柔性直流輸電工程主要技術(shù)路線

柔性直流輸電工程主要技術(shù)路線

0應(yīng)急救援技術(shù)柔性直流供電（rc-hvdc）是基于電壓源變換裝置、可關(guān)斷器和脈寬控制技術(shù)的新型直流供電技術(shù)。與傳統(tǒng)的基于線控?fù)Q流器技術(shù)的電網(wǎng)換相高壓直流輸電(LCC-HVDC)不同,VSC-HVDC在對輸送的有功功率進行快速、靈活控制的同時還能夠動態(tài)補償交流母線的無功功率,穩(wěn)定交流母線的電壓,起到靜止同步補償器的作用。因此,VSC-HVDC既可以向故障系統(tǒng)緊急支援有功功率,又可以緊急支援無功功率,從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。目前,世界上在運在建的柔性直流輸電工程已超過30個,多用于風(fēng)電接入和弱網(wǎng)互聯(lián)。受輸電技術(shù)水平和器件開發(fā)的限制,現(xiàn)有的柔性直流工程的輸電距離短、輸送容量小。隨著柔直技術(shù)路線的更新發(fā)展以及設(shè)備的研制開發(fā),大容量高電壓柔性直流輸電的條件已經(jīng)具備,將在遠(yuǎn)距離、弱系統(tǒng)輸電領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。本文從柔性直流輸電的主電路結(jié)構(gòu)、主接線方式以及換流站布置概念設(shè)計等方面,總結(jié)了目前柔直輸電的技術(shù)路線,并分析比較了各種技術(shù)路線的優(yōu)缺點及其應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。1柔性直流電阻的主電路結(jié)構(gòu)目前柔性直流輸電的主電路結(jié)構(gòu)有兩類,一類是以ABB為主推出的兩電平結(jié)構(gòu),另一類是以西門子為主推出的多電平結(jié)構(gòu)。1.1脈寬調(diào)制dm兩電平柔性直流輸電原理如圖1所示,送端站和受端站均采用了電壓源換流器(VSC)結(jié)構(gòu)。換流站由換流橋、換流變壓器(電抗器)、直流電容器和交流濾波器組成。每個橋臂由一個兩電平的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組成。換流變壓器(電抗器)是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶,同時也起到濾波的作用。直流電容器可以為受端站提供電壓支撐、緩沖橋臂開斷的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波。交流濾波器能夠濾除交流側(cè)的諧波。兩電平柔性直流輸電技術(shù)采用脈寬調(diào)制(PWM)實現(xiàn)其核心控制。VSC使用具有高頻開斷功能的器件IGBT,這使得PWM的應(yīng)用成為可能。PWM控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或所要的波形。PWM通過在兩固定的直流電壓間快速切換來產(chǎn)生交流電壓,并通過交流低通濾波器從高頻脈沖調(diào)制電壓中得到期望的基波電壓。使用PWM技術(shù),可瞬時地改變交流輸出電壓的相位與幅值,從而實現(xiàn)有功與無功的獨立調(diào)節(jié)。通過以上論述可知,采用PWM技術(shù)的VSC可以同時獨立地控制調(diào)制比和移相角兩個物理量。VSC-HVDC正常運行時,每個換流站可以各自獨立地控制有功功率類物理量和無功功率類物理量;但直流網(wǎng)絡(luò)的功率必須保持平衡,即注入直流網(wǎng)絡(luò)的有功功率必須等于直流網(wǎng)絡(luò)輸出的功率、換流閥(VSC閥)損耗和直流網(wǎng)損之和。兩電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,占地面積小,易于實現(xiàn)模塊化構(gòu)造,但存在高投切頻率造成的損耗大、交流側(cè)波形差及閥承受的電壓高等缺點。