柔直配網(wǎng)關鍵電氣設備選型研究

陸子凱，簡翔浩，張明瀚

（1. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663；2. 南方電網(wǎng)國際有限責任公司，廣州510663）

隨著城市配電網(wǎng)系統(tǒng)接入越來越多的分布式新能源和儲能設備，大型數(shù)據(jù)中心、電動汽車充電站、直流家電等直流負荷也日益增多，構建柔直配網(wǎng)能有效接納清潔的新能源和直流負載，減少換流過程中的電能損耗和減少換流設備的經濟投資，能有效地提高系統(tǒng)的效率［1］。對于城市柔性直流配電網(wǎng)換流站而言，電氣設備的選擇對換流站的整體布置和工程設計具有較大的影響，合理地選擇柔性直流配網(wǎng)的關鍵設備能降低工程的總體造價及有效利用城市中心的土地資源［2］。因此，有必要對中低壓柔直配網(wǎng)的關鍵設備進行選型研究，掌握目前中低壓柔直配網(wǎng)的關鍵裝備的工作原理、布置要求、制造水平等，有助于后續(xù)相關工程的技術推進和方案落實。

根據(jù)珠海唐家灣示范項目的應用場景，目前柔直配網(wǎng)可以將站點按功能劃分為換流站、開關站和降壓換流站。換流站實現(xiàn)能量從交流到直流的變換；開關站實現(xiàn)多個站點間的連接，實現(xiàn)多種運行方式切換；降壓換流站實現(xiàn)能量從高電壓等級變換為低電壓等級。示范項目的網(wǎng)絡圖如圖1 所示。本文結合柔直配網(wǎng)換流站建設的需要，分析換流站關鍵設備的選型和使用情況，比較每種設備的不同型式的優(yōu)缺點，提出設備的選型建議。

圖1 柔直配網(wǎng)網(wǎng)絡圖Fig.1 Diagram of flexible DC distribution network

1 柔性直流配電網(wǎng)關鍵電氣設備

柔直配網(wǎng)中的主要設備可以按照功能劃分為交流進線部分、聯(lián)絡變閥側設備、換流閥區(qū)域和直流出線部分。由于中低壓直流配電系統(tǒng)的電壓等級較低、容量較小，并且由于項目通過3 個VSC 與交流系統(tǒng)交換能量，在一端VSC退出運行時，系統(tǒng)可改變?yōu)殡p端手拉手的運行方式，可靠性相對較高，因此采用了經濟性更佳的單極對稱方式，電氣接線圖如圖2 所示。關鍵的電氣設備分為VSC、聯(lián)接變壓器、橋臂電抗器、啟動設備、直流電抗器、中低壓直流斷路器、直流變壓器等。關鍵設備的主要作用如下：

圖2 電氣接線圖Fig.2 Electrical circuit diagram

1）VSC換流閥

VSC 換流閥是實現(xiàn)城市的交流配網(wǎng)與柔直配網(wǎng)之間轉換的核心設備，VSC 換流閥選型適合的技術方案包括有兩電平換流閥、三電平換流閥、半橋MMC 換流閥和基于IGCT 交叉箝位的MMC 換流閥［3］。

2）聯(lián)接變壓器

聯(lián)接變壓器是柔直配網(wǎng)換流站中的關鍵設備，網(wǎng)側和交流進線部分相連，閥側連接啟動設備和橋臂電抗器［4］。在珠海唐家灣示范項目中，聯(lián)接變壓器用于為柔直配網(wǎng)提供接地點，保證中壓交直流配電網(wǎng)的電氣隔離，并且保證交直流配電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，換流閥仍然能夠輸出額定的有功和無功功率。

3）啟動設備

啟動電阻連接在聯(lián)接變壓器的閥側，功能主要為降低子模塊中電容的充電電流，避免設備免受電流電壓沖擊，減小對交流系統(tǒng)的影響［5］。

4）橋臂電抗器

橋臂電抗器一般位于VSC換流閥上下兩個橋臂上，能夠限制直流故障電流和故障電流的上升率，同時也能限制交、直流側的諧波。通過增大橋臂電抗器的阻值可以減緩短路電流的增長速度，限制短路電流的峰值，也對有功與無功的調節(jié)具有一定的影響［4］。

