光伏升壓柔性直流工程設計及調(diào)試技術研究

張 舵，蔣艾町，夏 雪，李嘉逸

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

中國西南地區(qū)太陽能資源較豐富，其中西南邊境某省有59個縣的年太陽能平均輻射量在4500～6000 MJ/m2。2016年3月西南邊境某省新增的光伏總裝機容量約為940 MW[1]。光伏發(fā)電存在諸多技術問題亟待解決，如容抗感抗較大、無功傳輸問題嚴重、諧波諧振較為突出等。

柔性直流輸電技術是國際上先進的構成多端直流輸電網(wǎng)絡的理想技術，采用IGBT等新型電力電子設備，可對有功、無功功率進行快速調(diào)控。近年來，國內(nèi)陸續(xù)投運的工程有“±200 kV舟山多端柔性直流工程”“上海南匯多端柔性直流工程”等示范項目，增強了中國電力行業(yè)在世界的技術影響力[2]。柔性直流輸電技術有以下優(yōu)勢[3]：1)不存在無功補償和電壓換向問題；2)能夠?qū)崿F(xiàn)四象限調(diào)節(jié)；3)系統(tǒng)潮流可控，運行方式靈活，對新能源的接入較為友好；4)具備系統(tǒng)黑啟動的條件，提供必要的電壓和頻率支持；5)輸出電壓諧波小，設備占地少。

以往的光伏接入工程是通過匯流箱將光伏板產(chǎn)生的直流電匯集起來，再進入PCS轉換并入低壓電網(wǎng)。而柔性直流輸電技術具備有功無功獨立控制能力，對于低壓配電網(wǎng)，主要依靠配電網(wǎng)內(nèi)部的潮流來平衡，是解決分布式新能源并網(wǎng)的有效技術手段。

所設計的光伏升壓柔性直流方案，克服了所處地區(qū)海拔較高、工期要求緊張、施工場地空間受限等不利因素。這對于響應國家對清潔能源的利用要求、提高壓陽能資源利用率、調(diào)整地方電網(wǎng)發(fā)展結構有極為重要的意義。

1 工程設計思路

1.1 設計仿真模型

PSCAD/EMTDC是廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件，它既可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能完成電力電子仿真及其非線性控制的多功能工具。所設計項目在PSCAD/EMTDC仿真平臺上搭建了模型，模型分為3個部分,分別為光伏組件及DC/DC直流變換器模型、MMC換流閥模型以及交流系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 設計仿真模型拓撲結構

1.2 光伏直流升壓對系統(tǒng)潮流的影響

在等值模型中，光伏電站通過換流閥連接至外部交流等值系統(tǒng)，即該連接線路上潮流為單向流動。光伏電站出力最大特點為其波動性，受光照強度影響較大。因此應考慮天氣變化導致光伏出力變化時該線路潮流波動情況。

1)模擬晴天時光照強度為6:00光伏電站啟動，至18:00保持充足光照，18:00后光伏電站停止出力。線路并網(wǎng)潮流模擬結果如圖2所示：光伏電站在啟動過程中會有小幅波動，但會迅速穩(wěn)定在功率設定點；在光照條件充足時，光伏電站能夠很好地穩(wěn)定輸出有功功率，線路潮流穩(wěn)定。

2)模擬陰天時光照強度為6:00光伏電站啟動，光伏強度低于正常水平，在6:00至10:00時間段內(nèi)光照強度緩慢回升，10:00光照強度最高。12:00模擬天氣變化，陰天情況下光照強度快速降低。18:00后光伏電站停止出力。模擬的并網(wǎng)線路潮流如圖3所示，光伏電站在啟動過程中會有小幅波動，在光照強度逐漸增加時，光伏出力逐漸上升；當光照強度快速降低時，光伏電站出力呈現(xiàn)明顯相關性隨之下降。

圖2 晴天時并網(wǎng)線路潮流變化

圖3 陰天時并網(wǎng)線路潮流變化

3)模擬雨天時光照強度為6:00光伏電站啟動，光伏強度低于正常水平，在6:00至12:00時間段內(nèi)光照強度依然處于較低水平。12:00模擬天氣變化，雨天情況下光照強度快速降低。15:00后光伏電站停止出力。線路并網(wǎng)潮流模擬結果如圖4所示。當光照強度快速降低時，光伏電站出力呈現(xiàn)明顯相關性隨之下降。

圖4 雨天時并網(wǎng)線路潮流變化

綜合仿真分析來看，光照強度對光伏電站出力影響較大，即受天氣變化因素影響較大。雖然光伏并網(wǎng)線路上潮流為單向流動，不會改變?nèi)照{(diào)度計劃，但是有功功率大小具有隨機波動性，對于日調(diào)度計劃的制定有一定的影響。