1.2模塊化多電平技術(shù)為打破ABB公司的技術(shù)壟斷,西門子公司提出了模塊化多電平換流器(MMC),這是一種新型的電壓變換電路,它通過將多個子模塊串聯(lián)的方式,可以疊加輸出很高的電壓,并且還具有輸出諧波少、模塊化程度高等特點,因而在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。西門子公司的HVDCPlus技術(shù)采用模塊化多電平變流(MMC)拓?fù)?拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3。MMC直流母線之間無需電容支撐。與傳統(tǒng)兩電平VSC換流站相同,MMC換流站同樣具有6個橋臂,不同的是MMC的每個橋臂由n個子模塊(SM)串聯(lián)組成。對于MMC多電平技術(shù),是通過模塊化多電平電壓源變流器通過觸發(fā)各相橋臂中相應(yīng)子模塊上的開關(guān)器件、串聯(lián)疊加各子模塊的輸出電壓并調(diào)節(jié)橋臂電壓間的比率,使得在交流側(cè)得到所期望的多電平電壓輸出。由于模塊化多電平電壓源變流器自身所具有的“模塊化”構(gòu)造特點,可以簡便地得到較高電平的多電平輸出,波形品質(zhì)較優(yōu)。理想情況下,當(dāng)輸出電平無限增大時,即會達到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,因此模塊化多電平電壓源變流器可以摒棄傳統(tǒng)的PWM高頻控制方式,轉(zhuǎn)而采用具有低開關(guān)頻率的多電平基頻控制方式。多電平MMC技術(shù)使電壓畸變率大大降低,從而可以減小甚至省去大容量的交流濾波器。其次,電抗器可以串聯(lián)在上下橋臂間,使得直流側(cè)短路時的故障電流上升率可以限制在很低的水平。最后,模塊化的設(shè)計也使得容量升級更為容易。兩電平電壓源換流器和二極管箝位型三電平電壓源換流器作為換流設(shè)備的VSC-HVDC采用開關(guān)管的串聯(lián)來滿足電網(wǎng)高電壓和大功率的要求,需要體積龐大和笨重的濾波器等附屬裝置。而多電平換流器輸電MMC-HVDC能夠有效的解決問題,但MMC-HVDC本身也存在缺陷,比如需要采用電容電壓平衡策略等。相對于兩電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制造難度和損耗都大幅降低,并且波形質(zhì)量高、故障處理能力強,因而成為目前柔直工程的首選結(jié)構(gòu)。2設(shè)置2根回流地線2.1(真)雙極接線方式雙極接線方式如圖4所示。此種接線方式與傳統(tǒng)直流雙極接線方式相似,其中為降低單極運行的回流電流影響,宜配套架設(shè)1根回流地線;本方案兩端換流站均以兩個回路分別接入交流系統(tǒng),占用兩端交流變電站間隔各2個;另外,本方案在交流電纜建設(shè)規(guī)模與偽雙極方案基本一樣(偽雙極方案按1回雙分裂電纜,雙極方案按2回單根電纜)。2.2偽雙極單極的連接方式偽雙極接線如圖5所示。兩端換流站均以一個回路接入交流系統(tǒng),占用兩端交流變電站間隔各一個。2.3雙極及交流系統(tǒng)自身特點(1)雙極系統(tǒng)接線直流線路絕緣水平大大降低,在同樣的額定直流電壓下,比偽雙極系統(tǒng)接線絕緣水平低得多。(2)雙極系統(tǒng)接線下直流側(cè)故障或檢修時只影響故障極,對另一極沒有影響,而偽雙極系統(tǒng)接線下直流側(cè)故障或檢修時需整體停運,因此雙極接線方式提高了系統(tǒng)的可靠性。(3)雙極接線運行方式較靈活,可在對稱雙極、單極金屬回線兩種方式下運行,而偽雙極方案僅能在對稱雙極方式下運行。(4)雙極系統(tǒng)接線需要加入類似常規(guī)直流的金屬回線轉(zhuǎn)換操作順控流程以及金屬回線電流均衡控制策略,因此控制保護系統(tǒng)較偽雙極系統(tǒng)接線要復(fù)雜的多。(5)雙極接線方式下?lián)Q流站的變壓器及交流場的設(shè)備需考慮直流電壓一半的直流偏置電壓,而偽雙極接線方式下則只承受交流電壓,因此雙極接線方式下?lián)Q流站的變壓器及交流場的設(shè)備單價較偽雙極方案高的多。且雙極接線方式下?lián)Q流站內(nèi)設(shè)備增加較多,直流線路增加了一回金屬加流電纜,占地面積較大,因此投資要高得多。(6)由于柔性直流系統(tǒng)直流側(cè)故障時必須跳交流斷路器,因此雙極接線方式下交流配套工程需兩路交流回路,而偽雙極方案僅需一路交流回路。因此雙極接線方式下交流配套工程投資較高。