5）中低壓直流斷路器

中低壓直流斷路器作為柔直配網(wǎng)線路組網(wǎng)的關鍵設備，可以毫秒內承載、開斷正常電流和故障電流，快速切除柔直配網(wǎng)中的故障設備或線路，從而阻止系統(tǒng)故障的擴散，極大地提高柔直配網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性［6］。目前，中低壓機械式直流斷路器和中低壓混合式直流斷路器在實際工程中均有運用。

6）限流電抗器

限流電抗器的主要作用在于抑制短路電流故障電流的上升速度，實現(xiàn)直流斷路器和換流閥保護動作的配合，實現(xiàn)直流系統(tǒng)的故障穿越，保障系統(tǒng)的安全運行［7］。在珠海唐家灣示范項目中，唐家換流站和雞山2 換流站均采用了限流電抗器配合直流斷路器的方案，實現(xiàn)故障清除能力，有效降低換流閥本體的成本。

7）直流變壓器

直流變壓器是連接中壓和低壓直流電網(wǎng)的核心設備，基于當前的電力電子技術，直流變壓器可以實現(xiàn)不同電壓等級以及交直流形式的電能變換，可滿足高壓直流至低壓直流以及不同直流端口間的電能變換［8］。示范項目中首次應用了基于SiC 全控器件的高效率三端口直流變壓器，通過直流變壓器連接±10 kV 電網(wǎng)和布置在科技園園區(qū)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)。

2 柔直配網(wǎng)電氣設備選型原則

柔直配網(wǎng)換流站設計時需要綜合考慮站區(qū)的地理位置、土建施工和電氣安裝的特點和業(yè)主運行部門的需求，實現(xiàn)交、直流的功能分區(qū)，并選擇合理的電氣設備。設備選型時需要考慮如下幾點：

1）柔直配網(wǎng)的電氣設備設計時需要考慮安全性和運維的便捷性，注重配網(wǎng)設備小型化。選型時應考慮與現(xiàn)有直流設備的制造能力與直流配電技術發(fā)展水平相適應。

2）設計時應考慮柔直配網(wǎng)的電氣設備的尺寸問題，由于城市中心的土地資源較為緊張，需考慮設備的緊湊化，盡量減少設備的占地面積。

3）AC/DC 換流器的選擇應綜合考慮系統(tǒng)的需求及換流器的性能、可靠性、損耗、占地、體積、安裝條件、綜合造價等因素。

4）應根據(jù)負荷條件、故障處理要求和設備制造水平選擇適用的直流斷路器。

3 VSC換流閥選型

3.1 子模塊選型

柔性直流換流站是完成AC/DC 雙向變換的主要站點，其主要由AC/DC 換流閥構成。在高壓直流輸電領域，換流閥已得到廣泛應用，在中低壓直流配網(wǎng)中應用的技術難度不大，在拓撲結構上，兩電平和三電平換流閥的主要技術風險是IGBT 的直接串聯(lián)技術，而且損耗和電壓波形較差，因此目前大多數(shù)項目基本采用MMC 結構，采用MMC 結構避免IGBT 的直接串聯(lián)，同時中壓柔直配電系統(tǒng)的電壓相比高壓直流輸電要低，子模塊數(shù)量相對較小，技術風險相對可控。目前已有的子模塊為半橋IGBT MMC 子模塊、全橋IGBT MMC 子模塊和基于IGCT交叉箝位的MMC子模塊。

模塊式IGBT 生產廠家廣泛，已形成系列的標準電壓，是柔性直流輸電主流的器件類型。唐家換流站和雞山2 換流站換流閥使用的IGBT 器件的電壓等級主要為1.7 kV?？紤]到電容電壓上存在波動，以及器件動作時產生的尖峰電壓，因此，在實際工程中選擇IGBT 電壓等級時需要考慮留有1.5倍~2倍裕量。同時需要設置一定的冗余子模塊，示范工程中單橋臂子模塊為28 個，其中冗余子模塊為3個，冗余度約為10.7%。

