串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)溲芯?/h1>

2018-10-12 08:24:14馬云龍楊建明王永平趙文強(qiáng)

電力工程技術(shù)訂閱 2018年5期 收藏

關(guān)鍵詞：受端回線單極

鄒 強(qiáng)， 馬云龍， 楊建明， 王永平， 趙文強(qiáng)， 俞 翔

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇 南京 211102；2. 國家電網(wǎng)有限公司直流建設(shè)分公司， 北京 100052)

0 引言

隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)開始著手多端直流輸電系統(tǒng)技術(shù)的研究。文獻(xiàn)[1]仿真研究了并聯(lián)四端直流輸電系統(tǒng)；文獻(xiàn)[2]給出了串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)?；文獻(xiàn)[3]闡述了多端直流輸電系統(tǒng)的監(jiān)視功能；文獻(xiàn)[4]闡述了多端直流輸電技術(shù)的應(yīng)用前景；文獻(xiàn)[5]闡述了多端直流輸電系統(tǒng)的絕緣配合；文獻(xiàn)[6]分析了多端直流輸電對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；文獻(xiàn)[7]提出了電流源換流器(LCC)和電壓源換流器(VSC)混合的多端直流輸電技術(shù)；文獻(xiàn)[8—14]研究了多端直流輸電技術(shù)的控制保護(hù)策略。然而，目前的研究很少涉及含有串聯(lián)換流器的接地極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)自身特點(diǎn)(串聯(lián)站在正常運(yùn)行時(shí)不能接地)決定了在隔離線路故障和換流站故障時(shí)都依賴于接地極的投退。因此開展串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)涞难芯抗ぷ魇直匾?/p>

1 串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

1.1 純串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)

圖1為四端純串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)，可以看出整個(gè)系統(tǒng)只有送端1和受端2具有接地極，而串聯(lián)在線路之中的送端2、受端1沒有接地極，其換流閥串聯(lián)在輸電線路上。

圖1 純串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)Fig.1 Pure series multi-terminal HVDC system

1.2 串并聯(lián)混合多端直流輸電系統(tǒng)

圖2為送端采用LCC、受端采用多個(gè)VSC并聯(lián)再與LCC串聯(lián)的串并聯(lián)混合多端直流輸電系統(tǒng)。中日韓聯(lián)網(wǎng)工程和落點(diǎn)江蘇多個(gè)負(fù)荷中心的白鶴灘工程也擬采用類似結(jié)構(gòu)。

圖2 串并聯(lián)混合多端直流輸電系統(tǒng)Fig.2 Series and parallel hybrid multi-terminal HVDC system

1.3 包含串聯(lián)換流器拓?fù)涞娜毕菖c優(yōu)點(diǎn)

多端直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，并聯(lián)在輸電線路上的換流器及首端和末端換流器都須有接地極投入運(yùn)行，而串聯(lián)在線路上的換流器則不能有接地點(diǎn)。如圖2中的蒙古站、山東站、韓國站及日本站須有接地極投入運(yùn)行，而串聯(lián)在線路中的天津站則不能接地。并聯(lián)換流站檢修時(shí)可直接退出運(yùn)行并不會影響整個(gè)系統(tǒng)的功率傳輸回路，而串聯(lián)換流站由于換流器自身就是整個(gè)系統(tǒng)功率傳輸回路的一部分，如退出運(yùn)行將導(dǎo)致部分甚至整個(gè)系統(tǒng)停電。

如圖1所示，當(dāng)極一線路1、極一線路2、極一線路3、極二線路1、極二線路2、極二線路3、送端1、送端2、受端1、受端2任意一個(gè)環(huán)節(jié)需要檢修時(shí)，四端串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)的相應(yīng)極需要停電。當(dāng)送端1接地極或者受端2接地極檢修時(shí)，四端串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)的兩極都需要停電。圖2中如果天津站不設(shè)置接地極，當(dāng)蒙古站或者蒙古—天津線路檢修時(shí)天津站將處于開路狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)也必須退出運(yùn)行。另外當(dāng)天津站檢修時(shí)，如果沒有旁路措施蒙古站也必須退出運(yùn)行。綜上所述，包含串聯(lián)換流器的拓?fù)淦淇煽啃圆蝗缂儾⒙?lián)換流器拓?fù)洹?/p>

雖然包含串聯(lián)換流器的拓?fù)淇煽啃暂^差，但也有優(yōu)點(diǎn)。由于目前投入工程應(yīng)用的直流電纜其最高電壓等級只能達(dá)到500 kV，圖2所示的系統(tǒng)把天津站串聯(lián)在輸電線路上，直接將天津站至日本站的電壓等級降低到+400 kV，這為實(shí)現(xiàn)中國、韓國、日本聯(lián)網(wǎng)提供了可能性。另外，當(dāng)多端直流輸電系統(tǒng)中有VSC時(shí)，為了降低VSC的電壓等級，包含串聯(lián)換流器的拓?fù)湟彩且粋€(gè)不錯(cuò)的選擇。

