新能源輸電系統(tǒng)設計

［摘 要］新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中越來越重要，在新能源輸電系統(tǒng)投入運行前，需要對整個新能源輸電系統(tǒng)進行設計，以保證新能源輸電系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運行。文章對新能源輸電系統(tǒng)相關設計內容進行了分析，以期為相關人員提供參考。

［關鍵詞］新能源輸電；電氣主接線設計；主電路參數(shù)設計；控制保護

［中圖分類號］TM72 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0093–03

1 新能源輸電系統(tǒng)設計內容

1.1 電氣主接線設計

隨著新能源大力發(fā)展，新能源輸送的容量達到了數(shù)千兆瓦，為了滿足大功率輸送，主電路采用雙極接線方式以降低每個換流單元功率輸送[1]，以雙端為例的新能源輸電系統(tǒng)電氣主接線設計如圖1 所示。新能源輸電系統(tǒng)包括以下6 個部分。

1.1.1 新能源場

新能源場可以是風力發(fā)電、光伏發(fā)電等不同形式的新能源發(fā)電，新能源場內通過風機串并聯(lián)為風機組形式或光伏陣列形式以提高新能源發(fā)電功率，其作為整個新能源系統(tǒng)輸電的電源通常離負荷中心較遠，因此需要進行遠距離輸電。由于風光自然資源的隨機性和波動性，在新能源場內需要有電能變換裝置，以穩(wěn)定新能源電能輸出，如在風機輸出端加入AC/DC 和DC/AC 兩級變流器，在光伏發(fā)電輸出端加入DC/DC和DC/AC 兩級變流器，最后新能源場輸出的電能匯集在公共耦合點PCC 點。

1.1.2 換流站設計

換流站在新能源輸電系統(tǒng)中起著電能變換的作用，是整個系統(tǒng)中關鍵的設備，影響著系統(tǒng)的正常運行。靠近新能源場一側換流站為整流換流站，另一側換流站則為逆變換流站，分別起著交流轉變?yōu)橹绷骱椭绷鬓D變?yōu)榻涣鞯淖饔谩?/p>

換流站內包含大量功率開關器件，功率開關器件可分為半控型和全控型，分別對應的是常規(guī)直流輸電和柔性直流輸電，常規(guī)直流輸電與柔性直流輸電相比傳送容量更大、經(jīng)濟性更好，但不具備構網(wǎng)能力和無法實現(xiàn)黑啟動，不適用于高比例新能源輸電工程。

隨著新能源系統(tǒng)輸電功率的不斷提升，為了適應高比例新能源場景，在PCC 點需要進行構網(wǎng)，實現(xiàn)頻率和電壓的支撐，因此可以使用具備構網(wǎng)能力和黑啟動的柔性直流輸電。目前我國直流輸電輸送功率可達數(shù)千兆瓦，為了提高柔性直流輸電的輸送能力，換流站采用雙極結構，上、下極之間的中性點為大地回路接線方式，正常運行時無電流流過，各極獨立運行，提高了運行可靠性。換流站內各級有單閥組接線和高低壓閥組接線方式，其中單閥組接線與高低壓閥組相比控制策略和運行方式簡單，但經(jīng)濟性差，在大容量輸電工程中換流站各級可采用高低壓閥組接線方式。

整流換流站和逆變換流站均為雙極，各換流站中上、下極有兩個換流單元，常規(guī)直流輸電換流單元為LCC 結構，柔性直流輸電換流單元為MMC 結構。柔性直流輸電中最基本的單元有半橋或全橋子模塊，考慮經(jīng)濟性時可采用半橋結構，若想實現(xiàn)直流故障穿越可采用全橋結構，如今全/ 半橋混合結構是未來發(fā)展的趨勢。

1.1.3 聯(lián)接變壓器

聯(lián)接變壓器安裝于電網(wǎng)與換流站之間，起著電壓升降作用，是電能輸送的重要設備。聯(lián)接變壓器設計包括型式選擇、繞組聯(lián)接方式選擇、電壓變比設計、額定容量設計和短路阻抗設計。

變壓器型式選擇主要考慮占地面積、工程造價和變壓器承重等因素，包括三相一體型式和3 臺單相變壓器，海上輸電變壓器一般采用三相一體式，岸上輸電變壓器采用3 臺單相變壓器。

變壓器繞組聯(lián)接方式有Y 繞組聯(lián)接和Δ 繞組聯(lián)接，若采用Y 繞組聯(lián)接還需考慮其中性點是否需要接地，針對雙極拓撲結構的變壓器網(wǎng)側采用Y 繞組聯(lián)接，換流站交流側采用Δ 繞組聯(lián)接，其中Y 繞組聯(lián)接中性點需要接地，以消除由于調制方式引起的零序分量。各聯(lián)接變壓器的閥側需要設置一組接地的隔離開關和避雷器，由于采用真雙極的接線方式，聯(lián)接變壓器會存在直流偏置，無法使用交流的GIS 設備，需要考慮敞開式設備。