對比IGBT，IGCT 具有更低的導通損耗。在示范項目中首次應用了國產的IGCT 器件，但目前IGCT 主要制造商仍較少，對后續(xù)的運維更換會有一定的影響?；贗GCT 交叉箝位的MMC 目前已有容量為10 MW（雞山I換流站），原理圖如圖3所示。該換流閥使用的IGCT 器件的電壓等級主要為4 500 V，其需要承受的額定電壓為IGBT 子模塊電壓的2倍，所承受的電流與橋臂電流相同。IGCT箝位模塊單橋臂需要7 個IGCT 子模塊，其利用故障電流對電容充電，當功率模塊電容電壓上升，故障電流衰減，實現(xiàn)換流閥的清除故障電流的功能［2］。

圖3 IGCT交叉箝位的原理圖Fig.3 Schematic diagram of cross clamped of IGCT devices

3.2 換流閥的形式

目前，已有容量為10 MW和20 MW的MMC換流閥在實際工程應用，其中唐家換流站（20 MW）為閥塔式布置，閥塔周圍采用殼罩式屏蔽結構，雞山2 換流站（10 MW）采用模塊化設計，屏柜式布置，具備現(xiàn)場即插即用的特點?；贗GCT 交叉箝位的MMC 結構的容量已有10 MW（雞山1 換流站），采用屏柜式布置。三站換流閥比較如表1所示。

表1 三站換流閥對比表Tab.1 Comparison of VSC in three stations

4 聯(lián)接變壓器選型

聯(lián)接變壓器用于為柔直配網(wǎng)提供接地點，保證中壓交直流配電網(wǎng)的電氣隔離。在珠海唐家灣示范項目中，聯(lián)接變壓器采用△/Y形式，閥側繞組的中性點接地電阻為3.75 kΩ，在此電阻上并聯(lián)一個600 Ω 的電阻，該電阻平時不投入運行，僅在保護系統(tǒng)故障診斷時用，接線圖如圖4 所示。采用這種接地方式可降低直流線路的絕緣水平。

圖4 中性點電阻接線圖Fig.4 Diagram of Neutral point resistance

考慮到短路故障時，聯(lián)接變壓器可能有較大的震動，且聯(lián)絡變壓器重量較重。為了有利于搬運需求，聯(lián)接變壓器通常布置于站址首層。在建設項目時，可以根據(jù)站址空間來選擇干式聯(lián)接變壓器或油變聯(lián)接變壓器，室內選擇干變，室外選擇油變。

5 橋臂電抗器和啟動回路選型

5.1 橋臂電抗器

由于飽和引起的橋臂電抗器電感值下降，不應低于設計電感值的80%。采用較大的電抗值，有利于降低二倍頻環(huán)流幅值和改善公共連接點的諧波電壓，降低諧波電流。如果換流閥的電平數(shù)目比較高，或等效開關頻率比較高，交流諧波經計算后已經小于標準規(guī)定很多，可適當減小電抗的數(shù)值，以降低橋臂電抗器的體積和經濟投資。如果電平數(shù)目較低，計算后諧波電流超出標準值，需要適當增大電抗的數(shù)值。

鐵芯電抗器體積小，但重量重，且存在鐵芯飽和的可能。空芯電抗器漏磁較大，對鋼筋混凝土建筑物以及控制保護設備均有一定的影響。在珠海唐家灣示范項目中換流站采用戶內布置的形式，因此采用了鐵芯電抗器。

5.2 啟動回路

當MMC 換流閥啟動時，交流系統(tǒng)會對MMC換流閥的直流電容進行不控整流充電，因此為避免沖擊電流和暫態(tài)恢復電壓影響系統(tǒng)，需要在這個過程中加入啟動電阻，啟動結束后電阻將被旁路。功率模塊中的電容值對啟動電阻選型影響較大。在珠海唐家灣示范項目中，啟動柜由直流測量裝置和啟動電阻組成，唐家換流站的啟動電阻的額定電壓為10.5 kV，電阻值為100 Ω。

