多端柔性直流輸電系統主接線方案的應用分析

劉會勇

（國網舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

多端柔性直流輸電系統主接線方案的應用分析

劉會勇

（國網舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

本文主要介紹了柔性直流輸電的特點以及目前世界上柔性直流輸電工程的應用現狀，并結合世界上首個五端柔性直流輸電工程—舟山多端柔性直流輸電示范工程的實際特點，從工程應用可行性、經濟性的角度對基于 MMC換流器技術原理的多端柔性直流輸電系統的主接線結構進行了分析，給出了基于 MMC換流器技術原理的多端柔性直流輸電系統主接線方案并指出了該型方案在應用中可能面臨的問題及相應的解決措施，可為今后多端柔性直流輸電工程的應用設計提供參考。

多端柔性直流輸電；舟山；應用；MMC；系統主接線

近年來，由于能源緊缺和環境污染問題日益嚴峻，風能、太陽能等可再生能源的分布式利用規模不斷擴大以及海上風電場直流并網技術的日趨成熟，柔性直流輸電技術受到了越來越多的關注[1-5]。柔性直流輸電是應用基于可關斷電力電子器件IGBT（絕緣柵雙極晶體管，Insulated Gate Bipolar Transistor）組成的電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC）的新一代直流輸電技術。電壓源換流器可以獨立的改變其輸出電壓的相位和幅值從而快速地調節其輸出的有功和無功功率的技術特點，使得柔性直流輸電克服了傳統HVDC的固有缺陷，主要適用于可再生能源并網、分布式發電并網、孤島供電、城市電網供電、異步交流電網互聯等領域，為直流輸電技術的發展開辟了一個嶄新的方向。

1 目前國內外柔性直流輸電工程應用現狀

柔性直流輸電工程可分為兩端柔性直流輸電和多端柔性直流輸電兩類。世界上第一條柔性直流輸電工程于1999年投運，目前世界范圍內已投運的柔性直流輸電工程均為點對點兩端柔性直流輸電系統，尚無多端柔性直流輸電工程投入商業運行。多端柔性直流輸電系統是由3個或3個以上基于電壓源換流器的換流站及連接換流站的高壓直流輸電線路組成，能夠實現多電源供電、多落點受電的直流輸電系統，與兩端柔性直流輸電相比其運行方式更加靈活、便捷，是今后直流輸電的發展方向[6-9]。

目前世界上在建的多端柔性直流輸電工程有美國的 Tres Amigas Superstation工程、瑞典-挪威的South West Link工程、中國國家電網公司的舟山多端柔性直流輸電示范工和南方電網公司的南澳風電場多端直流輸電示范工程，工程匯總情況如表1所示。

表1 世界上在建的多端柔性直流輸電工程匯總

2 舟山多端柔性直流輸電示范工程換流站拓撲結構

作為目前世界上應用端數最多的柔性直流輸電工程，舟山多端柔性直流輸電工程五端換流站通過海底直流電纜將舟山本島（定海）、岱山島、衢山島、洋山島和泗礁島五個電力系統相連，工程接線如圖1所示。該工程作為系統聯網通道投運后主要的運行方式是定海站作為送電端，其他四站作為受電端，當定海站退出運行時，考慮到舟山本島與岱山島間通過交流220kV連接，岱山站將作為送電端，其他三站作為受電端。

圖1 舟山多端柔性直流輸電工程接線示意圖

舟山多端柔性直流輸電工程各換流站采用基于模塊化多電平換流器（MMC）的柔性直流輸電技術，其拓撲結構如圖2所示。

圖2 基于MMC的舟山多端柔性直流換流站系統拓撲

基于MMC 的柔性直流輸電技術屬于相對較新的拓撲結構，迄今為止國內外基于該技術原理的柔性直流系統應用并不多，僅有兩個且均為兩端柔性直流輸電系統，因此，有必要對基于 MMC技術原理的多端柔性直流輸電系統的主接線結構關鍵部分進行工程應用方面的分析研究。

