舟山多端柔性直流工程系統方案

馬玉龍，馬為民，陳東，蔣維勇，吳方劼，梅念，余世峰

(國網北京經濟技術研究院，北京市100052)

0 引言

由于采用了全控型電力電子器件，柔性直流輸電解決了常規直流輸電的諸多固有問題，如對有功功率和無功功率的獨立控制，不需要無功補償設備，無須交流系統支撐完成換相等，在風力發電并網、孤島供電、多端直流輸電以及城市配電網增容改造等領域有著廣泛的應用前景［1-3］。

1997年，世界上第一個柔性直流輸電工程(He?llsj?n工程)成功運行，此后柔性直流輸電技術呈現出快速發展的趨勢，工程容量已從最初的MW級發展到GW級，直流電壓等級從10 kV提升到500 kV。近年來，我國加快了柔性直流輸電技術的研發力度和工程建設。2011年，由我國自主建設的柔性直流工程——上海南匯柔性直流輸電科技示范工程投入運行。

舟山多端柔性直流輸電示范工程為五端系統，各換流站分別位于舟山本島(定海)、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島。工程直流電壓等級為±200 kV，各換流站容量分別為定海換流站400 MW、岱山換流站300 MW、衢山換流站100 MW、洋山換流站100 MW、泗礁換流站100 MW。各換流站間采用電纜連接，電纜總長為140 km。

舟山工程各換流站將接入現有舟山電網，其中定海換流站以1回220 kV線路接入220 kV舟北變，岱山換流站以1回220 kV線路接入220 kV蓬萊變，衢山換流站以1回110 kV線路接入110 kV大衢變，洋山換流站以1回110 kV線路接入110 kV沈家灣變，泗礁換流站以1回110 kV線路接入110 kV嵊泗變。換流站與交流變電站間的線路、所接入的變電站的交流間隔均配套建設。

舟山工程各換流站采用基于模塊化多電平技術的電壓源換流器［4-5］。模塊化多電平換流器可大大減小單個絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的開關頻率，降低換流閥的功率損耗，使大容量柔性直流技術的工程化推廣具備可能。舟山多端柔性直流工程建成后對于加強舟山群島各海島間的電氣聯系，增強網架結構，解決海上風電接入問題，提高供電可靠性等都有重要意義。

1 換流站主接線

舟山柔性直流工程的地理接線圖如圖1所示。換流閥采用半橋式模塊化多電平換流器，其拓撲結構如圖2所示。橋臂中的每個子模塊可以獨立控制，每相上、下2個橋臂的電壓和等于直流母線電壓。交流電壓由每相中2個橋臂的子模塊旁路比例控制，橋臂中的子模塊越多，交流電壓的諧波越小。每個橋臂裝設橋臂電抗器，用于抑制故障電流的快速上升。定海、洋山換流站的主接線如圖3、4所示，其他換流站的主接線與此類似。

圖1 舟山工程地理接線圖Fig.1 Geographical connection of Zhoushan project

圖2 半橋式模塊化多電平電壓源換流器Fig.2 Half-bridge MMC VSC

2 多端系統運行方式

舟山電網的主要電源點位于舟山本島(定海)，岱山等其他島嶼均通過交流220 kV或110 kV交流線路供電。建設舟山柔性直流工程的主要目的是滿足各島嶼用電負荷增長的需要，以及交流線路故障時向各島嶼供電。因此，柔性直流工程投運后主要的運行方式是定海站作為送電端，其他4個換流站作為受電端。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220 kV連接，岱山站將作為送電端，其他3個換流站作為受電端。

圖3 定海換流站主接線圖Fig.3 Main wiring diagram of Dinghai converter station

圖4 洋山換流站主接線圖Fig.4 Main wiring diagram of Yangshan converter station

本工程除了考慮上述主要的運行方式外，為增加運行的靈活性，發揮多端柔性直流輸電系統的優勢，也保留其他運行方式。對于并聯型五端系統，其運行方式可分為五端、四端、三端、二端及STATCOM 這五大類，理論上共有27種運行方式，但正常運行時衢山站和泗礁站不配置接地點，因此不考慮衢山站與泗礁站兩端的運行方式，實際共有26種運行方式，詳見表1。

受本工程模塊化多電平換流器主接線技術特點的限制，不考慮單極運行方式。

3 換流站功率圓圖與主回路參數

換流站功率圓圖(即PQ圓圖)指換流站與交流系統交換有功和無功的能力。繪制PQ圓圖的限制條件包括聯接變容量、調制比范圍、電纜等設備的通流能力等。以定海站為例，其PQ圓圖如圖5所示。

設計得到的各換流站橋臂電抗器、聯接變等設備的參數見表2、3。

4 控制保護策略

對于舟山五端系統，換流站控制保護［6-11］可分為系統級控制、換流站級控制與換流閥級控制。系統級控制確定柔性直流工程各個換流站的控制目標與相互配合關系，換流站級控制確定站內的控制策略，而換流閥級控制產生換流閥基本模塊的觸發脈沖。

