一种适用于远距离输电的柔性直流输电系统

林呈辉 刘宝诚 张海涛 郝宝泉

（1.贵州电力试验研究院，贵阳 550000；2.荣信电力电子股份有限公司，北京 100084）

近些年来，随着电力系统和电力电子技术和控制技术的飞速发展的发展，出现了许多采用大功率电力电子器件的设备，电力系统中有功、无功控制设备技术日趋完善。柔性直流输电装置控制功能多样化，阀组体积小，无需换流变压器，装置自身不需要滤波，可使换流站的结构简单。柔性直流输电技术尤其适用于1～100MW的中小型发电和输电应用，其用途包括远距离无源网络供电、新能源并网、孤岛及海上钻井平台供电及用来构成大城市内多端直流输电系统代替传统的交流配电网等，具有广泛的应用前景[1-3]。

本文重点介绍一种基于大功率电力电子器件技术实现有功传输的控制成套设备即柔性直流输电设备。文中依据实际工程应用，介绍了VSC-HVDC在功率单元拓扑结构、控制保护等方面的设计、制造等技术原理。通过对柔性直流输电系统的整流机逆变侧阀组的组成方式、对控制系统的分层控制系统的描述介绍了柔性直流输电系统快速、独立地控制与交流系统交换有功和无功功率的方式，说明柔性直流输电通过不同的控制方式可以控制接入点的电压并方便灵活的调整潮流，可以大幅的提高交流系统功角稳定性、电压稳定性、降低损耗、便于故障后快速恢复等技术优势。

1 主要功率组件设计

大功率电力电子功率单元是柔性直流输电系统的核心组成部分，由大功率换流模块链接组成整流侧阀组和逆变侧阀组，如图1（a）所示柔性直流输电整流功率单元原理图，整流侧功率单元可以是不可控整流和全控整流方式，不可控整流通常为二极管整流方式。本文主要介绍的是以IGBT为主核心器件组成的三相全桥的全控整流方式。

1.1 整流站

整流侧由多个功能与结构相同的大功率换流单元组成，整流侧前端连接整流变压器，负责接收变压器提供给功率模块的能量，多个功能与结构相同的大功率模块链接形成一个直流电源，整流链这种直流电源通过直流电缆将接收到的电能传输到逆变端的阀组，具有输入电流、直流电压检测以及温度开关检测功能，整流功率单元控制板检测这些信号后，反馈给主控系统，同时具备熔丝保护、过压、欠压、超温、过流保护等[4-7]。

图1 柔性直流输电功率单元原理图

1.2 逆变站

如图1（b）所示柔性直流输电逆变功率单元原理图，逆变侧功率单元通过SPWM调制和LC滤波电路输出400～600V交流电压，直接给负荷供电。低压交流电源也可通过逆变变压器升压至10kV供中压负荷用电，逆变侧功率单元设计中具备直流开关的能力，可以快速的关断直流电压，这种方式的单元设计可以在检测到直流侧短路时，控制器发出控制命令迅速使直流开关动作，减小桥臂受到的冲击电流，这种方式有效的防止对交流系统的影响。

2 系统设计

2.1 拓扑结构

如图2所示为柔性直流输电供电系统拓扑结构图，柔性直流输电系统采用双极供电方式。整个系统由两套功能、结构均相同的整流阀组和逆变阀组分别接入正负直流母线，正负直流母线形成一种并联的供电方式，图中左半部分表示换流站整流阀组部分，包括整流站变压器和整流单元；右半部分表示换流站逆变阀组部分，包括逆变单元和逆变站变压器；中间部分为直流传输电缆[8-11]。这种可以单极供电的方式大大提高了系统供电的可靠性。

图2 双极系统拓扑结构图

2.2 控制系统

柔性直流输电设备常规均采用基于可关断电力电子器件的电压源型换流器和PWM脉宽调制技术，是一个比较复杂的系统，系统设备运行性能完全依赖于其可靠的控制系统。设计一个合理的控制体系能有效的提高直流输电工程的使用性及可靠性等指标。与传统直流输电系统相类似，为了使控制系统故障引起的直流系统故障率降到最小，柔性直流控制系统需采用多重化和分层结构[11-15]。

柔性直流输电系统的控制原理可以理解为控制系统根据系统提出的运行要求，发出合适的PWM触发脉冲，以实现对换流器阀组的开关控制，进而获得预期的潮流、电压等运行指标。

换流器控制的主要实现功能包括：①接受控制模式指令，完成有功类和无功类开闭环控制；②PLL功能；③闭环电流控制；④控制不对称的负序分量、抑制桥臂环流；⑤生成各个换流阀桥臂控制电压；⑥完成换流器级的监视和保护功能等。

柔性直流输电系统的控制按其功能由高至低依次为系统级控制（System Control）、换流站级控制）（Converter Control）和换流器触发级控制（Firing Control）这三个层次。如此区分可以有效的简化设计任务，使控制系统的灵活性提高。在实际的控制器设计中，三个不同层次的控制会进行一定程度的整合与交叉处理。

图3 柔性直流分层控制系统

1）整流站

整流站采用基于直接电流控制的PWM技术的控制方式，直流输电系统每个整流功率模块的控制目标为其输出的直流电压，以4000KVA的直流输电装置为例，其两极换流链均由12个功率模块的直流输出侧串联，正负极为总计为24个功率模块，组成直流输出。所有的功率模块间没有并联关系，当一个功率模块故障后，其所处的输电极进入闭锁状态，此时双极供电方式亦变为单级供电[16-20]。

