高压柔性直流输电工程建设一次系统方案关键技术研究

刘　云，李庚银，肖景良

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京　102206；2.国网智能电网研究院，北京　100028；

3.中国电力工程顾问集团东北电力设计院，吉林长春　130021)

Research on the Key Technologies of the Primary System Scheme of the VSC-HVDC Transmission ProjectLIU Yun1，2, LI Gengyin1, XIAO Jingliang3

(1．State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

(North China Electric Power University)，Beijing 102206, China; 2.The Smart Grid Research Institute of SGCC,

Beijing 100028, China;3. Northeast Electric Power Design Institute，Changchun 130021, China)



高压柔性直流输电工程建设一次系统方案关键技术研究

刘云1，2，李庚银1，肖景良3

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京102206；2.国网智能电网研究院，北京100028；

3.中国电力工程顾问集团东北电力设计院，吉林长春130021)

Research on the Key Technologies of the Primary System Scheme of the VSC-HVDC Transmission ProjectLIU Yun1，2, LI Gengyin1, XIAO Jingliang3

(1．State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources

(North China Electric Power University)，Beijing 102206, China; 2.The Smart Grid Research Institute of SGCC,

Beijing 100028, China;3. Northeast Electric Power Design Institute，Changchun 130021, China)

0引言

柔性直流输电技术具有提高电力系统稳定性，增加系统动态无功支撑，改善电能质量等优点，应用前景广阔[1-4]。系统研究柔性直流工程建设一次系统方案的输电方式、起点和落点选择、工程容量、直流电压等级、接入电网交流电压等级、工程建设方案、接地方案、联接变压器参数(包括：容量、变比、绕组联接方式、短路阻抗等)、P-Q运行区间、交流侧短路电流和系统主接线等关键技术,对推动柔性直流技术研究和工程应用具有重要意义[5-13]。

1工程背景

某地区面积227km2，是城市的核心区域，也是政治、经济中心和重要的军事设施所在地。据预测，该地区2020年和远景年网供负荷分别达到1 110MW 和1 833MW。该区域重要负荷比例、负荷密度和负荷总量均比较高，且对供电可靠性和供电电压质量要求高。据预测，由于缺少大型电源，该地区一直保持缺电状态，2020年及远景年最大缺电分别为932MW和1 655MW。

该地区有4座220kV和1座500kV变电站，由两回220kV线路与两回500kV线路供电。由于地理因素制约，上述4回线路约有3.8km采用同塔并架方式，且为两座220kV变电站的唯一供电通道，见图1椭圆圈标注处。同塔并架4回线路是该地区电网最薄弱的环节，也是该地区电网与主网连接的唯一通道。当遇到严重灾害天气或特殊情况发生同塔四回路线路倒塔故障时，将出现大面积停电，造成严重的经济损失和社会影响。

图1　地区电网存在问题示意图

2工程系统接入方案

该地区建设第二条输电通道有助于消除电网隐患，加强电网结构，提高该地区电网运行的安全性和可靠性。同时，还可提高相邻部分电网可靠性。

2.1输电方式

通过分析比较不同输电方式对本地区电网的适应性，为确定输电方式提供依据。

① 交流输电方式。虽然，采用交流输电方式可以提高近期电网供电可靠性和供电能力，但是，随着临近地区电网和负荷的发展，交流输电方案的供电能力将逐步降低，难以从根本上长期解决本地区电网供电可靠性问题。

② 陆上电缆或架空线。若采用陆上电缆或架空线，则存在线路走廊征用和工程建设的巨大障碍，近期难以快速投运、并及时发挥效益和功能。

③ 海底交流电缆。若采用海底交流电缆输电，存在以下问题:a.送受端电网为交流同步系统，潮流方向和大小由系统阻抗和电源分布决定，难以迅速和直接控制;b.该地区现有电网结构与地理环境无法满足海底交流输电模式所要求的两端电网交流电压相近的条件;c.输电距离长，交流电缆投资将高于直流电缆。

