柔性直流換流站主接線形式選擇分析

劉情新

(中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司,河北 石家莊 050031)

柔性直流輸電技術是一種基于模塊化多電平技術(MMC)發展而來的新型直流輸電技術,是一種目前已經開展工程應用的先進電力電子技術。國內已有眾多柔性直流工程建成投運,并且我國已修編一批與柔性直流輸電技術相關的技術規范標準,柔性直流輸電技術大規模發展應用的條件已經日臻成熟。本文討論了典型的柔性直流換流站的主接線形式,為柔性直流換流站的主接線設計提供參考。

1 柔性直流輸電系統

按照電壓等級區分,柔性直流系統可以分為高、中、低壓柔性直流輸電系統。根據《中低壓直流配電電壓導則》中的劃分,110～1 500(±750)V屬于低壓范圍,3 000(±1 500)V～±50 k V屬于中壓范圍,±50 k V以上屬于高壓范圍。

按照電網結構區分,高壓柔性直流輸電系統分為兩端柔性直流輸電系統、多端柔性直流輸電系統、背靠背柔性直流輸電系統;中低壓柔性直流配電系統分為環狀柔性直流配電網、放射狀柔性直流配電網、兩端柔性直流配電等。

不同的電壓等級和電網結構對柔性直流換流站的主接線形式有不同的要求,主接線形式的選擇必須充分考慮。

2 柔性直流換流站主接線形式

2.1 對稱雙極接線形式

對稱雙極接線形式如圖1所示,該接線形式采用2組6脈動換流橋結構,在2組換流橋中間接地,換流橋對稱運行。該接線的接地方式包括:

圖1 對稱雙極接線形式示意

(1)不配置金屬回流線,2組換流橋中間位置直接連接直流接地極接地;

(2)配置金屬回流線,經直流中性母線接地。

對稱雙極接線形式的接地極類型包括外引直流接地極和直流中性母線直接站內接地等2種。采用外引接地極方式時,無金屬回流線,但是需抑制外引接地極直流偏磁對地下金屬管線和電力設施的影響。采用直流中性母線直接接地方式時,有金屬回流線直接在換流站內接地,能消除單極運行方式時直流偏磁的影響,運行方式靈活可靠,但是需增加1回架空導線(或者電纜)來連通兩端換流站的中性點。

對稱雙極接線形式在直流側發生故障時,只影響故障極的運行,而對健全極的運行沒有影響,從而提高系統的可靠性;并且這種接線形式的換流站易于分期建設,可以先投運單極然后再投運雙極;雙極接線形式的換流站可以使用更多換流閥組,更適用于高電壓等級、大容量的柔性直流輸電系統。但在對稱雙極接線形式下,正常運行時每一極的交流側都要承受一半的直流極線電壓,會使聯結變壓器及相關配套設備的制造難度提高。

2.2 對稱單極接線形式

對稱單極接線形式如圖2所示,該接線形式通常采用一組6脈動換流橋結構,使用適合的接地裝置在交流側或直流側鉗制住中性點電位,使2條直流極線電位形成對稱的正負電位。對稱單極接線系統的接地方式包括:

圖2 對稱單極接線形式示意

(1)兩條直流極線間經大電阻或電容接地裝置鉗制中性點電位;

(2)換流變閥側經交流接地電抗器及與其相連的中性點接地電阻接地;

(3)換流變閥側繞組中性點經接地電阻接地。

當采用直流極線經大電阻或電容接地方式時,在系統正常運行時大電阻或大電容需要長期工作,額外消耗能量;采用換流變壓器閥側經接地電抗器接地方式時,接地電抗器需要吸收大量無功,影響系統的無功調控性能;采用換流變閥側繞組中性點經接地電阻接地方式時,需要換流變壓器的閥側繞組采用Yn接線,即Δ/Yn接線的雙繞組換流變,Y0/Yn/Δ接線的三繞組換流變壓器,其中Δ繞組為零序分量屏蔽繞組,該方式下換流變需要承受直流故障下的復雜電磁過程,增加了換流變壓器的制造難度。