2）逆变站

以4000kVA的直流输电装置为例，其两极换流链是由12个功率模块的直流输入侧串联组成，正负极总计24个功率模块，这24个模块的交流输出侧分别于逆变侧多绕组变压器相连，形成并联输出，同整流侧一样模块直流侧之间是串联的关系，当一条直流母线的模块故障的情况下此条直流母线的模块闭锁，另一条直流母线的功率实现单极供电。

逆变站的控制部分相较整流侧复杂一些，总的来说分为两大部分，一是电压环控制方式，即需要采用有效PI控制，经过计算后，统一下发给每个功率模块PI值；二是在每个功率模块接收到PI给定值后，转换为三相瞬时电流给定值，此时对瞬时电流进行控制，起到均流的作用，此为均流环控制[16-20]。

3 工程应用

3.1 中海油工程简介

随着能源危机的出现，对海底油气资源的开发越来越多。现有海上钻井平台采用柴油发电机供电，缺点如下：占地面积大、效率低（20%～25%）、气体和噪声污染严重、黑起动时对电缆绝缘冲击较大，维护成本较高。中海油油田群19-1A至15-1A平台单相海缆绝缘损坏情况，经改造后，如图4示意图所示，中海油柔性直流输电项目将原三相35kV输电通道改为柔性直流输电利用绝缘损坏海缆作为地线，节约铺设新海缆资金，缩短施工时间。中海油项目海底输送距离约为40km。

图4 中海油改造后的直流供电系统

中海油柔性直流输电项目整流站交流系统电压10.5kV，直流侧电压达到±10kV，其容量为4000kVA；逆变站交流系统电压400V，直流侧电压亦达到±10kV，其容量为3150kVA。2011年3月21日此系统在中海油文昌油田群19-1A至15-1A平台成功投运。

文昌油田群柔性直流输电投运完全满足现场平台的供电需求并达到相关的电能质量要求，下面的表1为逆变站高压空载试验记录，表2为逆变站突增/突减负载记录。

表1 逆变站高压空载试验记录

表2 逆变站突增/突减负载记录

由表1、表2分析可得，逆变站高压空载时，输出电压达到目标要求；当负载容量为1980kW时，负载突然掉电，尖峰输出电压为425V，亦在电网电压的允许范围内，而后又回到稳定电压。现场试验说明逆变站突增/突减负载时输出电压波动满足电网供电要求。

该套设备已在现场成功运行半年多，达到海上油气田供电要求，相比原平台临时柴油发电机，采用柔性直流输电给海上作业平台供电具有下列优点：运行更稳定，可靠；正常运行时，频率、电压稳定；噪声小，环保。

3.2 南澳岛工程简介

基于南方电网公司国家863科技项目“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”的示范工程需求，在汕头南澳岛上建成一个±160kV，输送容量为200MW的3端柔性直流输电系统。在汕头南澳岛上建设2个送端换流站（金牛站和青澳站），在澄海区塑城站近区建设1个受端换流站（塑城站），同期建设直流侧、交流侧的线路以及相关变电站的配套扩建设施。其中牛头岭和云澳风电场通过金牛换流站送出，青澳风电场接入青澳换流站，通过青澳～金牛的直流线路汇集至金牛换流站，汇集至金牛换流站的电力通过直流架空线电缆混合线路送出至大陆塑城换流站。塑城换流站交流出线，送至220kV塑城站的110kV侧。远期规划的塔屿风电场投产后将建成4端柔性直流输电系统。柔性直流示范工程接入大型风电场方案如图5所示。

图5 柔性直流输电示范工程系统接入方案

1）控制系统

在塑城站、金牛站和青澳站三个换流站，每个换流站设计SCADA站控一套，并在塑城站设计集控中心；预留远期规划的塔屿风电场环流站接口。集控中心结构图如图6所示。

图6 集控中心结构图

南澳岛工程控制保护系统分层为：远方调度中心通信层；集控中心层；换流站监控层；控制保护层；现场I/O层。直流控制保护系统采用荣信慧科公司独创HUIC控制系统。HUIC控制器具有架构完善、运算能力强、接口丰富、应用灵活、扩展性强等特点，能够满足各种复杂、高速、高性能的工业控制系统及高性能产品对于控制器的需求，特别是在柔性直流输电控制保护方面充分发挥其性能和特点，有很高的性能价格比。集控中心站采用分层结构，双重化设计，多路复用技术和光纤环网以及远程监控技术，有利于功能的实现，提高整个系统的稳定性和安全性，并且实现远程完整监视和控制各换流站，达到稳定运营柔性直流输电系统，增加经济效益的目的。

2）多端系统换流器介绍

南澳岛柔性直流输电采用模块化多级换流器（MMC）拓扑结构，即由多个功率模块串联而成，如图7所示。多级换流器本体可以依次逐级分解为相单元、桥臂单元、阀塔、阀段和子模块等[21-23]。

图7 模块化多电平换流器拓扑结

4 结论

文中主要通过对主功率器件阀组设计、控制系统设计两大部分介绍了柔性直流输电装置工作原理，可以看到柔性直流输电技术能在向系统提供有功功率的同时提供系统所需的无功功率，柔性直流输电装置具备同时提供有功、无功的能力在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有明显优势。

结合实际工程设计及实施方案详细描述了适用于远距离输电的柔性直流输电系统的组成方式及实施效果。柔性直流输电克服了传统直流输电的固有缺陷，使得直流输电的应用范围得到扩展，为直流输电技术的发展开辟了一个新的方向。本文的研究成果论证了柔性直流输电设备可以应用到连接分散的小型发电厂、不同额定频率或相同额定频率的交流系统间的非同步运行、构筑城市直流输配电网、向偏远地区供电、海上供电、提高配电网电能质量等广泛的领域。同时文中在功率组件设计及控制系统设计为今后的柔性直流输电工程开展做了良好的技术储备，具有深远的意义。

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