國內(nèi)首例柔性直流輸電示范工程簡介

國內(nèi)首例柔性直流輸電示范工程簡介

shanghaihvdctransport上海南匯風(fēng)電場靈活直流供電示范工程是中國第一個(gè)柔性直供電工程。工程新建書柔換流站、南風(fēng)換流站和兩站間的一回柔性直流線路。柔性直流輸電額定電壓為±30kV,直流額定電流300A,輸送功率18MVA。直流電纜長8.6km。兩站均為地下一層+地上三層結(jié)構(gòu)。柔性直流輸電技術(shù)的工程應(yīng)用,對于智能電網(wǎng)的建設(shè)具有重要的意義。柔性直流換流閥采用的IGBT元件是一種可自關(guān)斷器件,因此,換流站有功功率和無功功率的流向可以獨(dú)立控制;并且,柔性直流輸電系統(tǒng)不需要交流系統(tǒng)提供換相容量,可以向無源負(fù)荷供電;同時(shí),柔性直流輸電系統(tǒng)中的換流閥的開關(guān)頻率相對較高,換流站的輸出電壓諧波量較小。因此,柔性直流輸電技術(shù)在孤島供電、城市電網(wǎng)供電、分布式能源并網(wǎng)等方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。1運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換柔性直流的系統(tǒng)接入方案如圖1所示。風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過變壓器升壓后送入35kV南匯風(fēng)電場站的10kV母線,再由南匯風(fēng)電場站升壓至35kV。南匯風(fēng)電場原有兩回交流線路和35kV大治站相連。改造后,南匯風(fēng)電場35kVI母上的交流線路開斷,接入南風(fēng)換流站,經(jīng)過換流變、換流閥等設(shè)備實(shí)現(xiàn)交/直流變換,然后通過直流輸電線路傳輸?shù)綄?cè)的書柔換流站,通過直/交流變換后接入大治站母線。柔性直流換流站可以選擇2種運(yùn)行模式,分別為單站靜止無功補(bǔ)償器(STATCOM)模式和兩站直流輸電(HVDC)模式,通過柔性直流換流站運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換以及電網(wǎng)中相關(guān)變電站的狀態(tài)調(diào)整,可以形成柔性直流輸電系統(tǒng)的5種運(yùn)行方式:運(yùn)行方式1:柔性直流系統(tǒng)獨(dú)立帶風(fēng)機(jī)負(fù)荷運(yùn)行。南匯風(fēng)電場經(jīng)南風(fēng)換流站、南柔線以及書柔換流站接入大治站,治風(fēng)3992線備用,為今后的風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行提供技術(shù)支撐和相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。運(yùn)行方式2:交直流并列運(yùn)行。南柔線和治風(fēng)3992線并列運(yùn)行,為以后的交直流電網(wǎng)并列運(yùn)行提供技術(shù)支撐和相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。運(yùn)行方式3:兩站STATCOM運(yùn)行。治風(fēng)3992線運(yùn)行,南柔線備用,但是兩端換流站均參與交流系統(tǒng)電壓/無功調(diào)節(jié),此時(shí)南風(fēng)站和書柔站以STATCOM方式運(yùn)行,為今后的電網(wǎng)無功控制提供技術(shù)支撐和相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。運(yùn)行方式4:柔性直流單送負(fù)荷。南匯風(fēng)電場和南治3955線退出運(yùn)行,電能流向?yàn)榇笾握疽欢文妇€—柔性直流系統(tǒng)—南匯風(fēng)電場35kVI母—南匯風(fēng)電場35kVII母—治風(fēng)3992線—大治站二段母線,柔性直流輸電線路直接對負(fù)荷供電,為以后的孤島電網(wǎng)供電提供技術(shù)支撐和相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。運(yùn)行方式5:交流線路獨(dú)立運(yùn)行。南匯風(fēng)電場經(jīng)治風(fēng)3992接入大治站35kVII母,柔性直流輸電線路備用。