廈門柔性直流輸電工程真雙極大功率試驗(yàn)方法研究

鄒煥雄　李 超 胡文旺 晁武杰

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廈門柔性直流輸電工程真雙極大功率試驗(yàn)方法研究

鄒煥雄李 超 胡文旺 晁武杰

（國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

廈門柔性直流輸電工程首次采用真雙極接線方式，缺乏相關(guān)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)方案。本文根據(jù)該工程特點(diǎn)提出大功率試驗(yàn)方法，包括雙極熱運(yùn)行、閥冷冗余、一極緊急停運(yùn)等試驗(yàn)內(nèi)容。通過大功率試驗(yàn)可驗(yàn)證設(shè)備性能是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并測量諧波含量、換流站效率等參數(shù)。試驗(yàn)方法和結(jié)果可為廈門柔性直流輸電工程運(yùn)行參數(shù)調(diào)整和模塊化多電平換流器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)也可為其他工程調(diào)試提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

模塊化多電平換流器；柔性直流輸電；大功率；真雙極；緊急停運(yùn)

廈門柔性直流輸電科技示范工程是世界上第一個(gè)采用真雙極接線方案，輸送電壓和容量最大的柔性直流輸電工程，工程直流電壓為±320kV、輸送容量為1000MW。開展大功率試驗(yàn)是為了考核廈門柔性直流輸電工程全部設(shè)備的性能是否符合有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求。通過大功率試驗(yàn)可協(xié)調(diào)和優(yōu)化設(shè)備之間、各分系統(tǒng)之間的配合，以提高系統(tǒng)的整體綜合運(yùn)行性能，是系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中關(guān)鍵試驗(yàn)之一。

國內(nèi)柔性直流輸電領(lǐng)域研究處于起步階段[1-5]，已投運(yùn)的柔性直流輸電工程投運(yùn)時(shí)間較短，缺少長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[6-8]，尤其是廈門柔性直流輸電工程首次采用真雙極接線方式，其相關(guān)控制策略、運(yùn)行方式和調(diào)試方法均處于摸索階段[9-11]。同時(shí)由于常規(guī)運(yùn)行時(shí)廈門島內(nèi)負(fù)荷無法滿足大功率試驗(yàn)所需條件，因此需要電網(wǎng)調(diào)度部門協(xié)助完成部分線路運(yùn)行狀態(tài)修改、機(jī)組出力、保護(hù)定值變更等配合工作。為了保證廈門重要客戶用電安全，大功率試驗(yàn)面臨時(shí)間短、任務(wù)重等困難。目前亟需提出完整的大功率試驗(yàn)方法，以確保在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成全部相關(guān)測試內(nèi)容。

本文根據(jù)廈門柔性直流輸電工程技術(shù)特點(diǎn)，提出雙極熱運(yùn)行試驗(yàn)、閥冷系統(tǒng)冗余試驗(yàn)、一極緊急停運(yùn)試驗(yàn)等方案，可考核換流閥、橋臂電抗器等設(shè)備的帶負(fù)荷能力，驗(yàn)證閥冷外冷設(shè)備的冗余性能并調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，測試一極緊急停運(yùn)時(shí)另外一極是否正常工作，測量諧波含量、換流站效率等參數(shù)。試驗(yàn)方法和結(jié)果可為柔性直流輸電工程調(diào)試和運(yùn)行參數(shù)調(diào)整提供借鑒和依據(jù)。

1 雙極大功率試驗(yàn)方法

1.1 換流站基本參數(shù)

廈門柔性直流輸電工程真雙極接線結(jié)構(gòu)如圖1所示[12-13]。工程新建兩座換流站（浦園站、鷺島站），每站分為極Ⅰ、極Ⅱ兩個(gè)閥廳，閥廳由6個(gè)橋臂構(gòu)成，橋臂采用216個(gè)獨(dú)立子模塊（包括冗余模塊）串聯(lián)的方式，子模塊采用半橋電路結(jié)構(gòu)（圖1右側(cè)）。

極Ⅰ、極Ⅱ可單獨(dú)控制運(yùn)行方式、功率、運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，每極最大輸出功率為500MW，整個(gè)工程傳輸容量可達(dá)到1000MW。

在HVDC運(yùn)行方式下[14-15]，系統(tǒng)穩(wěn)定后直流母線電壓達(dá)到額定值，其計(jì)算式為

式中，dcN為解鎖后直流母線電壓額定值；p為交流出口相電壓有效值（額定值96.2kV）；為電壓調(diào)制比（額定值0.85）。根據(jù)式（1）計(jì)算直流母線電壓額定值為320kV。

圖1 廈門柔性直流輸電工程主電路拓?fù)?/p>

真雙極接線具有多種運(yùn)行方式，極Ⅰ、極Ⅱ可整體運(yùn)行，也可單獨(dú)運(yùn)行，具體運(yùn)行方式包括[8]：

1）雙極帶金屬返回線單端接地運(yùn)行。金屬回流線在一端換流站單點(diǎn)接地。接地點(diǎn)僅起鉗制電位的作用，不提供直流電流通路。兩極不平衡電流通過金屬回流線返回。