2 串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)對接地極的要求

串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)存在多種運(yùn)行方式，不同運(yùn)行方式對接地極拓?fù)涞囊笠膊灰粯覽15]。下面以圖1所示的四端串聯(lián)直流輸電系統(tǒng)為例說明運(yùn)行方式對接地極拓?fù)涞囊蟆?/p>

2.1 單極大地回線運(yùn)行方式

單極大地回線運(yùn)行方式下，當(dāng)四端串聯(lián)直流輸電系統(tǒng)的送端1因故障退出運(yùn)行時(shí)，為最大程度保障系統(tǒng)運(yùn)行，需要將送端1旁路，并將極一線路1跨過送端1換流器直接與送端1的接地極相連。

為了保證送端換流器運(yùn)行數(shù)目與受端換流器運(yùn)行數(shù)目一致，受端1和受端2換流器必須要有旁路設(shè)備。當(dāng)送端1和受端1(也可以是受端2)被旁路時(shí)，送端2和受端2構(gòu)成的兩端直流輸電系統(tǒng)仍然可以正常送電，如圖3所示。

圖3 采用送端1接地極的兩端單極大地回線運(yùn)行方式Fig.3 Two-terminal monopole ground return operation mode with the sending end 1 electrode

送端1接地極或線路1檢修時(shí)，考慮到單極大地回線運(yùn)行時(shí)接地極電流很大，為保證輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行，只能在送端2配置一個(gè)能通過大電流的接地極，且旁路送端1和受端1換流站，如圖4所示。

圖4 采用送端2接地極的兩端大地回線運(yùn)行方式Fig.4 Two-terminal monopole ground return operation mode with the sending end 2 electrode

2.2 金屬回線運(yùn)行方式

金屬回線運(yùn)行方式下，當(dāng)送端1、送端2、受端1或受端2任意一個(gè)換流器檢修時(shí)，為保證剩余系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，對接地極拓?fù)涞囊笈c大地回線相同。當(dāng)受端2接地極或者線路3檢修時(shí)，為保證系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，要在受端1配置接地點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 采用受端1接地點(diǎn)的金屬回線運(yùn)行方式Fig.5 Metallic return operation mode with the receiving end 1 grounding point

2.3 雙極大地運(yùn)行方式

按站外接地極是否流過電流可以分為雙極平衡運(yùn)行和雙極不平衡運(yùn)行兩種情況。

2.3.1 雙極大地平衡運(yùn)行方式

在雙極平衡運(yùn)行方式下，接地極沒有持續(xù)的運(yùn)行電流流過。當(dāng)送端1極一換流器故障時(shí)可以采用與單極大地回線類似的處理方法，即隔離送端1換流器和受端1換流器，如圖6所示。

圖6 采用送端1接地極的雙極大地回線平衡運(yùn)行方式Fig.6 Bipolar ground return balance operation mode with sending ending 1 electrode

當(dāng)送端1接地極或者線路1故障時(shí)，如果在送端2增設(shè)一接地點(diǎn)，則可以將送端1及其接地極全部退出運(yùn)行，具體運(yùn)行方式如圖7所示。

圖7 采用送端2接地點(diǎn)的雙極大地回線平衡運(yùn)行方式Fig.7 Bipolar ground return balance operation mode with sending ending 2 grounding point

2.3.2 雙極大地不平衡運(yùn)行方式

雙極大地不平衡運(yùn)行時(shí)，在送端1極一換流器檢修時(shí)，其剩余系統(tǒng)的投入運(yùn)行情況與圖6相同。

在送端1接地極故障時(shí)，剩余系統(tǒng)的投入運(yùn)行情況與圖7相同。此時(shí)要求送端2的接地點(diǎn)能通過大電流，或者將傳輸電流大的那一極電流減小至與另一極電流相等再投入運(yùn)行。

當(dāng)極一線路1(或極二線路1)故障時(shí)，為了保證剩余系統(tǒng)繼續(xù)不平衡運(yùn)行。應(yīng)將送端1的極一換流器和極二換流器全部退出運(yùn)行，并將極二換流器(或極一換流器)旁路。送端2極一換流器的陽極與極二換流器的陰極連接，連接線通過極二線路1(或極一線路1)接入送端1接地極，如圖8所示。