此為柔性直流輸電系統(tǒng)檢修或故障停運(yùn)時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行方式。2功調(diào)節(jié)范圍及無功功率輸出柔性直流可以獨(dú)立地控制有功和無功的流向,本示范工程的有功調(diào)節(jié)范圍為:-18～+18MW,無功調(diào)節(jié)范圍為-13～+9Mvar,有功和無功可以獨(dú)立調(diào)節(jié),有功功率輸出極限值為±18MW,此時(shí)輸出無功的范圍為±2Mvar,當(dāng)有功輸出在±12MW之間時(shí),無功輸出為-13Mvar～+9Mvar之間。在有功絕對值在12～18MW之間時(shí),無功輸出極限值按照斜率遞減。3柔性直流輸電系統(tǒng)kv為-交/直流互聯(lián)換流站,柔性直流換流站的一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。35kV交流系統(tǒng)通過主開關(guān)連接至換流變,將交流側(cè)電壓變換為換流閥輸入所需要的電壓(31kV),然后通過啟動電阻、橋臂電抗器連接至換流閥,實(shí)現(xiàn)交/直流的變換,然后通過直流線路連接至對側(cè)換流站,直流側(cè)的電壓為±30kV。柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)相比,存在較大的差異,其中一個(gè)明顯的特點(diǎn)是柔性直流輸電系統(tǒng)沒有交流濾波器這一環(huán)節(jié),其占地面積大大減小,換流站結(jié)構(gòu)也相對簡單,便于進(jìn)行運(yùn)行管理和維護(hù)。此外,啟動電阻,橋臂電抗器、電壓源型換流閥都是柔性直流輸電系統(tǒng)所特有的。3.1流量交換閥3.1.1子模塊控制器組成換流閥是換流站的核心設(shè)備。本工程采用了基于模塊化多電平(MMC)技術(shù)的電壓源型換流閥,其核心元件為大功率的IGBT元件。子模塊是組成換流閥的基本元件。其結(jié)構(gòu)如圖3所示,每個(gè)子模塊由IGBT元件,子模塊控制器(SMC)、保護(hù)晶閘管、旁路開關(guān)、電容、取能模塊、水冷管道等組成。IGBT為其中核心元件,每個(gè)子模塊有2個(gè)IGBT元件,子模塊控制器用于給子模塊觸發(fā)信號,電容為儲能元件,保護(hù)晶閘管用于子模塊的過電流保護(hù),快速旁路開關(guān)用于子模塊故障時(shí),將子模塊旁路,不會因子模塊故障影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。柔性直流換流閥的閥塔的結(jié)構(gòu)如圖4所示。每個(gè)閥塔由2個(gè)半塔交叉接線組成。每個(gè)半塔有4層,每層包括7個(gè)子模塊。即每個(gè)閥塔由56個(gè)子模塊串聯(lián)而成,其中48個(gè)子模塊為運(yùn)行模塊,其余8個(gè)模塊為冗余模塊。站內(nèi)共有6個(gè)閥塔,分別對應(yīng)ABC三相的上下橋臂。3.1.2橋臂電壓不平衡換流閥的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中每相的上、下半橋臂均由48個(gè)子模塊及一個(gè)電抗器串聯(lián)而成。在充電完成后,子模塊間的電壓不平衡低于10%。每個(gè)工頻周波內(nèi),上下橋臂總共開通48個(gè)子模塊,以維持直流電壓Udc恒定。此外,只要有規(guī)律地觸發(fā)各相上、下半橋臂中的子模塊,調(diào)整上下橋臂開通的子模塊個(gè)數(shù),就可以對交流uao、ubo、uco輸出電壓進(jìn)行獨(dú)立地調(diào)節(jié)和控制。圖6為一個(gè)11電平模塊化多電平換流器波形生成示意圖,在49電平的情況下,交流側(cè)輸出電壓諧波進(jìn)一步減小。3.2mmc電容充電電路采用MMC結(jié)構(gòu)的換流閥,在系統(tǒng)啟動之前,各子模塊電壓為零,換流閥中IGBT處于關(guān)斷狀態(tài),并且IGBT缺少觸發(fā)所需能量不能開通。并且,在MMC啟動之初,只能通過各子模塊IGBT上的反并聯(lián)二極管對子模塊電容充電。MMC電容充電電路如圖7所示。在MMC起動時(shí),合閘瞬間會產(chǎn)生較大的電流沖擊。當(dāng)電容電壓為零時(shí),初始的合閘沖擊電流最大,同時(shí)當(dāng)AB線電壓達(dá)到峰值時(shí)合閘,沖擊電流是最大的,可以認(rèn)為接近于換流閥出口三相短路電流。