變壓器電壓變比選擇是根據(jù)網(wǎng)側PCC 電壓等級和換流站交流側電壓進行設計，目前特高壓直流輸電的電壓等級大多數(shù)是±800 kV，網(wǎng)側PCC 電壓等級為500 kV，在該電壓等級下的直流輸電工程變壓器電壓變比可設計為525 kV/262 kV。變壓器額定容量根據(jù)傳送的額定功率進行計算，并要求其具備1.4 倍的過載能力。變壓器的短路阻抗主要與系統(tǒng)無功有關，其設置范圍為12%～18%。

1.1.4 輸電線設計

輸電線指直流輸電線路，當新能源場位于我國西北自然資源豐富地區(qū)時，輸電線路遠輸送容量大，架空線的工程造價低，因此遠距離輸電通常采用架空線，如我國白鶴灘特高壓直流輸電和昆柳龍直流工程。當新能源場為海上風電時[2]，面臨的環(huán)境嚴酷且更加復雜，為了滿足環(huán)境適應性和輸電效率，岸上換流站至海上風電輸電線均采用電纜。

1.1.5 高壓直流斷路器

高壓直流斷路器DCB 的作用是清除輸電線路直流側發(fā)生的故障，重新投入清除故障后的直流線路，避免系統(tǒng)停運。高壓直流斷路器有3 種類型，即全固態(tài)斷路器、機械式斷路器和全固態(tài)與機械式相結合的混合式斷路器，混合式斷路器因其兼具全固態(tài)和機械式的優(yōu)點，是未來發(fā)展的主要方向。高壓直流斷路器安裝在兩個換流站雙極出口位置，實現(xiàn)直流側故障的清除。

1.1.6 無功補償裝置

柔性直流輸電可實現(xiàn)有功和無功的獨立控制，在進行新能源輸電系統(tǒng)設計時無需考慮額外的無功補償裝置。若新能源輸電系統(tǒng)設計采用常規(guī)直流輸電時無法進行無功功率快速調節(jié)，需要考慮配置同步調相機，同步調相機可進行大量的無功補償，并且響應速度快。

1.2 主電路參數(shù)設計

1.2.1 子模塊數(shù)量

新能源輸電系統(tǒng)電壓等級高，換流站子模塊數(shù)量較多，是換流站最主要的成本，因此需要計算換流站最基本單元子模塊數(shù)量。根據(jù)換流閥單元直流側電壓Udc 和子模塊電容額定電壓UCN，可以求得單個換流閥單元橋臂子模塊數(shù)量N 為：

N=Udc/UCN（1）

為了實現(xiàn)故障穿越，提高運行可靠性，換流閥單元橋臂中可為半橋子模塊和全橋子模塊混合的結構，其中全橋子模塊數(shù)量占總橋臂數(shù)量比例至少為50%。

1.2.2 子模塊電容

引入等容量放電常數(shù)H，其定義是所有子模塊電容儲存的能量總和等于系統(tǒng)容量放電所能持續(xù)的時間的長度，其表達式為：

H=3CU2dc/SNN（2）

由式（2）可以得到電容C 的表達式如下：

C=HNSN/3U2dc（3）

由于新能源輸電系統(tǒng)電網(wǎng)頻率一致時，H 與電容電壓波動率ε 是不隨具體工程變化而變化的，因此當給定ε 的指標要求，根據(jù)H–ε 關系曲線（圖2）就能得到具體H 大小。在具體工程中系統(tǒng)輸送額定容量SN、直流母線電壓Udc 均是已知的，再根據(jù)式（3）可計算出子模塊電容參數(shù)。

1.2.3 橋臂電抗器

橋臂電抗器Larm 的取值主要取決于其必須避開的二倍頻環(huán)流諧振角頻率，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時其較小的值足以抑制直流側故障電流上升率。而作為聯(lián)接電抗器的一部分，相單元的等效電路如圖3 所示。

串聯(lián)諧振角頻率ωres 取值范圍較廣，通常經(jīng)濟合理的取值范圍在工頻ω0 附近，ωres 的計算公式如下：

由式（1）和式（3）可求得到N 和C，因此可以通過式（4）反推計算得到Larm。

2 控制保護策略

2.1 新能源場控制策略

為保證新能源穩(wěn)定輸出功率，在新能源場中機組輸出端加入兩級變流器實現(xiàn)對機組的并網(wǎng)控制，靠近機組一側變流器為機側變流器，另一側則為網(wǎng)側變流器。

當新能源系統(tǒng)為風力發(fā)電機全功率型時，機側變流器可采用定向矢量或直接轉矩控制，網(wǎng)側變流器可采用直接或間接電流控制；當新能源系統(tǒng)為風力發(fā)電機雙饋型時，機側變流器通過控制轉子勵磁電流實現(xiàn)功率調節(jié)，網(wǎng)側變流器可采用直接功率控制或基于虛擬磁鏈定向的矢量控制。若需要新能源場實現(xiàn)構網(wǎng)，則網(wǎng)側變流器可采用虛擬同步機或下垂控制實現(xiàn)PCC點電網(wǎng)電壓和頻率的支撐。

