn)在直流側(cè)，交流側(cè)采用獨(dú)立的兩套線路。一方面，在一套交流系統(tǒng)故障后系統(tǒng)還能降功率運(yùn)行，從而提高了系統(tǒng)容錯(cuò)能力；另一方面，該方案有利于消除同端并聯(lián)換流器的內(nèi)部環(huán)流，降低控制復(fù)雜度，并提高運(yùn)行效率。

4總結(jié)

針對(duì)某地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際情況和發(fā)展需求提出第二輸電通道建設(shè)的柔性直流一次系統(tǒng)方案:

① 采用海底柔性直流電纜輸電方式建設(shè)第二條輸電通道方案具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)，有利于保證市區(qū)南部電網(wǎng)供電可靠性，并提高市區(qū)北部電網(wǎng)的可靠性。

② 直流輸電工程起點(diǎn)和落點(diǎn)選擇需要綜合考慮電源選取、電纜長(zhǎng)度、負(fù)荷分布等多種因素。

③ 直流電壓選擇±320kV符合換流閥器件的電壓和電流容量及直流電纜的制造水平。

④ 送、受端交流側(cè)采用220kV電壓方案在工程造價(jià)、電網(wǎng)間互供能力、減少降壓環(huán)節(jié)等方面具有綜合比較優(yōu)勢(shì)。

⑤ 對(duì)6種常用的直流系統(tǒng)接地方案在過(guò)電壓和絕緣、直流偏磁、系統(tǒng)損耗、占地面積、設(shè)備造價(jià)、制造難度等方面進(jìn)行分析和綜合權(quán)衡。

⑥ 聯(lián)接變壓器容量選擇1 020 MVA，變比設(shè)置為220±8×1%/420kV，繞組聯(lián)接采用Y(一次側(cè))/D(二次側(cè))，短路阻抗可設(shè)置為15%。

⑦ 工程送端和受端新增斷路器短路水平可按50kA設(shè)計(jì)。

⑧ 換流器并聯(lián)方式是具有綜合優(yōu)勢(shì)的主接線方案。

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劉云(1974—)，女，高級(jí)工程師，博士研究生，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)及直流輸電等，E-mail:liuyuncepri@sina.com；

李庚銀(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)分析與控制，先進(jìn)輸變電技術(shù)，電力經(jīng)濟(jì)等;

肖景良(1983—)，男，工程師，碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)、直流輸電、新能源發(fā)電等。

(責(zé)任編輯：楊秋霞)

摘要：基于電網(wǎng)實(shí)際情況和發(fā)展需求，系統(tǒng)分析和總結(jié)某地區(qū)采用柔性直流輸電建設(shè)第二條輸電通道的一次系統(tǒng)方案的關(guān)鍵技術(shù)，包括：輸電方式、起點(diǎn)和落點(diǎn)選擇、工程容量、直流電壓等級(jí)、接入電網(wǎng)交流電壓等級(jí)、工程建設(shè)方案、接地方案、聯(lián)接變壓器參數(shù)(包括：容量、變比、繞組聯(lián)接方式、短路阻抗等)、PQ運(yùn)行區(qū)間、交流側(cè)短路電流和系統(tǒng)主接線等。柔性直流一次系統(tǒng)方案的研究和總結(jié)對(duì)推動(dòng)柔性直流技術(shù)研究和工程應(yīng)用具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：柔性直流工程；一次系統(tǒng)；輸電通道;方案

Abstract：Based on the application and development requirements of power grid, the key technologies of the primary systems of the VSC-HVDC project for the second transmission channel are researched. The key technologies include electricity transmission mode, location of the sending and receiving substation, project capacity, DC voltage level, AC voltage level of the integration grid, project construction scheme, ground scheme, the parameters of the transformer (including capacity, transformation ratio, winding connection，short-circuit impedance，etc.), P-Q operation zone, the AC short-circuit current, the main electrical scheme, etc. The work in this paper has important referencing value for research and project application of VSC-HVDC projects.

Keywords：VSC-HVDC；the primary systems；transmission channel;scheme

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2014-06-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA050101);國(guó)網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5455DD150008，5455DD150015)

文章編號(hào)：1007-2322(2015)03-0076-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TM722