6 中低壓直流斷路器選型

由于半橋結構的MMC 換流閥，沒有故障自清除能力，因此需采取直流斷路器和直流電抗器配合的方案來切除故障電流。同時，柔直配網(wǎng)在多種運行方式間靈活切換時需要直流斷路器。示范工程中的開關站有三個端口，通過三路直流電纜相連，對此開關站推薦使用三端口斷路器方案。與傳統(tǒng)方案相比，三端口混合式直流斷路器將多條直流線路交匯點處的多臺直流斷路器整合為一體，可以在保持混合式直流斷路器原有性能的基礎上，減少電力電子器件的使用數(shù)量，從而降低設備的投資成本。三站直流斷路器技術比較如表2所示。

7 直流變壓器

直流變壓器方案包括有非隔離型變壓器和隔離型變壓器，在電壓變比較高的應用場合，非隔離型的濾波器體積顯著增加，效率相對較高，但經濟性相對較差。隔離型直流變壓器通過高頻變壓器，使變換器運行時的占空比保持在合理的范圍，有利于提升變換器效率和降低濾波器體積。目前主要的隔離型直流變壓器拓撲為LLC 和DAB［8］，在選擇直流變壓器時需要考慮技術成熟度、經濟性、靈活性以及系統(tǒng)應用場景的需求，考慮到珠海唐家灣示范項目多端口輸出的需求，項目采用三端口直流變壓器，高壓側為±10 kV高壓端口，低壓側有兩個電壓等級：分別為雙向2 MW 功率流動的±375 V 低壓端口和單向200 kW 功率流動的±110 V 低壓端口，拓撲結構如圖5 所示。為了實現(xiàn)系統(tǒng)高壓接入，高壓側采用功率模塊級聯(lián)的方式，可實現(xiàn)連接實現(xiàn)高、低壓側隔離，在±375 V/±110 V 則采用 BUCK 降壓拓撲結構。三端口直流變壓器采用柜式設計，連接三個端口直流電網(wǎng)。適用于城市直流配電的高效率多端口直流變壓器對提升能源綜合利用效率、新能源滲透率和供電的穩(wěn)定性有重要作用。

表2 三站的直流斷路器對比表Tab.2 Comparison of DC circuit breakers in three stations

圖5 直流變壓器拓撲圖Fig.5 Topology diagram of DC transformer

8 結 論

本文通過介紹珠海唐家灣示范工程的關鍵設備，結合柔直配網(wǎng)工程建設的特點，闡述了柔直配網(wǎng)換流站的設備選型原則，重點分析研究了關鍵電氣設備的選型方案，通過比較關鍵電氣設備不同型式的優(yōu)缺點，給出關鍵電氣設備選型的選型意見：

1）選擇換流閥時需綜合考慮系統(tǒng)的需求和換流閥的性能、可靠性、損耗、占地、綜合造價等因素，以提升柔直換流閥實用化的水平。

2）選擇直流斷路器時候應綜合考慮應用場景、負荷條件、故障處理要求和當前的設備制造水平。

3）對于城市配電網(wǎng)而言，換流站空間有限，地價昂貴，需要求配網(wǎng)設備體積盡可能小。

隨著城市配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，柔直配網(wǎng)展現(xiàn)了在推動城市高可靠性供電，提升配網(wǎng)互聯(lián)互濟，靈活可控，促進分布式新能源的接入等多方面的獨特優(yōu)勢。對柔直配網(wǎng)關鍵電氣設備提出合理的選型建議有助于降低工程的總體造價及有效利用城市中心的土地資源，對提高換流站的可靠性和運行的安全性具有重要意義，是促進柔直配網(wǎng)工程推廣的重要環(huán)節(jié)，將為我國新型配電網(wǎng)的發(fā)展提供重要的助力。