配網(wǎng)柔性直流背靠背互聯(lián)接線方案

蘇 成，簡翔浩，倫振堅

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，大量分布式能源及更大規(guī)模的電力負荷接入系統(tǒng)，使配網(wǎng)的運行特點和結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化。傳統(tǒng)的配網(wǎng)正面臨供電負荷不均衡、供電容量與負荷需求不匹配、電能質(zhì)量以及供電可靠性不能滿足接入負荷的需求等問題[1-2]。柔性直流技術(shù)不存在無功補償問題和換相失敗問題，可以為無源系統(tǒng)供電，具有有功和無功可獨立調(diào)節(jié)控制、諧波水平低、占地面積小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)[3]。相關(guān)研究表明，基于柔性直流技術(shù)的配電系統(tǒng)可提升電能質(zhì)量和提高供電可靠性，正受到越來越多的關(guān)注，已有多個工程投產(chǎn)運行[4-6]。

配網(wǎng)柔性互聯(lián)的主要形態(tài)包括基于背靠背的柔性互聯(lián)形態(tài)、含直流母線的點對點柔性互聯(lián)形態(tài)和交直流混合柔性互聯(lián)形態(tài)3種[1]。系統(tǒng)的接線方案直接影響整個系統(tǒng)的可靠性和工程造價。文章基于配網(wǎng)柔性直流背靠背互聯(lián)形態(tài)對其接線進行研究，提出可靠性高、技術(shù)經(jīng)濟合理的接線方案。

1 系統(tǒng)接線方式

柔性直流系統(tǒng)的接線方式主要有不對稱單極接線、對稱單極接線以及對稱雙極接線3種。

與傳統(tǒng)直流輸電類似，不對稱單極接線方式只有一條極線，然后通過大地或金屬回線構(gòu)成一個完整的回路。雖然不對稱單極接線只有一個換流器，接線簡單，造價較低，但系統(tǒng)可靠性較差，極線電壓即為極間電壓，對極線設(shè)備絕緣水平要求較高。

對稱單極接線方式也只有一個換流器，包含2個極線。它的極線電壓只有極間電壓的1/2，降低了極線設(shè)備的絕緣水平。正常運行情況下，聯(lián)接變閥側(cè)交流設(shè)備不承受較大的直流偏置電壓，設(shè)備制造更容易。相對于不對稱單極接線，對稱單極接線輸送容量更大，可靠性更高。目前，已投產(chǎn)的配網(wǎng)柔性直流項目均采用此接線方式。

對稱雙極接線有2個換流器，極線電壓與對稱單極接線相同。相對于對稱單極接線，這種接線的運行方式多，輸送容量大，可靠性也高，但聯(lián)接變閥側(cè)交流設(shè)備需承受由直流電壓不對稱造成的直流偏置電壓，提高了對聯(lián)接變壓器及相關(guān)設(shè)備的絕緣要求。

配網(wǎng)柔性直流背靠背互聯(lián)系統(tǒng)傳輸容量相對較小，從降低項目投資的角度出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有工程經(jīng)驗，推薦采用對稱單極接線方式。

2 聯(lián)接變壓器配置方式

2.1 配置聯(lián)接變壓器的電氣接線

柔性直流系統(tǒng)中，聯(lián)接變壓器的主要作用如下[7]。第一，提供電壓匹配，變換交流系統(tǒng)的電壓，使柔性直流換流閥工作在最佳的電壓范圍內(nèi)，減少輸出電壓和電流的諧波分量。第二，提供部分聯(lián)接電抗，以抑制諧波分量和故障電流。第三，隔離兩側(cè)交流系統(tǒng)，使其互不影響，特別是隔斷零序電流在兩側(cè)交流系統(tǒng)之間的通路。

配置聯(lián)接變壓器時，兩側(cè)交流系統(tǒng)經(jīng)聯(lián)接變壓器連接模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC），經(jīng)MMC變換到直流后互聯(lián)，接線方式如圖1所示。

