海上柔性直流輸電工程直流電壓等級確定方法

陳 鵬,周國梁,馬 亮,楊金根,梁言橋,周思遠(yuǎn)

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源穩(wěn)定性強、年利用小時高等顯著特點，近年來海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在世界各地飛速發(fā)展[1-3]。目前海上風(fēng)電并網(wǎng)輸電主要有兩種典型方式：高壓交流輸電和柔性直流輸電。高壓交流輸電主要是通過建設(shè)海上交流升壓站，匯集海上風(fēng)電場的電能并送至陸上的電網(wǎng)，適用于規(guī)模小、近距離風(fēng)電場的電能送出。隨著海上風(fēng)電機組大型化、投資規(guī)模的不斷擴(kuò)大和建設(shè)成本逐漸下降，近海風(fēng)電資源日趨緊張。基于柔性直流輸電技術(shù)的大規(guī)模、遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電送出工程已成為了海上風(fēng)電發(fā)展和研究的熱點，在歐洲北海地區(qū)的海上風(fēng)電輸電工程中得到了較廣泛的應(yīng)用[4]。

在海上風(fēng)電柔性直流輸電工程主要由海上換流站、陸上換流站和直流海纜等部分構(gòu)成。一般情況下，海上換流站和直流海纜的投資成本占據(jù)了整個海上風(fēng)電柔性直流輸電工程投資總成本的70%以上，是大容量、遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的關(guān)鍵設(shè)施[5]。

在工程建設(shè)前期，直流電壓等級是海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的重要技術(shù)參數(shù)。對于海上換流站核心電氣設(shè)備換流閥來說，在絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)器件額定電壓確定的情況下，直流電壓等級直接影響了模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)子模塊的級聯(lián)個數(shù)，與換流閥的制造成本幾乎成線性關(guān)系；另一方面，直流電壓等級及其過電壓水平很大程度上決定了海上換流站的體積質(zhì)量，從而成為了決定海上換流站平臺建造的關(guān)鍵因素。此外，在工程額定輸送容量確定的情況下，直流電壓等級也是影響直流海纜的絕緣厚度和制造難度的關(guān)鍵參數(shù)，能夠直接決定直流海纜的生產(chǎn)制造成本。因此，選擇合適的直流電壓等級，確定直流電壓等級范圍，對于工程的實施建設(shè)和成本的把控具有重要意義[6]。

目前，國內(nèi)暫無成熟的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的設(shè)計和建設(shè)經(jīng)驗，尚處于探索和起步階段。針對確定海上風(fēng)電柔性直流輸電工程電壓等級的方法還研究得較少，特別是從IGBT器件參數(shù)、直流海纜選型等方面對海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級確定的研究工作。

下面針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于IGBT器件穩(wěn)態(tài)電流運行區(qū)間，給出了海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓取值范圍，并根據(jù)IGBT暫態(tài)電流限值，對直流電壓取值范圍進(jìn)行修正。進(jìn)一步根據(jù)直流海纜載流量限值要求，確定工程的直流電壓等級。并在此基礎(chǔ)上，以某900 MW海上風(fēng)電柔性直流輸電工程為例，給出了工程案例的直流電壓等級確定流程。

1 海上柔性直流換流站電氣主接線

現(xiàn)階段大容量柔性直流輸電工程主要采用損耗、諧波更低、大電平數(shù)目的MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其換流單元及直流側(cè)接線方式主要采用對稱單極接線(偽雙極)和對稱雙極接線(真雙極)，具體接線方式的選擇與兩端換流站的交流系統(tǒng)規(guī)模和條件、柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠性、工程建設(shè)成本等因素有關(guān)[7-9]。

針對海上風(fēng)電柔性直流輸電工程來說，對稱雙極接線方式可靠性較高，運行方式較靈活。但對稱雙極接線的電氣設(shè)備較多，換流變壓器需考慮直流偏置電壓，且直流線路需增加一回中性線海纜，海上柔性直流換流站和直流海纜的投資費用均較高。受海上柔性直流換流站的平臺尺寸和重量限制，以及直流海纜對工程造價的影響，海上風(fēng)電柔性直流輸電工程通常采用對稱單極接線形式。海上柔性直流換流站典型的對稱單極接線方式如圖1所示，該接線方式為單個換流單元構(gòu)成的雙極系統(tǒng)，通過交流側(cè)中性點接地，呈現(xiàn)出了對稱的正、負(fù)極性的直流線路。

圖1 海上柔性直流換流站電氣主接線

圖1中：T為換流變壓器；CB為交流斷路器；AB為交流穿墻套管；V為換流閥；DB為直流穿墻套管；L為橋臂電抗器；DS為直流隔離開關(guān)；DL為直流海纜終端。