3 基于MMC換流器技術的多端柔性直流輸電系統主接線方案分析

柔性直流輸電系統的接線方式主要包括聯接變壓器、換流器以及避雷器的接線方式。

3.1 換流站主電路結構應用選擇分析

柔性直流換流站常見的主電路拓撲結構有模塊化多電平半橋形式（HB-MMC）、模塊化多電平全橋形式（FB-MMC）、級聯兩電平形式（CTL-VSC）三種，其技術性能比較如表2所示。

表2 柔性直流換流站常見拓撲結構性能對比

從表2的比較可以看出，全橋式結構技術性能最優，能夠有效抑制雙極短路故障下的故障電流；半橋式結構在諧波抑制方面優于級聯兩電平。

從工程應用可實施性及可控性方面考慮，其他兩種拓撲結構與 HB-MMC拓撲結構的情況對比如表3所示。

表3 換流站拓撲結構基于工程可實施性及可控性對比情況

通過以上對比可以看出，全橋結構雖能夠有效抑制雙極短路故障下的故障電流，并且快速恢復系統運行，能夠有效保持系統運行的暫態穩定性，但需要一定的研發內容投資相對較大，工程建設可控性相對較低。半橋式結構造價相對低，模塊化結構擴展靈活，容易實現冗余控制，運行可靠，維護方便，并且已有工程投運，技術研發難度和工程建設時間可控，綜合考慮技術性能、工程工期和造價問題，舟山工程采用基于半橋式模塊化多電平結構的換流器。

3.2 直流輸電系統結構方式選擇

多端直流輸電系統的結構方式可分為并聯、串聯以及混合接線三種方式。

串聯式接線方式在常規直流輸電系統中應用較多，換流站之間以同等級直流電流運行，通過改變直流電壓極性可實現潮流翻轉，然而系統不同部分對地電壓會隨運行工況的變化而大幅變化，故其系統絕緣配合復雜；當其中直流線路發生永久性故障時整個系統要停運；另外，由于要改變整個系統的直流電壓水平或改變各站的運行電流，串聯式系統擴建問題比較復雜。

混合式輸電系統換流站之間既有串聯又有并聯接線，運行方式靈活，但控制策略比較復雜，同時存在絕緣配合、故障穿越能力低、擴建性差等問題。

并聯式接線系統，各換流站相對獨立以同等直流電壓運行，通過改變各換流站的電流來實現功率分配，相比其他兩種接線方式具有更小的線路損耗，更大的調節范圍，更易實現絕緣配合，更強的運行可靠性，更靈活的擴建方式以及突出的經濟性。

對于多端柔性直流輸電系統，換流站采用電壓源換流器，其運行需要穩定的直流電壓，要求換流站中必須有一個充當電壓調節器以控制直流電網電壓，其余換流站通過調節電流大小及方向實現功率分配?；诖颂攸c，考慮聯網供電通道的需要以及滿足風電接入靈活簡便的潮流控制能力的需要，舟山多端柔性直流輸電系統采用并聯樹枝式，此方式可保證系統中單個換流站故障的情況下，其他換流站仍能保持穩定運行。

3.3 聯接變壓器及換流站系統接地方式分析

聯接變壓器作為柔性直流輸電的關鍵設備之一，承擔著將交流系統電壓變換到與換流器直流側電壓相匹配的二次側電壓，以確保開關調制度不至于過小，減小輸出電壓和電流的諧波量；提供部分換相電抗；隔離交流系統不對稱故障產生的零序分量；為控制系統提供參考地電位的重要作用。

基于MMC技術的柔性直流輸電工程控制的是直流極線間的電壓，為了使正常運行時雙極對稱，需要保證兩極線中點的電位為零，因此需要在換流站合適的地方設置接地點。換流站接地方式主要有通過直流電阻接地、通過聯結變Y繞組經接地電阻接地、通過電抗器形成中性點經電阻接地三種方式。

通過直流電阻接地是在直流兩條極線與大地之間分別并聯兩個等阻值的電阻接地，該接地方式的優點是簡單有效且成本較低。缺點是直流線路側正常運行時電阻是一個長期負載，功率損耗較大；運行時電阻器偏差會導致直流極線電壓偏差。