對稱單極接線形式結構簡單,在系統正常運行時,聯結變壓器的閥側繞組承受的是正常的交流電壓,設備制造容易。但是采用對稱單極接線形式的換流站在柔性直流系統發生直流短路故障后需要整體退出運行,導致故障恢復過程緩慢;另外受到制造能力限制,換流子模塊器件的通流能力還不能做到太高,正常運行電流只能做到1 600 A左右,因此對稱單極接線形式并不能適用于大容量柔性直流換流站。

2.3 非對稱單極接線形式

非對稱單極接線形式如圖3所示,該接線形式的換流橋直流側一端直接接地,另一端采用大地回線或者金屬回流線并接地。

圖3 非對稱單極接線形式示意

3 柔性直流換流站主接線形式選擇分析

3.1 高壓柔性直流換流站主接線形式

高壓柔性直流換流站目前應用較多的是對稱單極接線和對稱雙極接線兩種主接線形式,其選擇主要取決于系統要求、設備制造能力與工程投資[1- 2]。

按照系統結構要求,對于兩端柔性直流輸電系統與背靠背柔性直流系統,其輸送容量相對較小,系統結構簡單,優先考慮采用對稱單極接線形式;對于多端柔性直流輸電系統,其輸送容量較大,且系統結構復雜,若其具備單極運行能力,將大幅提高其靈活性和可靠性,優先考慮采用雙極接線。

同時需要考慮不同換流器子模塊對柔性直流換流站主接線的影響,半橋型子模塊換流器不具有故障自清除能力,需要與直流斷路器配合來實現故障清除;全橋型子模塊換流器具有故障自清除能力,可以與高速機械開關配合實現柔直電網故障清除。多端柔直系統結構復雜,運行形式多樣,控制保護難度高,多采用半橋型子模塊換流器加直流斷路器的方式,同時半橋型子模塊換流器的功率損耗也大大低于全橋型子模塊。

受制于換流閥的制造能力,±500 k V、±800 k V等特高壓柔性直流工程需采用對稱雙極接線形式來為降低換流閥組直流絕緣耐受電壓,減少換流閥組的制造難度。

對稱雙極接線形式的換流站相比于對稱單極接線形式的換流站,在占地面積、投資和建設周期上均有提高,更適用于大容量、遠距離的柔性直流輸電工程。

3.2 中低壓柔性直流換流站主接線形式

中低壓柔性直流系統多應用于配電領域,對稱單極接線形式應用較多,非對稱單極接線形式在少量工程中有所應用[34]。

中低壓直流配電系統中對稱單極接線形式采用兩電平換流器或者多電平換流器,并在直流側需設置中性點提供系統運行控制的電壓參考點,減少正常運行時載波頻率次諧波,保證正常運行和故障恢復后正、負極電壓的對稱,同時減少絕緣投資。

對稱單極接線形式的直流側中性點接地方式可以分為電容直接接地、經電阻接地2種。交流側中性點運行方式包括不接地運行和經電阻接地運行。采用交流側中性點不接地運行時,直流側采用經電阻接地,能限制短路電流和加速故障恢復;交流側中性點直接接地運行時,需通過聯接變壓器與換流器連接,并且需要增加接地電阻來限制短路電流。

中低壓柔性直流配電系統按電網結構,分為環網直流配電網、放射狀直流配電網、兩端配電直流配電網等,中低壓柔直換流站中都配置直流斷路器用于斷開直流側故障,以適應不同的中低壓柔直配電網絡結構。

目前,國內已投運的部分柔性直流換流站工程的主接線形式[56]如表1所示。

表1 國內投運的部分柔性直流換流站的主接線形式

4 結論

對于高壓兩端柔性直流輸電系統與背靠背柔性直流輸電系統,其輸送容量相對較小,系統結構簡單,在綜合投資對比分析后,優先考慮采用對稱單極接線;對于高壓多端柔性直流輸電系統,其輸送容量較大,且系統結構復雜,在綜合經濟技術分析后,優先考慮采用對稱雙極接線。考慮到多端柔直系統結構復雜,運行形式多樣,控制保護難度高,因此多采用半橋型子模塊換流器加直流斷路器的方式。對于中低壓柔性直流配電系統多采用對稱單極接線形式,非對稱單極接線形式在特殊工程中也可以應用。