貴州配電網柔性直流輸電示范工程

彭小俊 郝寶泉 張海濤 劉寶誠

（1.貴州電力試驗研究院，貴州 550000；2.榮信電力電子股份有限公司，北京 100084）

貴州電網公司科技項目“配電網柔性直流輸電的研究與應用”，作為我國首個配電網柔性直流輸電項目，通過研究柔性直流輸電系統的換流站閥體設計和選擇，控制和保護策略，傳輸效率等關鍵技術問題，開發配電網柔性直流輸電系統成套設備，在貴州省銅仁市玉屏縣大龍鎮建設可長期運行的配電網柔性直流輸電示范工程，開展較長周期的運行系統集成及運行維護關鍵技術的研究。同時研究柔性直流輸電系統的技術規范與標準、管理規范和主要工程參數設計方法。設備額定電壓為±10kV，輸送容量為雙極4MVA，單極2MVA。為柔性直流輸電技術未來在我國高壓輸電網絡、配電網絡、孤島 并網等領域的發展提供技術基礎，并積累了工程經驗。

本文首先詳細說明了項目的系統設計、一次電氣設計、主要設備、控制保護系統設計。為類似項目的設計提供了參照。最后闡述了項目的試驗項目及試驗方法，并展示了部分試驗的試驗結果及波形，證明了設備的各項功能滿足設計要求。

1 項目設計

1.1 系統設計

本項目柔性直流輸電系統交流輸入為10kV，直流電壓輸出為±10kV；逆變站直流輸入為±10kV，交流輸出10kV，雙極運行模式額定容量4MVA，單極 運行模式2MVA，為負荷供電。整套輸電設備可以作為兩套容量均為2MVA 的獨立單極直流輸電設備，輸電距離約3 公里。交流10kV 出線通過整流變壓器接到12 個整流功率單元模塊，12 個模塊串聯得到10kV 的直流電壓，通過3km 直流電纜連接到逆變站的逆變功率單元，通過變壓器變換成為10kV 的交流電連接到10kV 交流電網。系統圖如圖1所示。

圖1 貴州柔直輸電項目系統原理圖

該方案具有可靠性高、結構簡單、占地面積小、開關頻率低、損耗小等特點，是一種非常適合城郊結合區域輸電的方案。

1.2 一次電氣設計

整套系統具備帶電維護檢修功能，正常運行模式為雙極運行，故障時自動轉入單極運行，無需停電即可進行故障維護，維護完畢后可由單極運行再轉入雙極運行，大幅提高了可靠性和有效性。

1.3 主要設備

1）整流功率單元

整流站的主體與核心部分是整流功率單元。其交流側與變壓器連接，接收變壓器供給功率單元的能量，具有相同結構和功能的多個整流功率單元串聯形成直流電源，通過輸電電纜將電能輸送至逆變站。

整流功率單元為三相全橋IGBT 整流，具有輸入電流、直流電壓檢測以及溫度開關檢測功能，整流功率單元控制板檢測這些信號后，反饋給主控系統，同時具備熔絲保護、過壓、欠壓、超溫、過流保護等[1-5]。

2）逆變功率單元

逆變功率單元是逆變站的主體與核心部分。由相同結構和功能的多個逆變功率串聯形成一個整體直流側，與整流站的直流側經輸電纜相連，接收傳輸而來的電能。逆變功率單元將直流電壓逆變為50Hz 的正弦交流電壓，其交流側經變壓器繞組并聯，為負荷供電。

逆變功率單元為三相全橋IGBT 逆變，具有輸出電流、直流電壓檢測以及溫度開關檢測功能，逆變功率單元控制板檢測這些信號后，反饋給主控系統，同時具備熔絲保護、過壓、欠壓、超溫、過流保護以及IGBT 驅動短路保護等[5-9]。

3）變壓器

整流站采用全控整流方式，整流變壓器是整流站的主要電氣設備，逆變變壓器是逆變站的主要電氣設備，采用干式，多繞組隔離設計方案，起到電壓變換及電氣隔離作用[10-11]。

表1 變壓器基本參數

4）直流限流電抗器

直流限流電抗器裝設在整流站直流側出口，及逆變站直流側入口。主要作用是在直流側發生短路故障時，限制短路電流的急劇上升，以保護直流輸電設備。同時，整流站直流側出口，及逆變站直流側入口，分別還裝配了直流熔斷器，作用是在直流側發生短路故障時，快速熔斷，隔離故障點，保護直流輸電設備[12]。

1.4 控制保護系統設計

1）控制系統

輕型直流輸電系統是一個復雜的系統，其實際運行性能極大地依賴于它的控制系統。合理的控制體系能提高工程的可用性及可靠性等指標。類似于傳統直流輸電控制系統，為了把由控制系統故障引起的直流系統不可用率降到最小，輕型直流控制系統也通常采用多重化和分層結構[13-15]。整個控制系統由系統級控制、換流器級控制、觸發級控制組成。這種分層設計增強了系統的靈活性。