2 直流電壓等級確定方法

2.1 IGBT穩(wěn)態(tài)運行條件限制

IGBT是海上風(fēng)電柔性直流輸電工程中的核心部件，因此，要保障其安全、穩(wěn)定、高效地運行，IGBT器件的電氣參數(shù)限制對工程設(shè)計有著舉足輕重的影響。IGBT器件的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)通流能力以及耐受電壓等參數(shù)會影響輸電系統(tǒng)的功率傳輸，從而對直流電壓等級選擇產(chǎn)生影響。

為了避免IGBT長時間運行在額定電流下而出現(xiàn)故障，定義λ為每個IGBT器件的穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運行系數(shù)，記為λ=iarm_rms/ie，其中：iarm_rms為換流閥橋臂工作電流；ie為IGBT器件的額定電流。λ根據(jù)工程經(jīng)驗取值通常在0.50～0.65。

根據(jù)海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流輸送容量Pe，可以計算出直流極線電流idc和聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)功率Se，如式(1)所示。

(1)

式中：Udc為正負(fù)極間電壓；cosφ為聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，通常0.9≤cosφ≤1.0，并具備發(fā)出和吸收無功功率的能力；Udc為正負(fù)極間電壓。

聯(lián)接變壓器閥側(cè)電壓Uv和基頻電流iv(1)的表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

式中，M為換流器調(diào)制比，通常0.75≤M≤0.95。

考慮到IGBT橋臂電流中，占主要組成部分的是直流分量、基波分量iv(1)和二倍頻分量iv(2)，所以IGBT橋臂電流穩(wěn)態(tài)有效值可以表達(dá)為[10-11]

(3)

式中，k(2)為橋臂電流二倍頻分量相對基波分量的比例，通常k(2)≤0.3。

根據(jù)式(3)可以推導(dǎo)出Udc的表達(dá)式為

(4)

因此，可以根據(jù)λ的取值范圍，推導(dǎo)出Udc的取值范圍，記為R1。

2.2 暫態(tài)運行條件限制

根據(jù)2.1節(jié)的推導(dǎo)內(nèi)容可知，IGBT橋臂電流穩(wěn)態(tài)峰值ip_arm可以表達(dá)為

(5)

因此，閥基過流保護(hù)動作值為

iDZ_arm=kVBC×ip_arm

(6)

式中，kVBC為可靠系數(shù)，數(shù)值在1.20～1.25。

發(fā)生換流站正、負(fù)極間故障時，故障發(fā)生后到IGBT閉鎖前，上、下橋臂的子模塊電容放電，形成故障回路路徑，子模塊電容、橋臂電抗器及線路阻抗組成RLC振蕩回路，流經(jīng)子模塊的故障電流從故障發(fā)生時刻起迅速增大，故障電流ifault上升率為

(7)

IGBT閉鎖后到交流系統(tǒng)跳開斷路器結(jié)束，子模塊電容從短路故障回路中退出，流經(jīng)子模塊的故障電流路徑遵循LR一階放電原理，從IGBT閉鎖時刻開始起，故障電流不斷減小，換流站正、負(fù)極間故障的橋臂暫態(tài)故障電流可表達(dá)為

(8)

式中：tp為閥基過流保護(hù)延遲時間；Larm為單相橋臂電感。

根據(jù)第2.1節(jié)中所求出Udc所屬的R1范圍、閥基過流保護(hù)動作值及其延遲時間以及橋臂電抗器的電感值等，可以求出每個IGBT器件在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的橋臂暫態(tài)故障電流ifault的范圍，記為R2。

根據(jù)IGBT器件暫態(tài)電流限制要求，橋臂暫態(tài)故障電流應(yīng)該小于暫態(tài)電流限值ifault_max。因此可以根據(jù)范圍R2，選取滿足條件的IGBT器件。具體來說，若待選IGBT器件滿足條件inf(R2)ifault_max，則棄用該IGBT器件。

同時，注意到ifault

(9)

對R1′和RN求交集，可以得到直流側(cè)電壓Udc的取值范圍R。

2.3 直流海纜載流量限制

直流海纜在運行時，各結(jié)構(gòu)部分中產(chǎn)生的損耗熱量向周圍媒質(zhì)散發(fā)，將使周圍媒質(zhì)的溫度升高。由于高壓直流海纜不存在交變的電磁場，故電纜線路的絕緣損耗可忽略，金屬護(hù)套和鎧裝上幾乎不產(chǎn)生損耗，其損耗主要是線芯的電阻損耗。單芯直流海纜額定載流量與導(dǎo)體溫升及電纜結(jié)構(gòu)中各部分等效熱阻有關(guān)[12]。

當(dāng)溫度升高，使絕緣的溫度等于直流海纜最高允許長期工作溫度，此時流過直流海纜的負(fù)載電流稱為海纜的長期容許電流。若直流海纜的長期容許電流大于或等于海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的額定直流電流，則認(rèn)為直流海纜可滿足系統(tǒng)輸送容量的要求。

在直流海纜選型過程中，若存在多種電壓等級的直流海纜滿足要求，則可選取直流電壓等級最低的直流海纜，作為海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級。