2）單極帶金屬返回線單端接地運(yùn)行。極Ⅰ和極Ⅱ分別單極帶金屬返回線單端接地運(yùn)行，接地點(diǎn)的作用同運(yùn)行方式（1）。接地點(diǎn)無直流電流通過，極電流通過金屬回流線返回。

3）雙極不帶金屬返回線雙端接地運(yùn)行。極Ⅰ、極Ⅱ作為一個(gè)整體運(yùn)行。

4）換流站獨(dú)立作為STATCOM運(yùn)行。此運(yùn)行方式可分為：極極Ⅰ、極Ⅱ換流器共同作為STATCOM運(yùn)行，極Ⅰ換流器作為STATCOM運(yùn)行，極Ⅱ換流器作為STATCOM運(yùn)行。

1.2 雙極大功率試驗(yàn)方案

1）雙極熱運(yùn)行試驗(yàn)

本試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)換流閥、橋臂電抗器等主設(shè)備的帶滿負(fù)荷性能，同時(shí)測試相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。具體試驗(yàn)步驟如下。

（1）起動(dòng)雙極直流系統(tǒng)并解鎖運(yùn)行。

（2）提升功率參考值并在20%、40%、60%、80%額定功率時(shí)維持運(yùn)行5min，上升速率為30MW/min。

（3）功率提升至額定功率，系統(tǒng)穩(wěn)定后持續(xù)運(yùn)行至少6h。

（4）額定功率運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)檢查，包括交流母線電壓、閥側(cè)電流、換流變壓器分接頭位置、直流電壓、直流電流、直流功率等電氣參數(shù)；換流變壓器油溫、線圈溫度、閥廳溫度等環(huán)境參數(shù)。

（5）測量兩端換流站交流側(cè)、直流側(cè)橋臂電流諧波。

（6）將無功功率調(diào)整到零，可記錄各站電度表實(shí)時(shí)顯示功率，測量兩換流站總損耗。

（7）測試完成后減少功率參考值，將功率調(diào)整到零后閉鎖并停運(yùn)。

2）閥冷冗余試驗(yàn)

閥外冷卻系統(tǒng)配置3座冷卻塔，其中1臺(tái)為冗余設(shè)置。為了考核冷卻系統(tǒng)冗余能力，在輸送額定功率工況下關(guān)閉一座冷卻塔（模擬該塔故障后退出運(yùn)行），考核進(jìn)/出閥水溫是否超標(biāo)。具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）起動(dòng)該極直流系統(tǒng)，輸送額定功率，等待系統(tǒng)穩(wěn)定。

（2）關(guān)閉一座冷卻塔的內(nèi)冷水進(jìn)水閥門，等待至少15min，觀察進(jìn)/出閥溫度的上升情況，溫度上升至備用風(fēng)機(jī)起動(dòng)值時(shí)檢查外冷卻塔備用風(fēng)機(jī)是否起動(dòng)。

（3）進(jìn)/出閥溫度穩(wěn)定后，打開該閥門。

（4）關(guān)閉一座冷卻塔的風(fēng)機(jī)和噴淋泵，使該冷卻塔失去冷卻能力，等待至少15min，觀察進(jìn)/出閥溫度的上升情況，溫度上升至備用風(fēng)機(jī)起動(dòng)值時(shí)檢查其他外冷卻塔備用風(fēng)機(jī)是否起動(dòng)。

（5）進(jìn)/出閥溫度穩(wěn)定后，恢復(fù)該冷卻塔的風(fēng)機(jī)和噴淋泵正常運(yùn)行。

3）一極緊急停運(yùn)試驗(yàn)

在雙極功率控制方式下，一極帶額定功率、另一極空載，手動(dòng)停運(yùn)額定功率極，驗(yàn)證是否能轉(zhuǎn)移負(fù)荷至另一極并正常工作。具體試驗(yàn)步驟如下。

（1）起動(dòng)雙極直流系統(tǒng)，一極設(shè)置輸送額定功率，一極設(shè)置零功率，等待系統(tǒng)穩(wěn)定。

（2）將額定功率極手動(dòng)緊急停運(yùn)。

（3）核實(shí)另一極功率是否自動(dòng)上升，雙極總輸送功率不變。

（4）測試完成后減少功率參考值，將功率調(diào)整到零后閉鎖并停運(yùn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在大功率試驗(yàn)時(shí)，各換流站電氣量參數(shù)運(yùn)行平穩(wěn)，交流母線電壓、閥側(cè)電流、換流變壓器分接頭位置、直流電壓、直流電流、直流功率等均應(yīng)與設(shè)計(jì)值相符，部分試驗(yàn)波形如圖2所示。兩端換流站換流變壓器（包括套管）油溫、線圈溫度、閥冷卻水溫度均在規(guī)定范圍內(nèi)。換流站交流側(cè)電流和橋臂電流諧波測試結(jié)果如圖2所示，浦園站最大諧波為5次，諧波含量約0.50%；橋臂電流二倍頻環(huán)流均小于0.4%，四倍頻分量略大，約為1.0%。換流站損耗測試結(jié)果見表1，兩換流站間所有設(shè)備的總損耗約為2%。

