廈門(mén)±320 kV柔性直流輸電示范工程關(guān)鍵技術(shù)

鄧明鋒，王　康，郭曉君，鄭凌娟

(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州　350007)

廈門(mén)±320 kV柔性直流輸電示范工程關(guān)鍵技術(shù)

鄧明鋒，王康，郭曉君，鄭凌娟

(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州350007)

摘要：廈門(mén)±320 kV柔性直流輸電科技示范工程作為電壓等級(jí)最高、容量最大、采用真雙極接線(xiàn)的面向城市供電的柔性直流輸電工程一直備受矚目。介紹了該工程的概況，對(duì)其運(yùn)行模式及切換方法、系統(tǒng)控制策略等關(guān)鍵技術(shù)，以及STATCOM模式和HVDC模式下的運(yùn)行特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。錄波結(jié)果顯示，示范工程各個(gè)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，展示了柔性直流輸電技術(shù)在高壓大容量輸電領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：±320 kV多電平換流器；真雙極接線(xiàn)；STATCOM模式；HVDC模式

2013年初研制的1000 MW/±320 kV柔性直流換流閥及閥控設(shè)備，先后通過(guò)荷蘭KEMA見(jiàn)證試驗(yàn)和國(guó)家能源局的產(chǎn)品鑒定，并在廈門(mén)組織建設(shè)了適用于城市輸電的±320 kV廈門(mén)柔性直流輸電科技示范工程。該工程面向城市大負(fù)荷供電，其輸送電壓等級(jí)為±320 kV，輸送容量為雙極1 000 MVA。工程建成后能極大緩解廈門(mén)島內(nèi)既有電網(wǎng)的運(yùn)行壓力，有效支撐電網(wǎng)電壓，提高廈門(mén)島內(nèi)的供電能力和可靠性，滿(mǎn)足島內(nèi)日益增長(zhǎng)的用電需求，對(duì)國(guó)家電網(wǎng)公司全面掌握大功率、高電壓柔性直流輸電技術(shù)，推動(dòng)柔性直流輸電技術(shù)國(guó)產(chǎn)化、增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力、加強(qiáng)對(duì)外示范展示均具有十分重要的意義。同時(shí)，柔性直流輸電還可以作為重要負(fù)荷的黑啟動(dòng)電源，對(duì)在電網(wǎng)在故障和緊急情況下的快速啟動(dòng)及恢復(fù)有十分重要的作用，對(duì)廈門(mén)島內(nèi)的電網(wǎng)運(yùn)行可靠性支撐具有重要的意義。

本文簡(jiǎn)述了示范工程的控制方案及其策略，并結(jié)合工程調(diào)試分析了STATCOM運(yùn)行模式和HVDC運(yùn)行模式下的運(yùn)行特性。

1廈門(mén)柔性直流輸電示范工程

1.1工程概況

廈門(mén)柔性直流科技示范工程直流輸送容量為單極500 MVA，雙極1 000 MVA，直流電壓±320 kV，直流電流1 600 A，新建模塊化多電平柔性直流換流站兩座，分別為浦園換流站和鷺島換流站。新建浦園—鷺島±320 kV直流輸電線(xiàn)路1回，全線(xiàn)路由陸纜鋪設(shè)，線(xiàn)路全長(zhǎng)10.7 km。

該工程的核心換流閥采用模塊化多電平(MMC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1-3]。每座換流站由兩極2 592個(gè)功率單元構(gòu)成，每極1 296個(gè)功率單元，每個(gè)橋臂由216個(gè)功率單元構(gòu)成。其中，每個(gè)橋臂由3個(gè)雙聯(lián)閥塔構(gòu)成，每個(gè)閥塔由上下3層，每層24個(gè)功率單元。