2.4 直流電壓等級確定流程

綜上所述，海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級確定方法流程如圖2所示。

圖2 直流電壓等級確定方法流程

3 工程實例分析

以某900 MW的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程為例，對所提出的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級確定方法進(jìn)行進(jìn)一步說明。

經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)階段IGBT器件的主要電氣參數(shù)包括額定電流和暫態(tài)電流限值，如表1所示；直流海纜的主要電氣參數(shù)包括直流電壓等級和最大導(dǎo)體截面對應(yīng)的直流海纜載流量，如表2所示。

表1 IGBT器件電氣參數(shù)

表2 直流海纜最大導(dǎo)體截面的載流量

取聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)cosφ為0.95，換流器調(diào)制比M為0.85，橋臂電流二倍頻分量相對橋臂電流基頻分量k(2)取0.3，穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運行系數(shù)λ取0.50～0.65，閥基過流保護(hù)動作值可靠系數(shù)kVBC取1.2，tp取155 μs，Larm取60 mH。

根據(jù)上述參數(shù)，可以通過計算求出IGBT器件對應(yīng)的工程直流電壓范圍，并進(jìn)一步地計算每個IGBT器件在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的橋臂暫態(tài)故障電流ifault的范圍。結(jié)果如表3所示。

表3 IGBT器件在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間內(nèi)的直流電壓和橋臂暫態(tài)故障電流

由表1和表3可知，直流輸送容量900 MW，采用額定電流1500 A的IGBT器件，其暫態(tài)電流限值3000 A位于穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的橋臂暫態(tài)故障電流范圍的最小值與最大值之間。據(jù)此可求得Udc的范圍在746.0～1 576.6 kV，將此范圍與表3中的Udc范圍求交集,修正后Udc的范圍為746.0～833.6 kV，從而使得sup(ifault)

采用額定電流2000 A和3000 A的IGBT器件，其在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的橋臂暫態(tài)故障電流ifault的最大值均小于暫態(tài)電流限值ifault_max，故其均能夠滿足工程應(yīng)用要求。

根據(jù)直流輸送容量和修正后的IGBT器件在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的正負(fù)極間電壓的范圍，計算直流海纜載流量要求，如表4所示。

表4 IGBT器件在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間內(nèi)直流海纜載流量要求

根據(jù)表4所示的直流海纜載流量要求，結(jié)合取得的供選用的直流海纜的最大導(dǎo)體截面對應(yīng)的直流海纜載流量，進(jìn)行直流海纜選型。若有多種電壓等級的直流海纜滿足要求，選取直流電壓等級最低的直流海纜。最終選擇的直流海纜的直流電壓等級即為海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級。針對表4直流電壓和載流量要求進(jìn)行直流海纜選型，根據(jù)表2收集的直流海纜參數(shù)可知：采用額定電流1500 A的IGBT器件，正負(fù)極間電壓范圍為746.0～833.6 kV，需選用直流電壓等級為±400 kV的直流海纜，載流量為1 079.6～1 206.4 A，小于直流海纜最大載流量1750 A，可用；采用額定電流2000 A的IGBT器件，正負(fù)極間電壓范圍為480.9～625.2 kV，需選用直流電壓等級為±250 kV的直流海纜，直流電流范圍為1 439.5～1 871.4 A，小于直流海纜最大載流量2000 A，可用；采用額定電流3000 A的IGBT器件，正負(fù)極間電壓范圍為320.6～416.8 kV，直流電流范圍為2 159.3～2 807.0 A,無符合的直流海纜，該IGBT器件棄用。

由于海上換流站直流電壓等級越低，換流單元和直流場的過電壓水平越低，海上換流站的體積和重量越小；再次，直流電壓等級越低，直流海纜的絕緣要求越低，直流海纜的制造成本較小。因此，額定輸送容量900 MW的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程，推薦正負(fù)極間電壓Udc為直流電壓采用500 kV，即±250 kV直流電壓等級。

4 結(jié) 論

上面基于實際工程建設(shè)經(jīng)驗，提出了一種應(yīng)用于海上風(fēng)電柔性直流輸電工程中的直流側(cè)電壓等級確定方法。

基于IGBT器件穩(wěn)態(tài)電流運行區(qū)間，給出了海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓取值范圍，并根據(jù)IGBT暫態(tài)電流限值，對直流電壓取值范圍進(jìn)行修正。進(jìn)一步根據(jù)直流海纜載流量限值要求，確定工程的直流電壓等級。并在此基礎(chǔ)上，以某900 MW海上風(fēng)電柔性直流輸電工程為例，給出了工程案例的直流電壓等級確定流程。

所提出的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級確定方法，能夠為海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級確定提供有效的計算方法，有利于降低工程建設(shè)成本，加快遠(yuǎn)海風(fēng)電柔性直流輸電工程建設(shè)。