厦门±320 kV柔性直流输电示范工程关键技术

邓明锋，王　康，郭晓君，郑凌娟

(国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州　350007)

厦门±320 kV柔性直流输电示范工程关键技术

邓明锋，王康，郭晓君，郑凌娟

(国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州350007)

摘要：厦门±320 kV柔性直流输电科技示范工程作为电压等级最高、容量最大、采用真双极接线的面向城市供电的柔性直流输电工程一直备受瞩目。介绍了该工程的概况，对其运行模式及切换方法、系统控制策略等关键技术，以及STATCOM模式和HVDC模式下的运行特性进行了详细分析。录波结果显示，示范工程各个指标均满足设计要求，展示了柔性直流输电技术在高压大容量输电领域的应用前景。

关键词：±320 kV多电平换流器；真双极接线；STATCOM模式；HVDC模式

2013年初研制的1000 MW/±320 kV柔性直流换流阀及阀控设备，先后通过荷兰KEMA见证试验和国家能源局的产品鉴定，并在厦门组织建设了适用于城市输电的±320 kV厦门柔性直流输电科技示范工程。该工程面向城市大负荷供电，其输送电压等级为±320 kV，输送容量为双极1 000 MVA。工程建成后能极大缓解厦门岛内既有电网的运行压力，有效支撑电网电压，提高厦门岛内的供电能力和可靠性，满足岛内日益增长的用电需求，对国家电网公司全面掌握大功率、高电压柔性直流输电技术，推动柔性直流输电技术国产化、增强科技创新能力、加强对外示范展示均具有十分重要的意义。同时，柔性直流输电还可以作为重要负荷的黑启动电源，对在电网在故障和紧急情况下的快速启动及恢复有十分重要的作用，对厦门岛内的电网运行可靠性支撑具有重要的意义。

本文简述了示范工程的控制方案及其策略，并结合工程调试分析了STATCOM运行模式和HVDC运行模式下的运行特性。

1厦门柔性直流输电示范工程

1.1工程概况

厦门柔性直流科技示范工程直流输送容量为单极500 MVA，双极1 000 MVA，直流电压±320 kV，直流电流1 600 A，新建模块化多电平柔性直流换流站两座，分别为浦园换流站和鹭岛换流站。新建浦园—鹭岛±320 kV直流输电线路1回，全线路由陆缆铺设，线路全长10.7 km。

该工程的核心换流阀采用模块化多电平(MMC)拓扑结构[1-3]。每座换流站由两极2 592个功率单元构成，每极1 296个功率单元，每个桥臂由216个功率单元构成。其中，每个桥臂由3个双联阀塔构成，每个阀塔由上下3层，每层24个功率单元。

1.2系统运行方式

由于厦门柔性直流输电科技示范工程是真双极接线系统，与伪双极接线系统和直接接线系统相比有着巨大的优势。采用真双极接线时，其过电压水平相对较低、极线设备的造价降低，空气净距小；在真双极接线时，直流侧零电位点设置简单，可直接接地；与伪双极接线相比，供电可靠性提高一倍。采用真双极接线时，系统运行方式也多种多样，主要有6种运行方式。

(1)双极带金属返回线单端接地运行，此模式为双极正常运行时的模式，接线图如图1所示。

图1　双极带金属返回线单端接地运行

(2)极1单极带金属返回线单端接地运行，在在极2检修或者故障时可切换至此运行模式，接线图如图2所示。

图2　极1单极带金属返回线单端接地运行

(4)极2单极带金属返回线单端接地运行，在极1检修或者故障时可切换至此运行模式，接线图如图3所示。

图3　极2单极带金属返回线单端接地运行

(4)双极不带金属返回线双端接地运行，在切换运行方式时出现这种情况，(临时运行方式)，接线图如图4所示。

图4　双极不带金属返回线双端接地运行

(5)浦园换流站作为STATCOM运行模式，包括(a)极1极2双换流器作为STATCOM运行，(b)极1换流器作为STATCOM运行，(c)极2换流器作为STATCOM运行。当系统需要紧急无功支撑或鹭岛站双极都出现故障时可切换至此运行模式，接线图如图5所示。

图5　浦园站作为STATCOM运行模式

(6)鹭岛换流站作为STATCOM运行模式，包括(a)极1极2双换流器作为STATCOM运行，(b)极1换流器作为STATCOM运行，(c)极2换流器作为STATCOM运行。在当系统需要紧急无功支撑或浦园站双极都出现故障时可切换至此运行模式，接线图如图6所示。