圖1 對稱單極接線

配網(wǎng)中壓系統(tǒng)一般采用非有效接地方式，聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)采用三角形接線，聯(lián)接變壓器閥側(cè)采用星型接線，中性點采用經(jīng)電阻接地形式為柔直系統(tǒng)提供可靠的零電位參考。同時，△/Y接線形式可阻斷聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)至閥側(cè)系統(tǒng)的零序通路，有效阻斷3n（n∈R）次諧波及零序分量在交、直流系統(tǒng)間乃至互聯(lián)的兩側(cè)交流系統(tǒng)之間的傳遞。

柔性直流互聯(lián)容量一般在10 MVA級別，聯(lián)接變壓器一般采用油浸式，設(shè)備體積和重量較大，占地面積多，含油量較大，消防問題突出。一般情況下為戶外使用，戶內(nèi)使用時對空間要求較大，在土地資源緊張地區(qū)使用不具優(yōu)勢。

2.2 配置直流變壓器的電氣接線

設(shè)計系統(tǒng)時，參數(shù)設(shè)計可實現(xiàn)交流饋線電壓與柔性直流換流閥交流側(cè)電壓的匹配，而聯(lián)接電抗可通過設(shè)計合理的橋臂電抗器電抗值來實現(xiàn)。因此，可考慮取消聯(lián)接變壓器的方案，減小柔直背靠背互聯(lián)系統(tǒng)整體的體積、重量以及占地面積。

系統(tǒng)設(shè)計可以滿足取消聯(lián)接變壓器后的前兩種功能。為了實現(xiàn)常規(guī)聯(lián)接變壓器的第3種功能，可采用直流變壓器。直流變壓器是一種電力電子變壓器，通常由電力電子電路和高頻變壓器組成，具有類似于傳統(tǒng)工頻變壓器電壓等級變換和電氣隔離功能[8]。配置直流變壓器的電氣接線，如圖2所示。

圖2 配置直流變壓器的電氣接線

與傳統(tǒng)的聯(lián)接變壓器相比，直流變壓器具有調(diào)節(jié)電能質(zhì)量的能力和多端口運行功能，方便其他設(shè)施以直流型接入，靈活性更高。兩端換流器均可以構(gòu)造直流母線段，方便遠期擴展。同時，直流變壓器為全干式結(jié)構(gòu)，無絕緣油。

2.3 方案比較

通過分析可知，配置聯(lián)接變壓器的電氣接線與配置直流變壓器的電氣接線2種接線方式的比較如表1所示。配置直流變壓器的方案在運行靈活性、消防安全、設(shè)備體積和重量以及占地面積方面有一定的優(yōu)勢，有著較好的應(yīng)用前景。它的造價目前較常規(guī)聯(lián)接變方案高，但隨著功率半導(dǎo)體器件、直流電容等關(guān)鍵元器件的工藝技術(shù)越來越成熟，以及關(guān)鍵器件的國產(chǎn)化，造價將越來越低。因此，對于在土地資源緊張的高負荷密度地區(qū)，配網(wǎng)柔性直流背靠背互聯(lián)系統(tǒng)推薦采用配置直流變壓器的方式。

表1 2種接線方式比較

3 柔直互聯(lián)系統(tǒng)接線方式

3.1 系統(tǒng)運行方式

柔性直流背靠背互聯(lián)系統(tǒng)有3種運行方式。第一，背靠背運行方式。柔性直流背靠背互聯(lián)系統(tǒng)均正常工作，系統(tǒng)指令控制兩側(cè)交流系統(tǒng)的功率交換，可以靈活分配負荷，提高供電效率和設(shè)備利用率。第二，不間斷電源供電模式。柔直互聯(lián)系統(tǒng)一側(cè)交流母線發(fā)生故障時，交流系統(tǒng)切除交流母線區(qū)域，柔直互聯(lián)接系統(tǒng)另一側(cè)交流線路經(jīng)互聯(lián)系統(tǒng)提供緊急支援供電。第三，STATCOM運行方式。STATCOM方式運行時，背靠背系統(tǒng)兩側(cè)的柔直換流器獨立運行在STATCOM模式，為兩側(cè)交流系統(tǒng)提供無功支撐。

3.2 換流器及直流變壓器拓撲選擇

從系統(tǒng)運行方式需求來看，直流側(cè)故障時需要快速隔離故障區(qū)域，保證系統(tǒng)的可用率。因此，需采取措施清除直流側(cè)故障。常用的措施有采用交流斷路器清除、采用直流斷路器清除以及采用換流器自清除等[9]。