（a）交流電壓

（b）直流電壓

（c）交流電流

（d）橋臂電流

圖2 雙極熱運(yùn)行試驗(yàn)波形

關(guān)閉一座冷卻塔的內(nèi)冷水進(jìn)水閥門后，冷卻水流量降低，進(jìn)/出閥溫度上升。約13min后，進(jìn)閥溫度超過36℃，三座冷卻塔的備用風(fēng)機(jī)均起動(dòng)。由表2可以看出，備用風(fēng)機(jī)起動(dòng)后，進(jìn)/出閥溫度降低，試驗(yàn)穩(wěn)定后溫度值甚至低于試驗(yàn)前。進(jìn)閥溫度最大溫升為2.59℃，出閥溫度最大溫升為2.58℃。試驗(yàn)結(jié)果表明閥冷系統(tǒng)失去冗余后，可通過起動(dòng)備用風(fēng)機(jī)的方式使進(jìn)/出閥溫度得到有效控制，確保直流系統(tǒng)正常運(yùn)行。

表1 功率與損耗

表2 閥冷冗余試驗(yàn)結(jié)果

浦園站極Ⅱ手動(dòng)起動(dòng)緊急停運(yùn)，直流系統(tǒng)正確閉鎖并跳閘，浦園、鷺島極Ⅱ交流進(jìn)線開關(guān)跳開。如圖3所示，在緊急停運(yùn)過程中未出現(xiàn)意外的暫態(tài)電流及暫態(tài)電壓。極Ⅱ跳閘后，其功率迅速轉(zhuǎn)移到極Ⅰ，功率轉(zhuǎn)移的時(shí)間僅為約20ms。在功率轉(zhuǎn)移過程中，極Ⅰ被充電使直流側(cè)電壓升高，本試驗(yàn)中其最大值約為327kV。功率轉(zhuǎn)移結(jié)束后，極Ⅰ輸送跳閘之前的總功率。電網(wǎng)系統(tǒng)所承受的單極閉鎖沖擊小，暫態(tài)過程短。

（a）直流母線電壓Ⅰ極

（b）電壓交流母線Ⅱ極

（c）電流交流母線Ⅱ極

（d）功率

圖3 一極緊急停運(yùn)試驗(yàn)波形

3 結(jié)論

針對(duì)目前缺乏真雙極接線柔性直流輸電工程相關(guān)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀，本文根據(jù)廈門柔直工程特點(diǎn)首次提出了雙極大功率試驗(yàn)方法，具體包括雙極熱運(yùn)行試驗(yàn)、閥冷冗余試驗(yàn)和一極緊急停運(yùn)試驗(yàn)等。通過大功率試驗(yàn)驗(yàn)證了換流閥器等設(shè)備的帶負(fù)荷能力、閥冷系統(tǒng)冗余性能、一極緊急停運(yùn)時(shí)另外一極是否正常工作等功能，并測量出諧波含量、換流站效率等數(shù)據(jù)。相關(guān)試驗(yàn)順利完成，證明了本文大功率試驗(yàn)方法的有效性和可行性，為廈門柔性直流輸電工程正常投運(yùn)提供了技術(shù)支撐，也可為其他工程調(diào)試提供了可借鑒的典型案例。

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Bipolar High Power Experimental Method of Xiamen HVDC Flexible Transmission Project

Zou Huanxiong Li Chao Hu Wenwang Chao Wujie

(State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007)

The bipolar mode was firstly adopted in Xiamen HVDC flexible transmission project, and it was lack of relevant debugging experience and experimental method. According to the characteristics of Xiamen project, the high power experimental method was proposed, including bipolar thermal performance test, cooling system redundance test and emergency shutdown test. It is verified that the equipments are in compliance with the requirements by high power experiment, and the parameters such as harmonic and loss are measured during the test. Experimental method and results can provide basis for adjusting the operating parameters of the HVDC flexible project and optimizing the design of the converter, and can also provide experience for the construction of other HVDC flexible project.

modular multilevel converter; HVDC flexible; high power; bipolar mode; emergency shutdown

國家電網(wǎng)科技項(xiàng)目（52130415000Z）

鄒煥雄（1985-），男，福建省龍巖市人，本科，工程師，主要從事柔性直流輸電技術(shù)、繼電保護(hù)及自動(dòng)化技術(shù)研究。