1.2系統(tǒng)運(yùn)行方式

由于廈門(mén)柔性直流輸電科技示范工程是真雙極接線(xiàn)系統(tǒng)，與偽雙極接線(xiàn)系統(tǒng)和直接接線(xiàn)系統(tǒng)相比有著巨大的優(yōu)勢(shì)。采用真雙極接線(xiàn)時(shí)，其過(guò)電壓水平相對(duì)較低、極線(xiàn)設(shè)備的造價(jià)降低，空氣凈距小；在真雙極接線(xiàn)時(shí)，直流側(cè)零電位點(diǎn)設(shè)置簡(jiǎn)單，可直接接地；與偽雙極接線(xiàn)相比，供電可靠性提高一倍。采用真雙極接線(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行方式也多種多樣，主要有6種運(yùn)行方式。

(1)雙極帶金屬返回線(xiàn)單端接地運(yùn)行，此模式為雙極正常運(yùn)行時(shí)的模式，接線(xiàn)圖如圖1所示。

圖1　雙極帶金屬返回線(xiàn)單端接地運(yùn)行

(2)極1單極帶金屬返回線(xiàn)單端接地運(yùn)行，在在極2檢修或者故障時(shí)可切換至此運(yùn)行模式，接線(xiàn)圖如圖2所示。

圖2　極1單極帶金屬返回線(xiàn)單端接地運(yùn)行

(4)極2單極帶金屬返回線(xiàn)單端接地運(yùn)行，在極1檢修或者故障時(shí)可切換至此運(yùn)行模式，接線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3　極2單極帶金屬返回線(xiàn)單端接地運(yùn)行

(4)雙極不帶金屬返回線(xiàn)雙端接地運(yùn)行，在切換運(yùn)行方式時(shí)出現(xiàn)這種情況，(臨時(shí)運(yùn)行方式)，接線(xiàn)圖如圖4所示。

圖4　雙極不帶金屬返回線(xiàn)雙端接地運(yùn)行

(5)浦園換流站作為STATCOM運(yùn)行模式，包括(a)極1極2雙換流器作為STATCOM運(yùn)行，(b)極1換流器作為STATCOM運(yùn)行，(c)極2換流器作為STATCOM運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)需要緊急無(wú)功支撐或鷺島站雙極都出現(xiàn)故障時(shí)可切換至此運(yùn)行模式，接線(xiàn)圖如圖5所示。

圖5　浦園站作為STATCOM運(yùn)行模式

(6)鷺島換流站作為STATCOM運(yùn)行模式，包括(a)極1極2雙換流器作為STATCOM運(yùn)行，(b)極1換流器作為STATCOM運(yùn)行，(c)極2換流器作為STATCOM運(yùn)行。在當(dāng)系統(tǒng)需要緊急無(wú)功支撐或浦園站雙極都出現(xiàn)故障時(shí)可切換至此運(yùn)行模式，接線(xiàn)圖如圖6所示。

圖6　鷺島站作為STATCOM運(yùn)行模式

由于存在多種運(yùn)行方式，示范工程的運(yùn)行切換模式也多樣化，主要有6中運(yùn)行切換方式。

切換方式1：雙極金屬回線(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)單極金屬回線(xiàn)運(yùn)行

切換方式2：?jiǎn)螛O金屬回線(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)雙極金屬回線(xiàn)運(yùn)行

切換方式3：雙極金屬回線(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)雙極雙端接地運(yùn)行

切換方式4：雙極雙端接地運(yùn)行轉(zhuǎn)雙極金屬回線(xiàn)運(yùn)行

切換方式5：?jiǎn)螛O金屬回線(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)雙極無(wú)金屬回線(xiàn)運(yùn)行

切換方式6：雙極無(wú)金屬回線(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)單極金屬回線(xiàn)運(yùn)行

這些運(yùn)行方式和切換方式為今后的工程檢修、倒閘操作提供了一定的技術(shù)參考。也為今后的柔性直流輸電工程提供一定的技術(shù)支持和相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

1.3換流器控制設(shè)計(jì)