2.4基于偽雙極接頭的冗余設(shè)計目前已投運及在建的工程多采用偽雙極接線。只有兩個工程(一個是納米比亞-贊比亞聯(lián)網(wǎng)工程,一個是廈門柔性直流示范工程)采用雙極(真雙極)接線。需要說明的是,為提高輸電能力和可靠性,國外部分輸電距離近的柔性直流工程采用2~3套偽雙極接線并列運行的方案,如澳大利亞的昆士蘭聯(lián)網(wǎng)、西班牙法國聯(lián)網(wǎng)等。由于柔性直流輸電多采用電纜線路以降低故障發(fā)生率,因此目前投運和在建的工程多采用偽雙極接線,但偽雙極接線的可靠性較低,無法與傳統(tǒng)直流輸電的雙極接線相比,有部分工程采用2~3套偽雙極接線并列運行的方案,通過冗余設(shè)計來提高可靠性,但此種設(shè)計方式經(jīng)濟性較差,適用范圍小。由此可見,為了提高柔性直流工程的可靠性,按照傳統(tǒng)直流的雙極接線方案構(gòu)建柔性直流(真)雙極接線方式更具有前瞻性,是今后發(fā)展更大容量或采用架空線路的柔性直流輸電系統(tǒng)的一類解決方案。3交換站配置的總體規(guī)劃3.1閥廳和直流場的布置由于偽雙極的上述特點,一般兩個極都放置于一個閥廳內(nèi),聯(lián)接變壓器放置在閥廳外,通過交流套管或者GIS接入閥廳。在用地較為緊張的情況下,通常采用雙層布置方案。交流場通常布置在一層,通過GIS與啟動電阻、橋臂電抗器相連。然后橋臂電抗器通過垂直的上下套管與二層的閥廳換流閥相聯(lián)接。二層閥廳與直流場通過直流套管聯(lián)接。最后,直流極線與直流電纜終端相連。由于雙層布置,需要較多的穿墻套管,但由于偽雙極閥側(cè)所有電壓都是交流性質(zhì),所以選用普通的交流穿墻套管即可。在用地不是很緊張的情況下,通常采用單層布置,且交流設(shè)備采用戶外布置,閥廳和直流場采用戶內(nèi)布置方式。布置原則與雙層方案基本相同。這樣可以進一步降低工程造價,運行維護檢修較方便。偽雙極單層典型布置如圖6所示。3.2直流穿墻管設(shè)置在同一區(qū)域內(nèi),單極布置多個管對于真雙極接線方案,由于對可靠性要求高,保證一極故障檢修或者停運時,另外一極必須正常運行,所以兩個極的變壓器單獨設(shè)置,且需要接入不同交流母線間隔。同時,不同極的換流閥需要放置在兩個單獨的閥廳內(nèi)。由于閥側(cè)所有設(shè)備都有直流性質(zhì)分量,所以要盡可能減少穿墻套管的數(shù)量,能夠放在一個區(qū)域內(nèi)的設(shè)備盡量放在一個區(qū)域內(nèi),從而減少直流穿墻套管的使用。同樣,根據(jù)用地情況,可以采用兩層布置方案和單層布置方案。由于真雙極變壓器一般為6臺,布置在6間隔內(nèi),如果全部采用戶外布置,將需要12根直流穿墻套管,費用非常昂貴。所以換流變壓器采用傳統(tǒng)直流方式,套管直接插入閥廳,然后橋臂電抗器也布置在閥廳內(nèi),與換流閥直接相連。直流場也布置在二層,通過兩個垂直上下的直流穿墻套管或者通過中空區(qū)域?qū)⒅绷鲌龊烷y廳直接聯(lián)接,這樣可以最大限度節(jié)省直流套管,使得二層直流場與閥廳直接相連。電纜終端也布置在二層,與直流極線直接相連。其他輔助設(shè)備和控制設(shè)備也可以布置在二層或者一層周圍。在用地空間不緊張時,一般采用單層布置。同樣換流變也是直接插入閥廳,橋臂電抗布置于閥廳內(nèi),直流場與閥廳通過穿墻套管直接聯(lián)接。直流場和閥廳都按照極性分為兩個區(qū)域,確保單極運行?？刂茦遣贾迷趦蓚€閥廳中間。其余閥冷、空調(diào)等輔助設(shè)備布置在一層空余位置。真雙極單層典型布置如圖7所示。4偽雙極、真雙極接接線目前,ABB和西門子兩種技術(shù)路線的柔性直流輸電技術(shù)在工程中都有應(yīng)用,且運行狀態(tài)良好。由于ABB技術(shù)路線嚴(yán)格的技術(shù)封鎖,國內(nèi)柔性直流輸電工程無一例外的都采用多電平技術(shù),由于不需要采用基于IGBT直接串聯(lián)而構(gòu)成的閥,降低了IGBT的均壓要求,從而大大降低了器件的制造難度。偽雙極結(jié)構(gòu)接線簡單、無需大地或者金屬回線、占地面積小、換流變無直流偏置、工程經(jīng)濟性好,所以被廣泛采用,但是此類型接線可靠性低,不能單極運行,而且過電壓高,設(shè)備制造困難。真雙極接線復(fù)雜、需要大地回路或者金屬回