2）保護系統

系統中任一保護動作后，人機界面上都會準確顯示故障類型、位置等，故障的有關詳細信息，用戶可以通過故障信息及相應處理說明，對故障進行簡單處理，以便整個系統迅速恢復正常運行。所有保護裝置均為微機型保護，并可通過通信接口與輕型直流監控系統進行信息交換。保護用的繼電器和設備與輕型直流控制設備和接口分開安裝。保護裝置符合輕型直流設備安全可靠運行的要求，滿足可靠性、選擇性、靈活性和速動性的要求，保護定值和延時的選擇與上級保護配合，防止越級動作[10]。保護系統設有主保護和后備保護。保護系統能夠接受從CT、PT 或由乙方提供的輕型直流設備單元傳送的輸入信號。

保護系統主要包括如下幾部分：控制系統保護（UPS 故障保護、輸入信號異常保護、電源故障保護、硬件故障保護、子系統故障保護、擊穿保護、過流保護、丟脈沖保護及通訊故障保護等）；閥組保護（過壓保護、低壓保護、丟脈沖保護、閥元件故障保護等）；冷卻系統保護。

2 出廠試驗

2.1 變壓器、功率單元耐壓試驗

表2 測試內容

2.2 控制器故障保護測試

試驗的目的是，保證系統的保護功能正常，在設備發生故障時系統可以及時動作，保證設備的安全。

2.3 空載試驗

為確保各個功率單元工作正常，每臺集裝箱單獨調試，設備直流側的直流刀閘保持斷開狀態，在人機界面上設置單元直流側電壓給定值，觀察單元直流側電壓、電流是否在正常的范圍。

2.4 無功試驗

確保各個單元在無功模式下可以正常工作，以便對系統進行無功補償。在設備空載試驗完成的基礎上，設備直流側的直流刀閘仍保持斷開狀態，通過人機界面設置直流側電壓和無功值的大小及方向，實現系統對電網的感性或容性無功補償。

圖2 裝置輸出的無功電流

從圖2中兩個照片可以看出，當無功電流給定較小時，電流的開關紋波較大，但當電流發至0.8pu時，由于開關波紋電流幅值不變，因此相對于基波值，隨著無功電流的增加，紋波電流所占比例逐漸減小，電流正弦度也逐漸變好。同時對0.6 倍容性無功輸出時電流波形進行諧波分析，結果見圖3，其諧波主要是開關紋波3.5kHz，其有效值大小約為6A。

圖3 0.6 倍容性無功輸出

不難看出，逆變單元電流波形中無紋波，這是因為其開關紋波被交流濾波電容吸收。波形如圖4所示。

2.5 有功穿越試驗

設備空載及無功試驗完成基礎上，將整流和逆變兩套設備的直流側的刀閘閉合，通過在逆變站觸摸屏上設置有功給定值大小及方向，實現整流站與逆變站之間的有功傳遞（能量可逆），實現系統的直流輸電功能。此時關心的是電能成功送到逆變側后，逆變側的電流波形及逆變側的電網電流波形。如圖5和圖6所示，不同無功輸送容量下的逆變側、及電網側電流波形。

圖4 逆變單元的電流

2.6 老化試驗

老化試驗的目的是，保證系統運行可靠，主要部件溫升在設計值以內。四套集裝箱的交流側并聯到同一電網，直流側刀閘全部閉合，逆變站有功給定為0.95，整流站運行于滿載狀態，設備無故障運行24h，每隔1h 測試主要部件溫度。

圖5 逆變站單元電流波形

圖6 網側電流（滿載）

試驗環境溫度為15°C，變壓器穩態最高溫度為60°C，溫升為45°C。單元溫升為20°C，變壓器與單元溫升均符合設計要求[16-20]。

3 項目管理

整個工程由貴州電力科學研究院負責管理，多個企業及設計院共同參與，包括工程設計，設備制造，現場土建等部分。為按時高質量完成項目，此項目制定了嚴格的管理制度，把整個工程分成幾個重要的階段并設定了時間節點，包括：初步設計、初設評審、詳細設計、最終設計確認、采購、設備組裝、現場土建、主要設備出廠試驗見證、包裝運輸、現場安裝調試、系統聯調、設備試運行。同時對各主要設備供應商有詳細的嚴格的管理手段，這也是整個工程質量控制的一個重要部分。質量計劃中不止規定了設備及整個工程的質量控制計劃，還包括了現場施工安全監管，環境保護，人員健康等等細節。所有參與工程的各方嚴格遵照項目的管理條例，按部就班的完成所應承擔的任務[21-22]。目前項目主要設備已經完成出廠試驗，現場土建工作也都按項目計劃順利的進行中。

4 結論

1）介紹了建造此示范工程的目的、項目基本情況及項目背景。

2）較詳細的闡述了項目的設計，包括電氣設計、工程設計、設備的結構電氣設計、控制保護系統設計及工程的主要設備。

3）較詳細描述了設備的出場試驗，包括試驗項目、試驗手段、試驗結果等。由出廠試驗結果可以看出，設備完全滿足設計要求，各項功能及考核結果都滿足標準。

4）簡單介紹了項目的管理手段，及執行情況。

5）從調試和試驗結果看出，示范工程達到了預期的目的，為柔直技術在電網中的大規模應用積累了工程經驗，提供了技術應用的基礎。

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