1.3 設計方案概述

兩端柔性直流系統(tǒng)送端為5 MW的光伏電站，通過直流匯集升壓和DC/DC變換將直流電壓提升至±30 kV，再通過長600 m的直流電纜線路輸送至MMC換流站，最后經(jīng)過換流站接入35 kV交流系統(tǒng)。結合柔性直流工程輸送容量(5 MW)和距離(低于20 km)，綜合技術經(jīng)濟比較，該工程選擇采用±30 kV電壓等級，其導線經(jīng)濟電流密度合適、設備絕緣投資適中。工程電壓等級采用±30 kV，架空導線推薦采用JL/G1A-70/10或者JKLF3YJ-70導線；直埋電纜采用載流量及熱穩(wěn)定校核進行控制，推薦采用DC-ZR-YJV62-30kV-50電纜。

2 電氣一次設計方案

2.1 換流站主接線形式

國內(nèi)投運的柔性直流工程中，主接線主要有單極對稱、雙極對稱、組合接線、三級對稱、LCC+MCC混合式等方式。目前應用較多和相對成熟的接線方式主要是單極和雙極對稱方式[4-7]。圖5為換流站單極對稱接線方式示意圖，該方式是國內(nèi)已建設的柔性直流輸電工程中應用最多的接線方式，類似三相全橋逆變器結構，不設接地極或金屬回線，直流側極線電位幅值相同正負相反，因此也被稱為偽雙極方案[4-6]。此方案經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，結構相對簡單，但是故障穿越能力較差，運行方式單一，可靠性較差[6]。

圖5 單極對稱接線

圖6為采用兩級對稱接線方式，正負極是通過獨立的六脈動橋結構、金屬接地線在兩橋之間與大地引接[6]。與單極對稱接線方式相比，雙極對稱接線方式可靠性更高，有一定的故障恢復能力；但由于必須設置金屬回線或接地極，且閥組設備數(shù)量較單極對稱接線方案增加一倍，因此換流站總體造價較高。

圖6 雙極對稱接線

綜合考慮電壓等級及輸送容量，選擇換流站采用單極對稱接線方式、直流線路采用電力電纜線路，以提高項目運行的可靠性，降低短路故障發(fā)生概率。

2.2 接地方式

接地方式的選擇是柔性直流輸電工程的重要設計內(nèi)容之一，對系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)特性和換流站的絕緣配合有著重要影響[8]。針對單極對稱接線方式，結合所設計工程的電壓等級及輸送距離，可選的接地方式有聯(lián)絡變壓器Y繞組接地、鉗位電阻接地、電抗器接地和對側光伏站接地4種方式[9-12]。

聯(lián)絡變壓器Y繞組接地方式是通過聯(lián)絡變壓器閥側的星型繞組中性點經(jīng)接地電阻接地[9]。在所設計的工程中，它確定的換流站接入交流側的方案中的35 kV交流側的接線方式均為Y接線。由于本站不具備常規(guī)聯(lián)絡變壓器Y繞組接地的條件，若在本站采用該種接地方式，則需考慮訂制三繞組YΔY非標變壓器。

鉗位電阻接地指在直流側極線上并聯(lián)兩個相同大電阻，形成等效電路，實現(xiàn)換流站的接地。這種接地方式結構簡單、成本不高，但是當換流站正常運行時接地電阻會產(chǎn)生一定的功率損耗，同時，接地故障時可能會對保護的靈敏性產(chǎn)生不利影響且增加接地極工程量[9]。因此，不推薦采用鉗位電阻接地方式。

電抗器接地方式是通過換流變壓器閥側并聯(lián)電抗器，經(jīng)高阻接地方式從電抗器中性點引至大地[10]。該方式優(yōu)勢是如果系統(tǒng)發(fā)生直流側接地故障，系統(tǒng)對換流變壓器閥側的接線形式?jīng)]有特定限制。但劣勢是系統(tǒng)無功支撐不足，會造成系統(tǒng)無功損耗嚴重、母線電壓產(chǎn)生波動。另外，多個并聯(lián)電抗器會增加系統(tǒng)的成本[10-11]。考慮到運行損耗及實驗可靠性要求，不推薦采用電抗器接地的方式。

對側光伏電站接地是直接利用工程換流站對側光伏電站的接地來為直流系統(tǒng)提供接地點[8]。由于所設計工程直流線路距離較短，因此采用此方案對于節(jié)約占地面積、提高設備利用率、降低投資具有一定意義，同時還可以為系統(tǒng)提供等電位參考點。