综合以上条件，采用海底柔性直流电缆输电方式建设第二条输电通道方案具有明显的综合优势。

2.2起点和落点

柔性直流输电工程起点和落点选择需综合考虑多种因素。

① 起点选择。工程起点选择综合考虑以下因素：a.可大范围且直接接受区外电力；b.供电可靠性高；c.相应电压等级具备出线条件；d.电源选取方便；e.有利于缩短海底电缆长度。

② 落点选择。工程落点选择考虑的因素与工程起点选择相似。除此之外，它综合考虑如下因素：a.尽量选择靠近负荷中心和负荷增长迅速区域，以便工程输送电力就近消纳；b.考虑土地资源十分稀缺的现实，直流工程落点选择毗邻大海，以便于直流电缆登陆。

2.3工程容量

工程容量的选择综合考虑供电可靠性、供电区电压质量、技术和装备制造能力，并兼顾技术领先性。

根据地区电网特点，工程容量的选择保证中期(2020年)在特殊情况下发生同塔四回线路倒塔故障事故时，地区正常供电及远期地区重要负荷的供电。为提高供电区电压质量，功率因数不低于0.9。

通过综合分析，并结合推动柔性直流输电技术发展的需求，本柔性直流输电工程设计容量选择1 000MW。

2.4直流电压等级

换流阀容量及直流电缆制造水平是决定直流电压等级的关键因素。

根据IGBT均压均流技术现状，流过换流阀的正常工作电流峰值需限制在IGBT模块允许电流(约1.6kA)以下。国内外已建及拟建的柔性直流工程直流电压最高为±320kV，更高电压等级直流电缆的相关技术及生产条件正在完善。

综合考虑换流阀器件的电压和电流容量及直流电缆的制造水平，该工程选择±320kV直流电压可行。

2.5接入电网交流电压等级

根据供电区交流电网电压序列，220kV和500kV均可作为送端和受端换流站交流侧电压的备选方案(以下分别称为方案一和方案二)。两种方案的比较情况如下:

① 方案一的设备投资低，工程造价低。

② 方案一电网间互供能力好。在地区交流电网事故情况下，可通过直流输电向地区220kV交流电网供电，但会占用500kV主变容量。

③ 方案一可减少输配电中的降压环节，降低网损。尤其是受端交流电网，由于主要接受外部电力供应，满足地区供电需求，则这一优势更为明显。

④ 方案二可实现直流输电系统直接从500kV电网取电，供电可靠性较高。

通过综合比较，送受端交流侧采用220kV电压的方案具有更大优势。

2.6工程建设方案

根据上述分析，提出如下建设方案：送端电网到受端电网建设一条柔性直流输电线路(见图2)，输送容量 1 000MW，直流电压±320kV，直流电缆长约59.9km。送端换流站与220kV变电站合建；受端换流站与220kV变电站合建。同时，加强送端换流站相连220kV变电站与电网联络；新建受端换流站至另一变电站2回220kV线路，长度约为2×4.6km。此方案将为受端区域电网增加一条柔性直流外来电力输电通道(见图2)，从而彻底结束原受端地区电网全部5座变电站(4座220kV和1座500kV变电站)仅由一条输电走廊供电，供电可靠性低的局面(见图1)。

图2　柔性直流工程建设方案示意图

2.7接地方案

饱和电抗器对交流电流呈现高阻，而在通过直流电流时，能够迅速饱和并呈现低感性状态，因此，饱和电抗器接地方案在降低系统总体过电压水平、降低绝缘要求等方面优势明显。进一步综合权衡直流偏磁、系统损耗、占地面积、设备造价、制造难度等多种因素，与变压器Yn高阻接地、高阻接地+放电间隙接地、变压器Yn小电阻接地、接地变压器接地、大电抗接地等5种常用系统接地方案比较，饱和电抗器是较为理想的接地方案，同时，该方案对饱和电抗器的容量和响应速度均提出更高的要求。