在柔性直流輸電系統(tǒng)的啟動過程中,需要加裝一個(gè)緩沖電路。通常考慮在主回路上并聯(lián)一個(gè)啟動電阻,這個(gè)電阻可以降低電容的充電電流,減小柔性直流系統(tǒng)上電時(shí)對交流系統(tǒng)造成的擾動和對換流閥上二極管的應(yīng)力。具體的電路示意如圖8所示。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行啟動時(shí),閘刀K分開,啟動電阻串入直流系統(tǒng)主回路對換流閥充電,經(jīng)過一定的延遲時(shí)間后(目前設(shè)置為90s),閥充電完成,此時(shí)再合上閘刀K,此時(shí)電阻就被旁路掉了,直流充電過程結(jié)束。3.3電抗器的作用閥電抗器是柔性直流換流站的一個(gè)關(guān)鍵部分,它是電壓源變流器與交流系統(tǒng)之間傳輸功率的紐帶,具有如下功能:(1)決定了變流器的功率輸送能力。電抗器兩側(cè)的電壓幅值差決定了系統(tǒng)無功功率的輸出,電抗器兩側(cè)的電壓相位差決定了系統(tǒng)有功功率的輸出。(2)橋臂電抗器能抑制變流器輸出的電流和電壓中的開關(guān)頻率諧波量,以獲得期望的基波電流和基波電壓;(3)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動或短路時(shí),可以抑制電流上升率和限制短路電流的峰值。柔性直流輸電工程中,電抗器可以使用常用的規(guī)格設(shè)計(jì),沒有特殊要求。但為了減少傳送到系統(tǒng)側(cè)的諧波,其雜散電容越小越好。示范工程中,采用干式空芯電抗器,并放置于室內(nèi)。4運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換試驗(yàn)成果在柔性直流輸電系統(tǒng)建設(shè)完成后,進(jìn)行了單站及兩站的啟動和調(diào)試試驗(yàn)。調(diào)試內(nèi)容包括:柔性直流輸電系統(tǒng)的啟動試驗(yàn);柔性直流輸電系統(tǒng)在STATCOM及HVDC模式下的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能試驗(yàn);各種運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。目前,已經(jīng)取得的調(diào)試成果如下:(1)實(shí)現(xiàn)了柔性直流換流站單站STATCOM模式運(yùn)行以及兩站HVDC模式的順利啟動和運(yùn)行;(2)完成了2種運(yùn)行模式下,采用不同功率控制方式時(shí)柔性直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能試驗(yàn),從調(diào)試結(jié)果上來看,柔性直流輸電系統(tǒng)能輸出高質(zhì)量的交流電壓和交流電流,各種控制方式也實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo);(3)實(shí)現(xiàn)了柔性直流各種運(yùn)行方式的運(yùn)行和方式轉(zhuǎn)換。5研究和改進(jìn)的方向作為一種新型的輸電技術(shù),柔性直流輸電系統(tǒng)還很不成熟,需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究完善。(1)研究柔性直流輸電系統(tǒng)和分布式能源系統(tǒng)的接口改進(jìn)啟動和方式調(diào)整流程,以自動流程代替手動操作流程,使柔性直流輸電系統(tǒng)啟動更加智能化;研究柔性直流輸電系統(tǒng)和分布式能源系統(tǒng)的接口問題,使柔性直流輸電系統(tǒng)具備更廣泛的分布式能源并網(wǎng)能力;研究柔性直流輸電系統(tǒng)獨(dú)立啟動的方法,實(shí)現(xiàn)柔性直流直接向無源網(wǎng)絡(luò)供電。(2)中性點(diǎn)接地故障的處理進(jìn)一步進(jìn)行柔性直流系統(tǒng)交直流故障調(diào)試試驗(yàn)。例如交流單相(兩相)接地故障、直流單極接地故障等,以便明確柔性直流輸電系統(tǒng)的典型故障象征,為事故處理提供經(jīng)驗(yàn)。(3)系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)總結(jié)和提煉調(diào)試及運(yùn)行中遇到的問題