通過聯結變Y繞組經接地電阻接地是直接利用變壓器Y繞組中性點接地，接地設備少；其缺點是完全依靠變壓器Y繞組承受故障下直流電壓和故障電流，對變壓器要求較高，當變壓器整體容量較大時其設計制造相對較困難。而且這種接地方式需要網側采用不接地的繞組型式才能起到隔離交直流的作用。

通過電抗器形成中性點經電阻接地是在閥側繞組通過三個電抗器星接形成一個中性點經接地電阻接地。其優點是電抗器可起到限制并分擔短路電流的作用，使得聯結變壓器的壓力較低，不足之處是對于高電壓等級并聯電抗器本身吸收的無功較大，會對系統電壓會造成一定影響，對于無功出力較小的換流站不宜采用該方式。

以舟山多端柔性直流輸電系統為例，如果采用電抗器接地的方式，則對容量小的3個換流站電壓波動較大，且成本較高；如果采用直流極線接地電阻，則損耗較大，且電阻值的不平衡對直流電壓影響較大，阻值偏移后，中性點很難還原；如果采用變壓器 Y繞組接地的方式，則兩個容量較大的換流站的連接變壓器成本較高，且網側失去了中性點。

定海換流站、岱山換流站采用經電抗器接地的方案，這種方式能提供穩定可靠的中性點接地方式，且能降低變壓器成本。洋山換流站可采用經聯接變壓器Y繞組接地的方案。此時，在定海和岱山換流站均退出的情況下，洋山站也可以作為系統接地點的備用，保證剩下的換流站正常運行。

衢山、泗礁換流站作為受端，不考慮充電運行的方式，因此在整個直流系統中完全可以由其他換流站提供接地點，這兩個換流站不需要設置接地點。

3.4 避雷器保護配置分析

工程應用時避雷器配置應滿足“交流側的過電壓應盡可能由裝在交流側的避雷器保護，直流側的過電壓應由裝在換流變壓器直流側的避雷器組合加以限制。換流設備的關鍵部件應由與該部件緊密相連的避雷器直接保護。母線或設備可直接由連接于被保護設備兩端點之間或設備對地之間的避雷器保護”。

為了限制網側交流系統由于各種原因產生的過電壓，滿足網側交流母線設備的保護需求，須在聯接變網側配置交流避雷器 A；為了對聯接變閥側繞組、閥側交流母線提供保護以及保護星形電抗接地支路的相關設備，要在聯接變閥側配置交流避雷器AV；在聯接變閥側交流母線接地故障或直流線路極間短路故障時，會在橋臂電抗器上產生較大過電壓，為了限制過電壓、滿足故障情況下橋臂電抗器的保護需求，橋臂電抗器閥側須配置避雷器LV；傳統直流極母線過電壓最嚴重的工況是由直流線路侵入的雷電波或由于直流場屏蔽失效遭受的雷擊，對于柔性直流輸電工程，由于采用海底電纜連接或隧道敷設，因此無需考慮雷擊影響，但當換流站直流部分發生接地故障時，將在直流極線上產生很高的過電壓會對直流母線及其他設備絕緣產生危害，為此要在直流平波電抗器閥側和線路側分別避雷器 DB和避雷器DL，其中避雷器DB主要用于保護換流器高壓母線、穿墻套管，避雷器 DL主要用于保護直流極線及開關設備。

綜上所述，柔性直流輸電各采用基于模塊化多電平換流器（MMC）技術的多端柔性直流輸電工程換流站可應用圖3所示的典型系統主接線。

圖3 基于MMC的多端柔性直流換流站系統主接線圖

3.5 該主接線的柔性直流輸電系統在工程應用中的優點

圖3所示的系統接線方式擴展靈活，容易實現，運行可靠，維護方便，目前在建的多端柔性直流工程都采用與之相同的系統結構。同時并聯樹枝式結構的直流網絡，可實現單點或多點電源向局部電網供電，增加運行方式組合的靈活性，更好地發揮柔性直流輸電系統有功和無功四象限運行的優勢。