2.3 換流站總平面布置方案研究

綜合考慮所設計工程換流站的占地、運行與電壓情況，光伏柔性直流換流站的換流閥組采用預制艙形式布置，除換流閥組外聯(lián)絡變壓器、電抗器、啟動電阻、隔離開關及避雷器等均采用戶外布置。同時，新增加接入的35 kV交流開關柜采用預制艙安裝形式?？紤]到戶外油浸式換流聯(lián)絡變壓器防火距離需求，將換流站3臺閥組預制艙布置于靠近35 kV開關室側；將戶外電抗器、隔離開關及油浸式換流聯(lián)絡變壓器布置于預制艙東側；在中間設置設備運輸?shù)缆?，并保證防火間距要求。閥組預制艙內(nèi)包括閥組及控制柜，預制艙整體由設備廠家統(tǒng)一設計，并滿足艙內(nèi)相應設備運行環(huán)境要求。具體的布置方案如圖7和圖8所示。

圖7 閥組預制艙布置方案

3 控制保護設計方案

光伏直流升壓匯集接入系統(tǒng)控制保護系統(tǒng)分3層(監(jiān)控層、站控層、單元層)、 兩網(wǎng)(站控A網(wǎng)、監(jiān)控A網(wǎng))的架構方式。光伏升壓系統(tǒng)配置4個通信控制保護子站，用于完成光伏升級系統(tǒng)的保護控制功能和外接控制系統(tǒng)的通信接入。

圖8 換流站整體布置方案

1)監(jiān)控層：實現(xiàn)各站運行人員的監(jiān)視與控制功能；完成直流系統(tǒng)運行方式、啟動與停止、電壓切換等功能。

2)站控層：實現(xiàn)逆變站、光伏升壓站站內(nèi)一次設備與其相連交直流線路、換流閥和DC/DC變換裝置的控制、保護以及與控制主站系統(tǒng)配合實現(xiàn)柔性直流系統(tǒng)運行方式切換、故障穿越、隔離、恢復等功能。

3)單元層：包括可控電力電子設備及其控制系統(tǒng)，可按照控制保護層設備的命令對其進行控制。

如圖9所示，系統(tǒng)按控制保護功能分為逆變站保護區(qū)、直流線路保護區(qū)、匯流母線保護區(qū)、匯集線路保護區(qū)。根據(jù)功能分區(qū)配置相應的控制保護設備，從光伏 DC/DC 變流器到匯集母線出口處的線路構成了匯集線路保護區(qū)，其保護安裝點位于匯集母線出口處。匯集母線出口處的各個保護安裝點包圍的區(qū)域為匯流母線保護區(qū)。從母線送出線路出口保護安裝點到 MMC 直流側出口構成了直流線路保護區(qū)。 MMC變換器和聯(lián)絡變壓器構成逆變站保護區(qū)。

圖9 控制保護功能分區(qū)及裝置布置

4 換流站系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試總體分為換流站系統(tǒng)、聯(lián)絡變壓器、DC/DC升壓站以及系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。完成換流站系統(tǒng)調(diào)試和聯(lián)絡變壓器及DC/DC升壓站調(diào)試后，開展柔性直流配電系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，調(diào)試內(nèi)容覆蓋系統(tǒng)所有運行方式。MMC及DC/DC啟動流程如下。

系統(tǒng)啟動包括4種啟動方式：1) MMC 已運行，手動啟動 DC/DC單元；2) MMC、DC/DC 啟動運行；3) MMC 運行，DC/DC單元自動啟動；4) 功率限制情況下，優(yōu)先啟動集中式 DC/DC 單元。其啟動方式如圖10所示。

圖10 MMC、DC/DC 啟動運行

系統(tǒng)主要調(diào)試內(nèi)容如下：

1)換流站系統(tǒng)調(diào)試

換流站系統(tǒng)調(diào)試主要是驗證全站設備的各項技術指標和參數(shù)是否符合設計和運行要求。驗證換流閥閥體與輔助設備交流空載運行能力、換流閥及DC/DC設備的二次繼電保護與變電站監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)能力、全站通信設備是否正常、系統(tǒng)切換及多方式運行是否正常等性能技術指標。

2)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

完成換流站系統(tǒng)調(diào)試和聯(lián)絡變壓器系統(tǒng)調(diào)試后，開展含DC/DC升壓站的柔性直流配網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試:(1)確認當前 35 kV 側系統(tǒng)電壓處于32.5～39 kV之間；(2)確認處于 STATCOM 模式運行方式下，控制模式設定為穩(wěn)態(tài)定電壓控制；(3)確認系統(tǒng)運行正常，無故障告警；(4)確認錄波設備工作正常；(5)換流器以當前模式運行 8 h，每隔 2 h提取錄波數(shù)據(jù)；(6)試驗完畢，停止換流器。

5 結 語

上面從設計思路、電氣接線形式、接地方式、總體布置、控制與保護、系統(tǒng)調(diào)試6個方面，提出了光伏柔性直流工程的設計與調(diào)試方案，并結合工程具體設計方案進行了探討分析。研究成果對開展低壓柔性直流工程建設具有一定的參考價值，為了使系統(tǒng)更可靠運行，DC/DC直流變壓器與MMC變換器之間配合協(xié)調(diào)運行仍需進行深化研究。