一種適用于遠距離輸電的柔性直流輸電系統(tǒng)

林呈輝 劉寶誠 張海濤 郝寶泉

（1.貴州電力試驗研究院，貴陽 550000；2.榮信電力電子股份有限公司，北京 100084）

近些年來，隨著電力系統(tǒng)和電力電子技術和控制技術的飛速發(fā)展的發(fā)展，出現(xiàn)了許多采用大功率電力電子器件的設備，電力系統(tǒng)中有功、無功控制設備技術日趨完善。柔性直流輸電裝置控制功能多樣化，閥組體積小，無需換流變壓器，裝置自身不需要濾波，可使換流站的結構簡單。柔性直流輸電技術尤其適用于1～100MW的中小型發(fā)電和輸電應用，其用途包括遠距離無源網絡供電、新能源并網、孤島及海上鉆井平臺供電及用來構成大城市內多端直流輸電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的交流配電網等，具有廣泛的應用前景[1-3]。

本文重點介紹一種基于大功率電力電子器件技術實現(xiàn)有功傳輸?shù)目刂瞥商自O備即柔性直流輸電設備。文中依據(jù)實際工程應用，介紹了VSC-HVDC在功率單元拓撲結構、控制保護等方面的設計、制造等技術原理。通過對柔性直流輸電系統(tǒng)的整流機逆變側閥組的組成方式、對控制系統(tǒng)的分層控制系統(tǒng)的描述介紹了柔性直流輸電系統(tǒng)快速、獨立地控制與交流系統(tǒng)交換有功和無功功率的方式，說明柔性直流輸電通過不同的控制方式可以控制接入點的電壓并方便靈活的調整潮流，可以大幅的提高交流系統(tǒng)功角穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、降低損耗、便于故障后快速恢復等技術優(yōu)勢。

1 主要功率組件設計

大功率電力電子功率單元是柔性直流輸電系統(tǒng)的核心組成部分，由大功率換流模塊鏈接組成整流側閥組和逆變側閥組，如圖1（a）所示柔性直流輸電整流功率單元原理圖，整流側功率單元可以是不可控整流和全控整流方式，不可控整流通常為二極管整流方式。本文主要介紹的是以IGBT為主核心器件組成的三相全橋的全控整流方式。

1.1 整流站

整流側由多個功能與結構相同的大功率換流單元組成，整流側前端連接整流變壓器，負責接收變壓器提供給功率模塊的能量，多個功能與結構相同的大功率模塊鏈接形成一個直流電源，整流鏈這種直流電源通過直流電纜將接收到的電能傳輸?shù)侥孀兌说拈y組，具有輸入電流、直流電壓檢測以及溫度開關檢測功能，整流功率單元控制板檢測這些信號后，反饋給主控系統(tǒng)，同時具備熔絲保護、過壓、欠壓、超溫、過流保護等[4-7]。

圖1 柔性直流輸電功率單元原理圖

1.2 逆變站

如圖1（b）所示柔性直流輸電逆變功率單元原理圖，逆變側功率單元通過SPWM調制和LC濾波電路輸出400～600V交流電壓，直接給負荷供電。低壓交流電源也可通過逆變變壓器升壓至10kV供中壓負荷用電，逆變側功率單元設計中具備直流開關的能力，可以快速的關斷直流電壓，這種方式的單元設計可以在檢測到直流側短路時，控制器發(fā)出控制命令迅速使直流開關動作，減小橋臂受到的沖擊電流，這種方式有效的防止對交流系統(tǒng)的影響。

2 系統(tǒng)設計

2.1 拓撲結構

如圖2所示為柔性直流輸電供電系統(tǒng)拓撲結構圖，柔性直流輸電系統(tǒng)采用雙極供電方式。整個系統(tǒng)由兩套功能、結構均相同的整流閥組和逆變閥組分別接入正負直流母線，正負直流母線形成一種并聯(lián)的供電方式，圖中左半部分表示換流站整流閥組部分，包括整流站變壓器和整流單元；右半部分表示換流站逆變閥組部分，包括逆變單元和逆變站變壓器；中間部分為直流傳輸電纜[8-11]。這種可以單極供電的方式大大提高了系統(tǒng)供電的可靠性。

圖2 雙極系統(tǒng)拓撲結構圖

2.2 控制系統(tǒng)