當新能源系統(tǒng)為光伏發(fā)電時，機側變流器為DC/DC 變流器，其具體結構為Boost 升壓電路，網(wǎng)側變流器為AC/DC 變流器，可采用電導增量法、擾動觀察法和恒定電壓法實現(xiàn)MPPT 控制，通過MPPT 控制使光伏發(fā)電工作在最大功率點。同樣當需要新能源場實現(xiàn)構網(wǎng)時，可采用虛擬同步機或下垂控制實現(xiàn)PCC 點電網(wǎng)電壓和頻率的支撐。

2.2 換流站控制策略

換流站控制是針對整流換流站和逆變換流站的控制，根據(jù)實現(xiàn)功能不同，兩個換流站控制任務是不同的。在高比例新能源發(fā)電下，需要對PCC 點進行構網(wǎng)，以實現(xiàn)頻率和電壓的支撐。當新能源場輸出端變流器未采用構網(wǎng)控制時，此時整流換流站可采用虛擬同步機控制或下垂控制實現(xiàn)構網(wǎng)，則直流母線電壓的穩(wěn)定則是通過控制逆變換流站得以實現(xiàn)，逆變換流站控制為定直流電壓控制；當新能源場輸出端變流器采用構網(wǎng)控制時，此時整流換流站采用跟網(wǎng)型控制，通過定直流電壓控制穩(wěn)定直流母線電壓，則逆變換流站采用功率控制，實現(xiàn)功率快速調節(jié)。

換流站主要包括系統(tǒng)級、閥級和子模塊級3 層控制，其中系統(tǒng)級控制是換流站的頂層控制，根據(jù)調度指令實現(xiàn)有功無功、直流電壓和交流電壓的控制；閥級控制是指換流站內換流單元中橋臂電壓和電流的控制；子模塊級控制是指換流站內最基本單元半橋或全橋子模塊直流側電容電壓的控制，保證子模塊電容電壓平衡。

2.3 故障保護策略

新能源輸電系統(tǒng)中存在各種各樣的故障，這些故障主要是由自然環(huán)境因素和設備固有缺陷所致，主要包括交流故障、直流故障和子模塊故障。

當發(fā)生交流故障時，交流側電流迅速增大，進一步導致?lián)Q流單元中橋臂電流迅速增大，在換流站電流內環(huán)控制中可通過對電流進行限幅，降低交流側輸出電壓以減小交流故障電流，此外需要在換流站交流側聯(lián)接變壓器加入差動保護。若采用常規(guī)直流輸電系統(tǒng)，由于是半控型器件，交流故障可能會引起換相失敗，可通過控制晶閘管觸發(fā)角且同時控制直流電流，進而降低換相失敗概率。

直流故障包括直流單極故障和直流雙極故障，當發(fā)生直流單極故障時，只需將故障極退出即可，另一極可正常運行。直流故障中直流雙極故障是所有故障中最嚴重的故障，其故障電流為三相短路故障電流與子模塊電容放電電流的疊加，除了通過高壓直流斷路器清除故障，也可以將換流站內最基本單元部分半橋子模塊更換為全橋子模塊，當直流側發(fā)生直流雙極故障時，全橋子模塊電容電壓提供負電壓從而實現(xiàn)故障穿越。與全采用全橋子模塊相比，混合式結構經(jīng)濟性更好。

子模塊故障包括子模塊取能故障、開關器件故障、電容過壓和電容欠壓等模塊級故障，這類故障發(fā)生在子模塊內部，其對系統(tǒng)運行影響較小，當這類故障發(fā)生時，要求系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常運行。在子模塊交流輸出側并聯(lián)一個旁路開關，一般為晶閘管器件，當子模塊正常時旁路開關為打開狀態(tài)，當檢測到子模塊發(fā)生故障時旁路開關動作，故障子模塊退出運行，取而代之的是冗余子模塊投入運行，實現(xiàn)模塊級故障穿越。

3 結束語

新能源輸電系統(tǒng)設計對于推動能源結構轉型、促進綠色低碳發(fā)展具有重大意義。通過優(yōu)化輸電網(wǎng)絡布局、提升輸電效率與穩(wěn)定性，新能源輸電系統(tǒng)正逐步成為未來電力供應的核心助力。總之，新能源輸電系統(tǒng)設計的不斷完善與創(chuàng)新，將為全球能源結構的優(yōu)化升級提供堅實支撐，引領人們邁向更加清潔、可持續(xù)的能源未來。

參考文獻

[1] 馮俊杰，辛清明，趙曉斌，等. 大規(guī)模新能源超遠距離送出的柔性直流系統(tǒng)集成設計方案[J]. 南方電網(wǎng)技術，2024，18（3）：34-44.

[2] 劉衛(wèi)東，李奇南，王軒，等. 大規(guī)模海上風電柔性直流輸電技術應用現(xiàn)狀和展望[J]. 中國電力，2020，53（7）：55-71.