以舟山并聯型五端柔性直流輸電系統為例，其運行方式可分為五端、四端、三端、二端及STATCOM五大類，理論上可實現27種方式運行。并且定海、岱山換流站均退出運行時，衢山、洋山、泗礁換流站任意一站均可切換至定電壓控制確保直流系統繼續運行。

3.6 該方案在應用中需注意的問題及解決措施

在應用該結構的主接線方案時需考慮以下兩個問題。

1）由于直流斷路器制造技術的制約，目前各直流輸電應用工程均無直流斷路器配置，這導致當直流輸電線路或電（海）纜發生永久性故障時，無法有效隔離故障直流線路而必須通過隔離各站與交流系統的連接實現，這將導致整個多端直流系統全停，若僅采用聯接變第三繞組為站用電電源，此時換流站將會失去站用電源，因此必須考慮配置站用電后備電源。

2）基于HB-MMC技術的換流器在發生直流系統故障時由于子模塊續流二極管的存在無法實現換流閥隔離故障電流，而只能通過系統控制保護隔離本站與對側交流系統的連接來間接切斷對故障點故障電流的供應。因此須要制定專門的技術防護措施（如配置斷路器失靈保護等），確保發在直流系統發生故障的同時出現交流斷路器操作失靈的情況下仍有后備保護措施將換流站與交流系統可靠斷開，避免損壞換流站關鍵設備。

3）受單個模塊化多電平換流器技術特點的限制，不是真正意義上的雙極，不具備單極運行能力，當換流器故障時，整個系統需停運。

4 結論

通過分析舟山多端柔性直流輸電示范工程應用條件下的多端柔性直流輸電系統網絡拓撲結構，給出了一種基于 MMC換流器技術原理的多端柔性直流輸電系統主接線拓撲結構，可供今后多端柔性直流輸電工程應用參考。

[1] 劉鐘淇，宋強，劉文華. 基于模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統[J]. 電力系統自動化, 2010, 34(2):53-58.

[2] 吳俊宏，艾芊. 多端柔性直流輸電系統在風電場中的應用[J]. 電網技術, 2009, 33(4): 22-27.

[3] 陳霞，林衛星，孫海順，等. 基于多端直流輸電的風電并網技術[J]. 電工技術學報, 2011, 26(7): 60-67.

[4] 袁旭峰，程時杰. 多端直流輸電技術及其發展[J]. 繼電器, 2006, 34(19): 61-67, 70.

[5] 阮思燁，李國杰，孫元章. 多端電壓源型直流輸電系統的控制策略[J]. 電力系統自動化, 2009, 33(12):57-60, 96.

[6] 張文亮，湯涌，曾南超. 多端高壓直流輸電技術及應用前景[J]. 電網技術, 2010, 34(9): 1-6.

[7] 方進，鄧珂琳，溫家良. 環網式三端直流輸電系統及直流斷路器應用的分析與仿真[J]. 電網技術, 2012,36(6): 244-249.

[8] 許烽，徐政，傅闖. 多端直流輸電系統直流側故障的控制保護策略[J]. 電力系統自動化, 2012, 36(6):74-78.

[9] 王俊生，吳林平，鄭玉平. 多端高壓直流輸電系統保護動作策略[J]. 電力系統自動化, 2012, 36(10):101-106, 123.

Research on Topology for MMC Converter Stations of Multi-Terminal VSC-HVDC Transmission Project

Liu Huiyong
(Zhoushan Electric Power Company, Zhoushan, Zhejiang 316000)

This paper mainly introduces the features application status of multi-terminal VSC-HVDC transmission project in the world at present, and connecting with the world's first five side multi-terminal VSC-HVDC transmission project-zhoushan multi-terminal VSC-HVDC transmission project , from the angle of engineering application based on the principle of inverter technology of MMC multi-terminal VSC-HVDC system structure was analyzed, and the main wiring is given based on the principle of inverter technology of MMC multi-terminal VSC-HVDC system main wiring scheme and points out the type may face problems in the application, for the future application of multi-terminal VSC-HVDC project design to provide the reference.

multi-terminal VSC-HVDC; zhoushan; application; MMC; topology

劉會勇（1982-），男，河北石家莊人，工程師、技師，現在從事變電設備檢修管理、繼電保護管理等方面的工作。