柔性直流輸電設備常規(guī)均采用基于可關斷電力電子器件的電壓源型換流器和PWM脈寬調制技術，是一個比較復雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)設備運行性能完全依賴于其可靠的控制系統(tǒng)。設計一個合理的控制體系能有效的提高直流輸電工程的使用性及可靠性等指標。與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)相類似，為了使控制系統(tǒng)故障引起的直流系統(tǒng)故障率降到最小，柔性直流控制系統(tǒng)需采用多重化和分層結構[11-15]。

柔性直流輸電系統(tǒng)的控制原理可以理解為控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)提出的運行要求，發(fā)出合適的PWM觸發(fā)脈沖，以實現(xiàn)對換流器閥組的開關控制，進而獲得預期的潮流、電壓等運行指標。

換流器控制的主要實現(xiàn)功能包括：①接受控制模式指令，完成有功類和無功類開閉環(huán)控制；②PLL功能；③閉環(huán)電流控制；④控制不對稱的負序分量、抑制橋臂環(huán)流；⑤生成各個換流閥橋臂控制電壓；⑥完成換流器級的監(jiān)視和保護功能等。

柔性直流輸電系統(tǒng)的控制按其功能由高至低依次為系統(tǒng)級控制（System Control）、換流站級控制）（Converter Control）和換流器觸發(fā)級控制（Firing Control）這三個層次。如此區(qū)分可以有效的簡化設計任務，使控制系統(tǒng)的靈活性提高。在實際的控制器設計中，三個不同層次的控制會進行一定程度的整合與交叉處理。

圖3 柔性直流分層控制系統(tǒng)

1）整流站

整流站采用基于直接電流控制的PWM技術的控制方式，直流輸電系統(tǒng)每個整流功率模塊的控制目標為其輸出的直流電壓，以4000KVA的直流輸電裝置為例，其兩極換流鏈均由12個功率模塊的直流輸出側串聯(lián)，正負極為總計為24個功率模塊，組成直流輸出。所有的功率模塊間沒有并聯(lián)關系，當一個功率模塊故障后，其所處的輸電極進入閉鎖狀態(tài)，此時雙極供電方式亦變?yōu)閱渭壒╇奫16-20]。

2）逆變站

以4000kVA的直流輸電裝置為例，其兩極換流鏈是由12個功率模塊的直流輸入側串聯(lián)組成，正負極總計24個功率模塊，這24個模塊的交流輸出側分別于逆變側多繞組變壓器相連，形成并聯(lián)輸出，同整流側一樣模塊直流側之間是串聯(lián)的關系，當一條直流母線的模塊故障的情況下此條直流母線的模塊閉鎖，另一條直流母線的功率實現(xiàn)單極供電。

逆變站的控制部分相較整流側復雜一些，總的來說分為兩大部分，一是電壓環(huán)控制方式，即需要采用有效PI控制，經過計算后，統(tǒng)一下發(fā)給每個功率模塊PI值；二是在每個功率模塊接收到PI給定值后，轉換為三相瞬時電流給定值，此時對瞬時電流進行控制，起到均流的作用，此為均流環(huán)控制[16-20]。

3 工程應用

3.1 中海油工程簡介

隨著能源危機的出現(xiàn)，對海底油氣資源的開發(fā)越來越多。現(xiàn)有海上鉆井平臺采用柴油發(fā)電機供電，缺點如下：占地面積大、效率低（20%～25%）、氣體和噪聲污染嚴重、黑起動時對電纜絕緣沖擊較大，維護成本較高。中海油油田群19-1A至15-1A平臺單相海纜絕緣損壞情況，經改造后，如圖4示意圖所示，中海油柔性直流輸電項目將原三相35kV輸電通道改為柔性直流輸電利用絕緣損壞海纜作為地線，節(jié)約鋪設新海纜資金，縮短施工時間。中海油項目海底輸送距離約為40km。

圖4 中海油改造后的直流供電系統(tǒng)

中海油柔性直流輸電項目整流站交流系統(tǒng)電壓10.5kV，直流側電壓達到±10kV，其容量為4000kVA；逆變站交流系統(tǒng)電壓400V，直流側電壓亦達到±10kV，其容量為3150kVA。2011年3月21日此系統(tǒng)在中海油文昌油田群19-1A至15-1A平臺成功投運。

文昌油田群柔性直流輸電投運完全滿足現(xiàn)場平臺的供電需求并達到相關的電能質量要求，下面的表1為逆變站高壓空載試驗記錄，表2為逆變站突增/突減負載記錄。

表1 逆變站高壓空載試驗記錄

表2 逆變站突增/突減負載記錄

由表1、表2分析可得，逆變站高壓空載時，輸出電壓達到目標要求；當負載容量為1980kW時，負載突然掉電，尖峰輸出電壓為425V，亦在電網電壓的允許范圍內，而后又回到穩(wěn)定電壓?，F(xiàn)場試驗說明逆變站突增/突減負載時輸出電壓波動滿足電網供電要求。