3工程设备参数和方案

3.1联接变压器参数

① 容量。工程主要用于城市电网供电，直流线路传输功率等于交流输送功率，因此，联接变压器容量选择1 020MVA。

② 变比。工程联接变阀侧电压选择420kV。在变压器交流侧配置有载分接开关，以满足无功支持和交流系统调压需求。结合相关设备参数，有载分接开关调压范围设置为±8×1%。联接变压器变比设置为220±8×1%/420kV。

③ 绕组联接。采用Y(一次侧)/D(二次侧)：抑制和隔离谐波和直流电流分量，同时抑制和隔离零序分量向交流系统传递。

④ 短路阻抗。通过综合考虑多种因素，包括：阀臂和直流母线电流、换流器内部压降、换流器容量、谐波电流等，短路阻抗可设置为15%。

3.2P-Q运行区间

基于25%的相等效连接电抗设计，考虑谐波抑制、桥臂环流抑制、直流故障电流上升抑制和系统闭环控制性能，采用空间矢量调制提高换流阀直流电压利用率。该工程有功功率(P)-无功功功率(Q)的运行区间见图3。

图3　换流站运行区间

工程有功和无功出力间、功率因数与最大有功出力间的关系如下。

① 有功出力与无功出力。从图3 可以看出，有功出力为零时，无功出力范围为-1 000Mvar～310Mvar，见a点至b点间直线；有功出力1 000MW时，换流站最大发出无功180Mvar，见c点；有功出力850MW时，换流站最大发出无功226Mvar，见d点。

② 功率因数与最大有功出力。功率因数0.85时，最大有功出力446MW；功率因数0.90时，最大有功出力565MW；功率因数0.95时，最大有功出力747MW。

3.3交流侧短路电流

交流侧短路电流是工程设备选型，尤其是断路器等设备的重要参考依据。按照远景年地区电网内部220kV线路解列，地区间220kV线路解列，对远景年该电网220kV以上变电站母线进行短路电流计算。计算结果表明：远景年送端和受端换流站及临近变电站220kV母线三相短路电流均在40kA以内。综合考虑临近变电站现有断路器开断水平，工程送端和受端新增断路器短路水平均按50kA设计。

3.4系统主接线方案

结合高压大容量柔性直流输电需求和目前半导体功率器件容量水平，重点对比3种换流系统主接线技术方案：①双回直流输电方式；②子模块IGBT并联方式；③换流器并联方式。

其中，双回直流输电方式在直流线路成本和控制容错能力方面不具优势。IGBT并联方式下均流控制将引起额定电流下降，从而导致系统成本上升和可靠性降低；同时，该方案的控制容错能力有待进一步提高。

注：QSx—断路器； Qx—隔离开关；Rx—电阻；Fx—避雷器；LPx—直流分压器；TAx—电流互感器；TMx—变压器；TVx—电压互感器图4　换流器并联方式主接线图

综合比较结果表明：方案③的换流器并联方式技术成熟、方案可靠、控制灵活、系统容错能力强，是具有优势的主接线方案，见图4。在该系统主接线方案中，换流器并联点在直流侧，交流侧采用独立的两套线路。一方面，在一套交流系统故障后系统还能降功率运行，从而提高了系统容错能力；另一方面，该方案有利于消除同端并联换流器的内部环流，降低控制复杂度，并提高运行效率。

4总结

针对某地区电网的实际情况和发展需求提出第二输电通道建设的柔性直流一次系统方案:

① 采用海底柔性直流电缆输电方式建设第二条输电通道方案具有明显的综合优势，有利于保证市区南部电网供电可靠性，并提高市区北部电网的可靠性。

② 直流输电工程起点和落点选择需要综合考虑电源选取、电缆长度、负荷分布等多种因素。

③ 直流电压选择±320kV符合换流阀器件的电压和电流容量及直流电缆的制造水平。

④ 送、受端交流侧采用220kV电压方案在工程造价、电网间互供能力、减少降压环节等方面具有综合比较优势。

⑤ 对6种常用的直流系统接地方案在过电压和绝缘、直流偏磁、系统损耗、占地面积、设备造价、制造难度等方面进行分析和综合权衡。

⑥ 联接变压器容量选择1 020 MVA，变比设置为220±8×1%/420kV，绕组联接采用Y(一次侧)/D(二次侧)，短路阻抗可设置为15%。

⑦ 工程送端和受端新增断路器短路水平可按50kA设计。

⑧ 换流器并联方式是具有综合优势的主接线方案。

参考文献

[1]IEC62543 DC transmission using voltage sourced converters [S]. 2008.