圖8 雙極大地回線不平衡運(yùn)行方式Fig.8 Bipolar ground return unbalance operation mode

3 串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)溲芯?/h2>

3.1 串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)?/h3>

隨著運(yùn)行方式的改變，串聯(lián)多端系統(tǒng)在換流器、直流線路或者接地極檢修時(shí)，未檢修站繼續(xù)運(yùn)行對接地極拓?fù)涮岢龅囊蟛槐M相同。綜合所有的運(yùn)行方式，串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)鋺?yīng)具備以下功能：接地極拓?fù)淠芘月啡我鈸Q流站，每個(gè)換流站配置能流過大電流的站外接地極，并且能將送端2和受端1的極一換流器陽極(陰極)或者極二換流器陰極(陽極)連接后再與相應(yīng)的接地點(diǎn)連接。另外接地極拓?fù)淠馨阉投?(受端1)通過線路1(線路3)與送端1(受端2)的接地極連接。

但是，送端2和受端1換流站在正常運(yùn)行時(shí)不需要接地，只有當(dāng)送端1或者受端2的接地極檢修等特殊場合時(shí)才投入使用。而站外接地極征地、選址非常困難，因此建議送端2和受端1只配置與站內(nèi)接地網(wǎng)連接的接地點(diǎn)，不單獨(dú)配置站外接地極。在單極大地回線或者雙極不平衡運(yùn)行時(shí)，如果送端1或者受端2的接地極檢修，可以將單極大地回線轉(zhuǎn)化成金屬回線運(yùn)行、將雙極不平衡運(yùn)行方式轉(zhuǎn)為雙極平衡運(yùn)行方式。

根據(jù)上述要求并結(jié)合已有研究成果[16-17]，本文設(shè)計(jì)如圖9所示串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)洹?/p>

圖9 串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)銯ig.9 Electrode topology of series multi-terminal HVDC system

串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)浒ㄋ投?的開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5；串聯(lián)在線路上的送端2、受端1的開關(guān)SR1、SR2、SR3、SI1、SI2、SI3、SL1、SL2、SL3、SL4及旁路開關(guān)SB；受端2的開關(guān)設(shè)備S1、S2、S3、S4、S5。其中送端1和受端2的接地采用能流過大電流的站外接地極，送端2和受端1的接地采用與站內(nèi)接地網(wǎng)相連的方式。

3.2 串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)淇刂品椒?/h3>

針對串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)不同運(yùn)行方式說明圖9所示的接地極拓?fù)鋷追N典型的控制方法。

3.2.1 單極大地回線運(yùn)行方式

在單極大地回線運(yùn)行方式下，針對圖3所示的送端1換流器檢修時(shí)，接地極拓?fù)涞目刂品椒ㄈ鐖D10所示。

圖10 單極大地回線接地極拓?fù)淇刂品椒‵ig.10 Electrode topology control method of monopole ground return operation mode

3.2.2 金屬回線運(yùn)行方式

圖5所示的線路3檢修時(shí)，極一金屬回線運(yùn)行方式下接地極拓?fù)涞目刂品椒ㄈ鐖D11所示。送端2和受端2的組合、送端1和受端1的組合以及送端1與受端2的組合也可以通過控制開關(guān)的分合狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)金屬回線的運(yùn)行。

圖11 金屬回線接地極拓?fù)淇刂品椒‵ig.11 Electrode topology control method of metallic return operation mode

3.2.3 雙極大地回線運(yùn)行方式

圖7所示的雙極大地平衡運(yùn)行方式接地極拓?fù)涞目刂品椒ㄈ鐖D12所示。送端2和受端1的組合、送端1和受端1的組合以及送端1與受端2的組合也可以通過控制開關(guān)的分合狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)雙極大地平衡運(yùn)行方式。圖8所示的雙極大地不平衡運(yùn)行方式接地極拓?fù)涞目刂品椒ㄈ鐖D13所示。

圖12 雙極平衡運(yùn)行接地極拓?fù)淇刂品椒‵ig.12 Electrode topology control method of bipolar ground return balance operation mode

圖13 雙極不平衡運(yùn)行接地極拓?fù)淇刂品椒‵ig.13 Electrode topology control method of bipolar ground return unbalance operation mode

4 結(jié)語

本文給出了串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)兩種主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，指出串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)中，串聯(lián)在線路上的換流器在正常運(yùn)行時(shí)不能接地，是影響整個(gè)系統(tǒng)可靠性的重要因素。分析了串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式下如果發(fā)生設(shè)備檢修，維持剩余系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行對接地極拓?fù)涞木唧w要求。并根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)?。給出串聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)接地極拓?fù)湓谥绷鞑煌\(yùn)行方式下的控制方法，該接地極拓?fù)湓诖?lián)多端直流輸電系統(tǒng)任意一條線路、接地極或者換流站需要檢修時(shí)，都能最大程度地保證剩余串聯(lián)直流輸電系統(tǒng)在任意一種直流運(yùn)行方式下正常運(yùn)行。

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