4.1 系統級控制策略

系統級控制策略主要從調度要求與直流系統穩定運行角度，確定多端系統的整體控制策略與各換流站的控制目標。當系統中有3個以上的換流站運行時可采用基于直流電壓偏差控制的控制策略，其基本思想是選擇某一換流站主控直流電壓，并自動平衡系統的有功功率;對于其他換流站主控功率，也設置直流電壓控制器，其直流電壓指令值依次增加1個偏差帶，這樣可以確保任何情況下整個系統的直流電壓都可控，并且只被1個換流站控制。當無站間通信時，基于電壓偏差控制的控制策略也能很好地維持系統的穩定運行。當為五端換流站運行時，定海換流站的容量最大，平衡系統功率的能力最強，因此選擇定海站作為直流電壓主控站，岱山站次之，圖6為基于電壓偏差控制的控制策略示意圖。

表1 舟山工程運行方式Tab.1 Operation modes of Zhoushan project

圖5 定海站換流器PQ圓圖Fig.5 PQ diagram of Dinghai converter station

表2 各換流站橋臂電抗器參數

表3 各換流站聯接變參數

圖6 基于電壓偏差控制的控制策略Fig.6 Control strategy based on voltage offset control

基于電壓偏差的控制策略主要適用于站間通信不正常時的直流電壓控制，在通信正常時當定電壓控制的換流站失去電壓控制時可以通知其他換流站接管直流電壓控制，并將直流電壓控制在額定值。

電壓控制權的轉移主要有2種情況，一種是因直流系統的功率過剩導致的直流電壓升高，另一種是直流系統的功率不足導致的直流電壓下降。當多端系統中從直流系統汲取功率的換流站退出或汲取功率減小，或者向直流系統供給功率的換流站功率增大時，若定電壓換流站向直流系統不能再增加所汲取的功率，直流系統的功率將出現缺額，從而引起直流電壓的下降。當多端系統中向直流系統供給功率的換流站退出或供給功率減小，或者從直流系統汲取功率的換流站功率增大時，若定電壓換流站向直流系統不能再增加所供給的功率，直流系統的功率將出現缺額，從而引起直流電壓的下降。

在本工程中，最有可能發生的是因直流電壓下降引起的電壓控制權轉移。例如，假定定海換流站向直流系統注入功率，其他4個換流站從直流系統汲取功率。若定海換流站退出運行，直流電壓會下降，則超過直流電壓死區值后岱山換流站會接管電壓控制權，從而維持直流電壓的穩定。若任一汲取功率的換流站退出運行或功率定值減小，則定海換流站會自動減少功率以維持直流電壓的穩定。

在運行過程中，換流站的功率出力都要受換流器容量、過負荷水平等因素的限制，因此有些情況下有可能通過多次電壓控制權的轉移才能維持系統的穩定。例如在岱山 300 MW、衢山 100 MW、泗礁100 MW、洋山100 MW四端系統運行時，如果岱山站退出運行，由于其他換流站的容量較小，發生一級電壓控制權的轉移后系統仍不能保持功率平衡，當發生第二級電壓控制權轉移后系統才能穩定。

若所連接的交流系統為無源系統或交流系統很弱，例如洋山島失去與舟山本島、岱山島的交流線路聯系，則該換流站應進入頻率控制，以滿足向無源系統送電的要求。

以上分析了本工程有功類控制目標的選取。對于電壓源型換流器而言，還具備無功類目標的控制，如與系統交換的無功、交流電壓。各換流站可以根據需要選擇無功或交流電壓作為控制目標。

4.2 換流站級控制策略

換流站級控制策略執行系統級控制策略產生的有功類和無功類指令，并產生換流器級控制的指令，如調制電壓。本工程推薦采用基于dq變換的直接電流控制策略，該控制策略在柔性直流工程以及電壓源換流器控制中得到廣泛應用。基于dq變換的直接電流控制實現了有功類控制目標與無功類控制目標的解耦，其d軸控制器以有功類指令為控制目標，q軸控制器以無功類指令為控制目標，d軸與q軸的矢量和為最終輸出指令。d軸和q軸控制器均采用外環控制器與內環控制器嵌套的結構。換流站級控制還應具備抑制橋臂環流的能力。

聯接變壓器分接頭的控制策略為控制換流器的調制比，使調制比位于死區范圍內。當調制比超過上限值時調低聯接變閥側電壓，低于下限值時調高聯接變閥側電壓。圖7為換流站級控制策略示意圖。

圖7 換流站級控制策略Fig.7 Control strategy of converter station level

4.3 換流器級控制策略

換流器級控制策略執行換流站級控制系統產生的電壓調制波形，產生換流器橋臂子模塊導通及關斷的指令。采用最近電平控制(nearest level control，NLC)可以根據電壓調制波形產生相應的子模塊開通數量。換流器級控制中，應使各子模塊的開關頻率盡可能低，從而降低損耗，同時應采取合適的策略確保同一橋臂的各子模塊電容電壓相對均衡，減小相間環流。

4.4 直流保護配置

直流保護的范圍為聯接變閥側至直流電纜區域，直流保護配置如圖8所示。換流閥器件級的保護，如IGBT過流保護、子模塊過壓保護等由閥控承擔。直流保護動作后應閉鎖換流器，跳開交流進線開關，打開直流側隔刀，退出包括聯接變在內的所有直流設備。

圖8 換流站保護配置Fig.8 Protection configuration of converter station

5 結論

舟山柔性直流工程采用半控型模塊化多電平換流器技術，可顯著降低直流工程損耗。舟山五端柔性直流工程直流電壓等級為±200 kV，換流器總容量為1 000 MW，采用直流電纜互聯，工程建成后將進一步改善舟山群島的電網結構，提高電網供電的可靠性。

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