[2]Marquardt R, Lesnicar A. New concept for high voltage-modular multilevel converter [C]// IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC2004).Aachen, Germany:IEEE. 2004:5.

[3]Marquardt R, Lesnicar A, Hildinger J. Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung beihohen Spannungen [C]// ETG-Fachtagung 2002.Bad Nauheim. 2002:7.

[4]马为民，蒋维勇，李亚男.大连柔性直流输电工程的系统设计[J].电网建设,2013,34(5):1-5.

[5]王姗姗, 周孝信,汤广福,等.交流电网强度对模块化多电平换流器HVDC 运行特性的影响[J].电网技术,2011,35(2):17- 24.

[6]赵岩,胡学浩,汤广福,等.模块化多电平变流器HVDC 输电系统控制策略 [J].中国电机工程学报,2011,31(25): 35 - 39.

[7]刘钟淇, 宋强, 刘文华 . 基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统 [J] . 电力系统自动化, 2010, 34 (2): 53 - 57.

[8]Lesnicar A, Marquardt R. An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range [C]// Power Tech. Conference 2003.Bologna, Italy : IEEE, 2003 : 6.

[9]王姗姗, 周孝信,汤广福,等.模块化多电平HVDC 输电系统子模块电容值的选取和计算[J].电网技术,2011,35(1):26-32.

[10]管敏渊,徐政.模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护[J].电力系统自动化,2011,35(16):94-97.

[11]GB311.1—1997绝缘配合:第1部分定义、原则和规则[S].北京:中国标准出版社,1997.

[12]GB/T28541—2012 ±800kV高压直流换流站设备的绝缘配合[S].北京:中国标准出版社, 2012.

[13]舒印彪,刘泽洪,高理迎,等. ±800kV 6400MW 特高压直流输电工程设计[J].电网技术,2006,30(1):1-8.

刘云(1974—)，女，高级工程师，博士研究生，研究方向为智能电网及直流输电等，E-mail:liuyuncepri@sina.com；

李庚银(1964—)，男，教授，博士生导师,研究方向为新能源电力系统分析与控制，先进输变电技术，电力经济等;

肖景良(1983—)，男，工程师，硕士研究生,研究方向为电力系统、直流输电、新能源发电等。

(责任编辑：杨秋霞)

摘要：基于电网实际情况和发展需求，系统分析和总结某地区采用柔性直流输电建设第二条输电通道的一次系统方案的关键技术，包括：输电方式、起点和落点选择、工程容量、直流电压等级、接入电网交流电压等级、工程建设方案、接地方案、联接变压器参数(包括：容量、变比、绕组联接方式、短路阻抗等)、PQ运行区间、交流侧短路电流和系统主接线等。柔性直流一次系统方案的研究和总结对推动柔性直流技术研究和工程应用具有重要参考价值。

关键词：柔性直流工程；一次系统；输电通道;方案

Abstract：Based on the application and development requirements of power grid, the key technologies of the primary systems of the VSC-HVDC project for the second transmission channel are researched. The key technologies include electricity transmission mode, location of the sending and receiving substation, project capacity, DC voltage level, AC voltage level of the integration grid, project construction scheme, ground scheme, the parameters of the transformer (including capacity, transformation ratio, winding connection，short-circuit impedance，etc.), P-Q operation zone, the AC short-circuit current, the main electrical scheme, etc. The work in this paper has important referencing value for research and project application of VSC-HVDC projects.

Keywords：VSC-HVDC；the primary systems；transmission channel;scheme

作者简介：

收稿日期：2014-06-17

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(863计划)(2015AA050101);国网公司科技项目(5455DD150008，5455DD150015)

文章编号：1007-2322(2015)03-0076-05

文献标志码：A

中图分类号：TM722