采用交流斷路器清除時，需斷開柔直互聯(lián)系統(tǒng)兩側(cè)的交流斷路器。此時，柔直互聯(lián)系統(tǒng)完全被切除，無法繼續(xù)為交流系統(tǒng)提供無功支撐，限制了柔直互聯(lián)系統(tǒng)的運行方式。

采用直流斷路器清除時，需要裝設(shè)直流斷路器。由于直流電流無自然過零點，需要增加額外的電路來制造電流過零點以實現(xiàn)開斷。目前，裝設(shè)的直流斷路器主要有機械式直流斷路器、固態(tài)直流斷路器和混合式直流斷路器3種。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前的設(shè)備價格仍較高。

采用換流器自清除方式是換流器采用具有故障自清除能力的拓撲，利用換流器的特性清除故障電流。換流器多采用“全橋+半橋”的混合拓撲。對于配網(wǎng)柔直互聯(lián)系統(tǒng)，由于直流電壓等級較低，換流器橋臂子模塊數(shù)量少，部分子模塊采用全橋型對整體的造價影響不大。此方式無須增加其他設(shè)備，且能有效隔離故障區(qū)域，縮小故障影響范圍，也不影響柔直互聯(lián)系統(tǒng)的運行方式。半橋和全橋子模塊接線如圖3所示。

圖3 半橋和全橋子模塊接線

文章推薦換流器及直流變壓器采用具有故障自清除能力的“全橋+半橋”混合拓撲結(jié)構(gòu)，同時直流變壓器采用基于雙主動全橋中頻功率模塊的模塊化設(shè)計方案，有效隔離背靠背互聯(lián)系統(tǒng)兩側(cè)零序通路。

3.3 系統(tǒng)接地方式

對于傳統(tǒng)的柔直背靠背互聯(lián)系統(tǒng)，配置聯(lián)接變壓器時通常有4種接地方式。方式1為在直流極線上并聯(lián)2個阻值相等的電阻接地。此方式簡單、直接、有效，且成本較低。但是，在直流系統(tǒng)正常運行時，電阻是一個長期負荷，功率損耗較大，因此接地電阻阻值選擇不宜太小。方式2為從直流極線間集中支撐電容的中點引出進行接地。此方式較簡單，但對于采用電壓源型換流器的柔性直流系統(tǒng)，直流電容分布在換流器的各個子模塊中，一般不在直流側(cè)單獨設(shè)置集中的支撐電容。方式3為當(dāng)聯(lián)接變閥側(cè)繞組采用Y接線時，由于存在中性點，可采用中性點直接經(jīng)電阻接地。方式4為當(dāng)聯(lián)接變閥側(cè)繞組為Δ接線時，可以采用配置星型電抗經(jīng)電阻接地方式。在不配置聯(lián)接變壓器時，方式3和方式4不適用。柔直互聯(lián)系統(tǒng)需利用交流系統(tǒng)原有接地點，在交流系統(tǒng)故障、接地設(shè)備退出時，直流系統(tǒng)將無參考點位。柔性直流換流器是電壓源型換流器，含有大量的直流電容器，因此方式2不適宜用于柔性直流系統(tǒng)。經(jīng)分析，接地方式推薦采用方式1，即在直流側(cè)采用經(jīng)電阻接地的方式，如圖4所示。

圖4 直流側(cè)經(jīng)電阻接地

4 結(jié) 論

研究配網(wǎng)柔性直流背靠背互聯(lián)系統(tǒng)接線方案，得出以下結(jié)論：（1）系統(tǒng)接線推薦采用結(jié)構(gòu)簡單、可靠性相對較高且應(yīng)用較多的對稱單極接線；（2）相對于傳統(tǒng)的配置聯(lián)接變壓器的方案，采用直流變壓器方案可減小整個系統(tǒng)的體積和重量，且無消防問題，在土地資源緊張的區(qū)域具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢；（3）結(jié)合系統(tǒng)運行方式，推薦換流器及直流變壓器采用具有故障自清除能力的“全橋+半橋”的混合拓撲，而系統(tǒng)接地方式采用直流側(cè)經(jīng)電阻接地的方式。