換流器的控制是整個(gè)柔性直流工程控制系統(tǒng)的核心，基于電壓源換流器的控制主要有間接電流控制和直接電流控制兩種。間接電流控制為開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)系統(tǒng)的交流側(cè)基波電流、電壓計(jì)算換流器逆變出的電壓幅值、相角等參數(shù)，得出調(diào)制波的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)換流閥的控制[4]。這種控制方法，響應(yīng)速度慢、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)敏感，并不適合本工程。直接電流控制通過(guò)直流側(cè)電流反饋的閉環(huán)控制來(lái)控制它的交流電流，這種控制方法響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)，同時(shí)還具有一定的限流能力[5]，廈門(mén)±320 kV柔性直流輸電示范工程采用直接電流控制，其采用雙閉環(huán)控制的直接電流控制，通過(guò)外環(huán)的功率控制和內(nèi)環(huán)的電流解耦控制從而得到換流閥的期望輸出交流電壓參考值[6]。示范工程換流閥的核心控制框圖如圖7所示。主要由VBC閥控制器、內(nèi)環(huán)電流控制器、外環(huán)功率控制器、鎖相同步控制器等構(gòu)成。

圖7　換流器核心控制框圖

外環(huán)功率控制器接收上級(jí)控制器給定的設(shè)定值，通過(guò)PI控制來(lái)修正輸入量與參考量的偏差，得到與有功功率有關(guān)的d軸電流分量和無(wú)功功率相關(guān)的q軸電流分量，再將其輸入到內(nèi)環(huán)解耦控制器中，并通過(guò)坐標(biāo)反變換得出其控制量的參考電壓波，再通過(guò)VBC閥控模塊驅(qū)動(dòng)換流閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)換流閥的精確控制。

從圖8可以看到，兩個(gè)換流站的換流閥外環(huán)控制都可以有交流電壓控制、無(wú)功功率控制、直流電壓控制、有功功率控制。但是為了保證有功功率平衡，在HVDC運(yùn)行模式下兩站間必須有一個(gè)是直流電壓控制、一個(gè)是有功功率控制。其具體控制為：

在STATCOM模式下，浦園和鷺島站屬于獨(dú)立控制，不在進(jìn)行有功功率交換，僅參與各自的無(wú)功功率交換。此時(shí)，浦園和鷺島站的控制模式有定直流電壓控制、定交流電壓控制或定無(wú)功功率控制。

在HVDC模式下，為了保證有功功率的傳輸平衡，浦園和鷺島站只能一個(gè)是定直流電壓控制，一個(gè)是定有功功率控制，當(dāng)浦園站為定直流電壓控制、定交流電壓或定無(wú)功功率控制時(shí)鷺島站只能是定有功功率控制、定交流電壓或定無(wú)功功率控制，反之亦然。因此，示范工程的在各運(yùn)行方式下的控制方案如表1所示。

在得到控制量的參考電壓波后，傳輸至VBC閥控模塊，從而驅(qū)動(dòng)換流閥的運(yùn)行，最終完成它的觸發(fā)工作。可以說(shuō)VBC閥控模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元。其具備鎖相技術(shù)、電容電壓平衡控制、電流控制等功能。圖8為示范工程的VBC閥控模塊的結(jié)構(gòu)圖，主要包括供電單元、電流控制器、橋臂控制器及各種監(jiān)測(cè)單元等幾個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)換流閥的控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)及與外界通信的功能。

表1　示范工程的控制方案

圖8　示范工程VBC閥控模塊的結(jié)構(gòu)圖

2.4示范工程的運(yùn)行性能

廈門(mén)柔性直流輸電科技示范工程于9月中旬完成兩個(gè)站的安裝工程，10月中旬一次、二次設(shè)備交接試驗(yàn)結(jié)束，緊隨著進(jìn)入系統(tǒng)帶電調(diào)試。示范工程成功的進(jìn)行了主設(shè)備和子系統(tǒng)的測(cè)試、換流閥空載啟動(dòng)、空載輸出測(cè)試、定無(wú)功功率控制、定交流電壓控制等試驗(yàn)項(xiàng)目，隨后完成兩站的STATCOM運(yùn)行模式調(diào)試，在工程的最后階段完成了HVDC模式下的兩站聯(lián)調(diào)工作。通過(guò)對(duì)示范工程的兩種主要運(yùn)行模式的運(yùn)行性能進(jìn)行調(diào)試分析及168h試運(yùn)行試驗(yàn)，證實(shí)示范工程已達(dá)到投運(yùn)的條件。

