±320kV厦门双极柔性直流输电工程系统设计

研究背景

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流系统由于谐波畸变小且开关损耗低，是高电压大容量直流输电的重要发展方向。目前，世界范围内基于MMC的柔性直流工程发展迅猛;国内已有5项MMC工程投运，同时还有多项高压乃至特高压MMC工程处于规划之中，并可能成为我国未来大区域电网互联的重要手段。与交流输变电工程不同，柔性直流工程需要根据送受端交流系统条件、输电距离、投资和占地等条件开展定制化的系统设计。

（来源：电力系统自动化ID：AEPS-1977）

±320kV/1000MW厦门柔性直流输电工程(以下简称厦门工程)是世界范围内第一个采用双极接线的柔性直流工程，也是额定直流电压和输送容量均达到世界之最的柔性直流工程，两端换流站鸟瞰示意图如图1所示。与以往对称单极柔性直流工程相比，首次采用的双极接线和大传输容量对工程的系统设计提出了新的要求。本文对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，研究结论在厦门工程得到成功应用，验证了设计方案和技术参数的正确性。

(a) 彭厝换流站

(b) 湖边换流站

图1 厦门工程换流站鸟瞰示意图

1 主接线及运行方式

当高压大容量柔性直流工程采用对称单极接线，存在如下问题：

1)与同容量双极柔性系统相比，可靠性较低。

2)换流单元采用三台单相双绕组变压器，导致变压器容量大，运输困难。

3)换流站设备的绝缘水平要求较高。考虑到上述因素，厦门工程采用双极带金属回线的主接线，主接线设计如图2所示。

图2 双极柔性直流换流站接线示意图

根据主接线设计特点和转换开关配置方案，厦门工程存在以下3种运行方式：

方式1：双极带金属回线单端接地运行(见图3(a))。其中，接地点仅起钳制电位的作用，不提供直流电流通路。双极不平衡电流通过金属回线返回。

方式2：单极带金属回线单端接地运行(见图3(b))。接地点的作用同方式1，且单极极线电流通过金属回线返回。

方式3：双极不带金属回线双端接地运行(见图3(c))。双极不平衡电流通过大地回路返回。该方式为运行方式转换过程中出现的临时方式，且必须保证直流系统处于双极对称状态。

图3 厦门工程三种典型运行方式

2 主回路参数计算

2.1 主设备参数计算

与小容量柔性直流工程相比，高压大容量柔性直流工程中可供选择的可关断器件有限。这样，可关断器件的过压、过流裕度极小。此时，需要精确核算可关断器件的电压选型、电流选型以及子模块电容器的容值等。由于与传统高压直流的原理不同，换流变压器和桥臂电抗器的主要参数设计考虑的因素不同，需要对此进行重新梳理和分析。

本文给出了可关断器件电压选型、电流选型以及子模块电容器的容值、换流变变压器和桥臂电抗器等主设备关键参数的计算方法和设计原则，如图4所示。其中换流阀的实物图如5所示。

图4 主设备参数计算原则和流程

图5 换流阀实物图

2.2 PQ运行区间计算

PQ运行区间表征了换流器有功功率和无功功率输出能力，是系统设计的关键内容之一。PQ运行区间的计算需要考虑换流变压器容量的约束、调制比的稳态范围约束、直流电缆的通流限制、桥臂热稳定电流约束、交流母线电压的稳态运行范围以及直流端口电压的稳态运行范围。图6为厦门工程中换流变压器配置分接头(On-Load Tap Changer，OLTC)前后换流站的PQ运行区间，本文通过优化分接头范围拓展了PQ运行区间。

(a)未配置OLTC

(b)配置OLTC

图6 配置OLTC前后换流站PQ运行区间

3 暂态电流和过电压计算

由于采用双极接线的柔性直流工程直流侧有零电位参考点，与对称单极接线相比各故障下的暂态电流和过电压的表现特征不同。如表1所示，根据位置和类型不同本文将换流站内考虑的典型故障分为9大类23种故障，分析不同故障机理和特征，对比分析了采用对称单极接线和双极接线柔性直流工程的暂态电流特性和暂态过电压特性，分别如表2和表3所示。从分析结果看，①双极接线的工程比单极接线的工程暂态电流严苛;②双极接线的工程比单极接线的工程暂态过电压较低，有利于降低绝缘水平。

表1 双极接线柔性直流工程换流站内的典型故障

表2 两种接线方式下各故障下的暂态电流比较

表3 两种接线方式下各故障下的暂态过电压比较

双极接线下直流侧单极接地故障类似于单极接线下的双极短路故障，故障发生后，工程中仅阀控过流保护来得及动作，是决定设备暂态电流应力的关键故障，本文对此故障机理和过程进行了重点分析，提出暂态电流精确解析计算方法。从实际桥臂电流达到保护启动值，中间经过电流测量装置的阶跃延时和测量延时、阀控过流保护的判断时间、阀控到子模块的链路延时，直到子模块成功关断的总延时(以下简称换流阀闭锁总延时)约为百微秒级。在这段时间内，子模块电容迅速放电，IGBT在极短时间内闭锁。

故障发生后，桥臂暂态电流主要由三部分组成：①子模块电容的放电电流。由于短路故障发生时直流极母线为低电压，若IGBT管触发则子模块电容迅速放电;②由于故障发生到换流器闭锁的时间较短，子模块电容电压跌落很小且控制系统来不及响应，从而使得换流变压器阀侧电流和桥臂电流的基波分量依然按照正弦规律变化;③桥臂电流的初值。由于桥臂电抗器的作用，故障发生时刻桥臂电流不能突变。

最苛刻故障的筛选需要考虑2个因素：①故障发生前换流器满功率整流运行且无功功率最大，使得稳态时IGBT管具有的最大电流初值;②由于子模块电容电压基本不变，故障发生最苛刻的时刻为阀控过流保护启动后，交流电流的分量剧烈变化的时刻。

在实际工程中，需要计算故障发生后，在阀控过流保护的电流启动定值和总延时时间下，桥臂实际暂态电流不能超过IGBT可关断的最大电流。以送端站出口发生接地故障为例，阀控过流保护的动作定值取Iset=2.1kA，换流阀闭锁时的桥臂电流随换流阀闭锁总延时的变化如图7所示。可见，解析计算结果和电磁暂态仿真结果几乎完全吻合。

图7 单极接地故障不同保护动作延时下换流阀闭锁电流

4 结论

本文以厦门工程为背景对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，在如下方面取得了进展：

1)通过主接线优化设计使得采用双极接线的柔性直流工程具备3种运行方式，提高了系统的可靠性。

2)高压大容量柔性直流工程中设备裕度通常较小，通过对主回路参数开展精确计算从而实现小容量可关断器件支撑工程大功率传输。

3)柔性直流工程采用双极接线时，暂态电流更苛刻。通过提出暂态电流精确解析计算方法以及优化布置等方法，确保工程可关断器件的安全性。

4)柔性直流工程通过采用双极接线有效地降低了工程的绝缘水平。

本文所做工作对张北柔性直流电网工程及后续高压大容量柔性直流工程的系统设计具有较好的指导意义。