該套設備已在現(xiàn)場成功運行半年多，達到海上油氣田供電要求，相比原平臺臨時柴油發(fā)電機，采用柔性直流輸電給海上作業(yè)平臺供電具有下列優(yōu)點：運行更穩(wěn)定，可靠；正常運行時，頻率、電壓穩(wěn)定；噪聲小，環(huán)保。

3.2 南澳島工程簡介

基于南方電網公司國家863科技項目“大型風電場柔性直流輸電接入技術研究與開發(fā)”的示范工程需求，在汕頭南澳島上建成一個±160kV，輸送容量為200MW的3端柔性直流輸電系統(tǒng)。在汕頭南澳島上建設2個送端換流站（金牛站和青澳站），在澄海區(qū)塑城站近區(qū)建設1個受端換流站（塑城站），同期建設直流側、交流側的線路以及相關變電站的配套擴建設施。其中牛頭嶺和云澳風電場通過金牛換流站送出，青澳風電場接入青澳換流站，通過青澳～金牛的直流線路匯集至金牛換流站，匯集至金牛換流站的電力通過直流架空線電纜混合線路送出至大陸塑城換流站。塑城換流站交流出線，送至220kV塑城站的110kV側。遠期規(guī)劃的塔嶼風電場投產后將建成4端柔性直流輸電系統(tǒng)。柔性直流示范工程接入大型風電場方案如圖5所示。

圖5 柔性直流輸電示范工程系統(tǒng)接入方案

1）控制系統(tǒng)

在塑城站、金牛站和青澳站三個換流站，每個換流站設計SCADA站控一套，并在塑城站設計集控中心；預留遠期規(guī)劃的塔嶼風電場環(huán)流站接口。集控中心結構圖如圖6所示。

圖6 集控中心結構圖

南澳島工程控制保護系統(tǒng)分層為：遠方調度中心通信層；集控中心層；換流站監(jiān)控層；控制保護層；現(xiàn)場I/O層。直流控制保護系統(tǒng)采用榮信慧科公司獨創(chuàng)HUIC控制系統(tǒng)。HUIC控制器具有架構完善、運算能力強、接口豐富、應用靈活、擴展性強等特點，能夠滿足各種復雜、高速、高性能的工業(yè)控制系統(tǒng)及高性能產品對于控制器的需求，特別是在柔性直流輸電控制保護方面充分發(fā)揮其性能和特點，有很高的性能價格比。集控中心站采用分層結構，雙重化設計，多路復用技術和光纖環(huán)網以及遠程監(jiān)控技術，有利于功能的實現(xiàn)，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，并且實現(xiàn)遠程完整監(jiān)視和控制各換流站，達到穩(wěn)定運營柔性直流輸電系統(tǒng)，增加經濟效益的目的。

2）多端系統(tǒng)換流器介紹

南澳島柔性直流輸電采用模塊化多級換流器（MMC）拓撲結構，即由多個功率模塊串聯(lián)而成，如圖7所示。多級換流器本體可以依次逐級分解為相單元、橋臂單元、閥塔、閥段和子模塊等[21-23]。

圖7 模塊化多電平換流器拓撲結

4 結論

文中主要通過對主功率器件閥組設計、控制系統(tǒng)設計兩大部分介紹了柔性直流輸電裝置工作原理，可以看到柔性直流輸電技術能在向系統(tǒng)提供有功功率的同時提供系統(tǒng)所需的無功功率，柔性直流輸電裝置具備同時提供有功、無功的能力在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力等方面具有明顯優(yōu)勢。

結合實際工程設計及實施方案詳細描述了適用于遠距離輸電的柔性直流輸電系統(tǒng)的組成方式及實施效果。柔性直流輸電克服了傳統(tǒng)直流輸電的固有缺陷，使得直流輸電的應用范圍得到擴展，為直流輸電技術的發(fā)展開辟了一個新的方向。本文的研究成果論證了柔性直流輸電設備可以應用到連接分散的小型發(fā)電廠、不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運行、構筑城市直流輸配電網、向偏遠地區(qū)供電、海上供電、提高配電網電能質量等廣泛的領域。同時文中在功率組件設計及控制系統(tǒng)設計為今后的柔性直流輸電工程開展做了良好的技術儲備，具有深遠的意義。

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