圖9　STATCOM模式下鷺島站輸出波形圖

2.4.1STATCOM模式運(yùn)行性能

當(dāng)示范工程處于STATCOM運(yùn)行模式時(shí)，系統(tǒng)不參與有功功率交換，僅參與各自的無(wú)功功率交換。

圖9為在STATCOM運(yùn)行模式下鷺島站輸出50Mvar無(wú)功功率時(shí)的錄波圖，其中圖(a)～(e)為鷺島站網(wǎng)側(cè)電流、閥側(cè)電流、網(wǎng)側(cè)電壓、無(wú)功功率、極線(xiàn)電壓輸出波形圖。

從圖9中可以看出，在STATCOM運(yùn)行模式時(shí)，換流站輸出的無(wú)功功率維持在50 Mvar，幾乎沒(méi)有波動(dòng)，極線(xiàn)電壓能維持在設(shè)定值。

2.4.2HVDC模式運(yùn)行性能

在HVDC模式下，柔性直流輸電極線(xiàn)電纜和交流線(xiàn)路同時(shí)運(yùn)行，也考驗(yàn)HVDC模式下的長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。工程調(diào)試時(shí)設(shè)定雙極總有功功率200 MW，極1有功功率100 MW，極2有功功率100 MW運(yùn)行。圖10為HVDC模式下鷺島站輸出100 MW有功功率時(shí)交流側(cè)輸出錄波圖，其中圖10(a)～(c)為網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流、閥側(cè)電流輸出波形圖。圖11為HVDC模式下鷺島站直流側(cè)錄波圖，其中圖(a)～(b)極線(xiàn)電流和極線(xiàn)電壓波形圖。圖12(a)～(b)為鷺島站輸出100 MW有功功率時(shí)的有功和無(wú)功功率波形圖。

圖11　HVDC模式下的直流側(cè)波形圖

圖12　HVDC模式下輸出的功率波形圖

從波形圖中可以看出，在HVDC運(yùn)行模式下，鷺島站設(shè)定輸出100 MW有功功率時(shí)，系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率僅有3 Mvar左右，幾乎可以忽略不計(jì)，傳輸性能優(yōu)越。極線(xiàn)電壓也能維持在320 kV，表明廈門(mén)±320 kV柔性直流輸電工程具有良好的性能。

3結(jié)語(yǔ)

作為電壓等級(jí)最高，容量最大的柔性直流輸電式工程，廈門(mén)±320 kV柔性直流輸電工程采用模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，真雙極接線(xiàn)，具備多種運(yùn)行方式，切換方便，供電可靠性高。采用外環(huán)功率控制和內(nèi)環(huán)電流控制相結(jié)合的直接電流控制方法，響應(yīng)速度快，魯棒性好[7-8]。示范工程主要的兩種運(yùn)行模式分別為STATCOM運(yùn)行模式和HVDC運(yùn)行模式。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明在兩種運(yùn)行模式下，換流站都能準(zhǔn)確輸出所需的無(wú)功功率、有功功率，控制靈活、性能優(yōu)越，滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的各種要求。

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(本文編輯：趙艷粉)

Key Technology for Xiamen ±320 kV Flexible HVDC Transmission Demonstration Project

DENG Ming-feng, WANG Kang，GUO Xiao-jun，ZHENG Ling-juan

(State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007, China)

Abstract:Xiamen ±320kV flexible HVDC technology demonstration project has attracted much attention of the world as a flexible HVDC project using true bipolar connection with the highest voltage level and largest capacity. This paper gives a brief introduction to the demonstration project, including operating modes, mode switching method, system control strategy and its performances in STATCOM operating mode and HVDC operating mode. The recorded waveforms show that the design requirements of demonstration projects are well satisfied. Xiamen demonstration project shows a bright future of flexible HVDC technology in high voltage and large capacity power transmission area.

Key words:±320 kV MMC; true bipolar connection; STATCOM mode; HVDC mode

DOI：10.11973/dlyny201603001

作者簡(jiǎn)介：鄧明鋒(1988)，男，碩士，工程師，從事電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TM721.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)03-0269-05

收稿日期：2016-02-13