图6　鹭岛站作为STATCOM运行模式

由于存在多种运行方式，示范工程的运行切换模式也多样化，主要有6中运行切换方式。

切换方式1：双极金属回线运行转单极金属回线运行

切换方式2：单极金属回线运行转双极金属回线运行

切换方式3：双极金属回线运行转双极双端接地运行

切换方式4：双极双端接地运行转双极金属回线运行

切换方式5：单极金属回线运行转双极无金属回线运行

切换方式6：双极无金属回线运行转单极金属回线运行

这些运行方式和切换方式为今后的工程检修、倒闸操作提供了一定的技术参考。也为今后的柔性直流输电工程提供一定的技术支持和相关运行经验。

1.3换流器控制设计

换流器的控制是整个柔性直流工程控制系统的核心，基于电压源换流器的控制主要有间接电流控制和直接电流控制两种。间接电流控制为开环控制，通过系统的交流侧基波电流、电压计算换流器逆变出的电压幅值、相角等参数，得出调制波的控制信号，实现换流阀的控制[4]。这种控制方法，响应速度慢、对系统参数敏感，并不适合本工程。直接电流控制通过直流侧电流反馈的闭环控制来控制它的交流电流，这种控制方法响应速度快、鲁棒性强，同时还具有一定的限流能力[5]，厦门±320 kV柔性直流输电示范工程采用直接电流控制，其采用双闭环控制的直接电流控制，通过外环的功率控制和内环的电流解耦控制从而得到换流阀的期望输出交流电压参考值[6]。示范工程换流阀的核心控制框图如图7所示。主要由VBC阀控制器、内环电流控制器、外环功率控制器、锁相同步控制器等构成。

图7　换流器核心控制框图

外环功率控制器接收上级控制器给定的设定值，通过PI控制来修正输入量与参考量的偏差，得到与有功功率有关的d轴电流分量和无功功率相关的q轴电流分量，再将其输入到内环解耦控制器中，并通过坐标反变换得出其控制量的参考电压波，再通过VBC阀控模块驱动换流阀，实现对换流阀的精确控制。

从图8可以看到，两个换流站的换流阀外环控制都可以有交流电压控制、无功功率控制、直流电压控制、有功功率控制。但是为了保证有功功率平衡，在HVDC运行模式下两站间必须有一个是直流电压控制、一个是有功功率控制。其具体控制为：

在STATCOM模式下，浦园和鹭岛站属于独立控制，不在进行有功功率交换，仅参与各自的无功功率交换。此时，浦园和鹭岛站的控制模式有定直流电压控制、定交流电压控制或定无功功率控制。

在HVDC模式下，为了保证有功功率的传输平衡，浦园和鹭岛站只能一个是定直流电压控制，一个是定有功功率控制，当浦园站为定直流电压控制、定交流电压或定无功功率控制时鹭岛站只能是定有功功率控制、定交流电压或定无功功率控制，反之亦然。因此，示范工程的在各运行方式下的控制方案如表1所示。

在得到控制量的参考电压波后，传输至VBC阀控模块，从而驱动换流阀的运行，最终完成它的触发工作。可以说VBC阀控模块是整个控制系统的执行单元。其具备锁相技术、电容电压平衡控制、电流控制等功能。图8为示范工程的VBC阀控模块的结构图，主要包括供电单元、电流控制器、桥臂控制器及各种监测单元等几个部分，实现换流阀的控制、保护、监测及与外界通信的功能。

表1　示范工程的控制方案

图8　示范工程VBC阀控模块的结构图

2.4示范工程的运行性能

厦门柔性直流输电科技示范工程于9月中旬完成两个站的安装工程，10月中旬一次、二次设备交接试验结束，紧随着进入系统带电调试。示范工程成功的进行了主设备和子系统的测试、换流阀空载启动、空载输出测试、定无功功率控制、定交流电压控制等试验项目，随后完成两站的STATCOM运行模式调试，在工程的最后阶段完成了HVDC模式下的两站联调工作。通过对示范工程的两种主要运行模式的运行性能进行调试分析及168h试运行试验，证实示范工程已达到投运的条件。

图9　STATCOM模式下鹭岛站输出波形图

2.4.1STATCOM模式运行性能

当示范工程处于STATCOM运行模式时，系统不参与有功功率交换，仅参与各自的无功功率交换。

图9为在STATCOM运行模式下鹭岛站输出50Mvar无功功率时的录波图，其中图(a)～(e)为鹭岛站网侧电流、阀侧电流、网侧电压、无功功率、极线电压输出波形图。

从图9中可以看出，在STATCOM运行模式时，换流站输出的无功功率维持在50 Mvar，几乎没有波动，极线电压能维持在设定值。

2.4.2HVDC模式运行性能

在HVDC模式下，柔性直流输电极线电缆和交流线路同时运行，也考验HVDC模式下的长期运行的可靠性。工程调试时设定双极总有功功率200 MW，极1有功功率100 MW，极2有功功率100 MW运行。图10为HVDC模式下鹭岛站输出100 MW有功功率时交流侧输出录波图，其中图10(a)～(c)为网侧电压、网侧电流、阀侧电流输出波形图。图11为HVDC模式下鹭岛站直流侧录波图，其中图(a)～(b)极线电流和极线电压波形图。图12(a)～(b)为鹭岛站输出100 MW有功功率时的有功和无功功率波形图。

图11　HVDC模式下的直流侧波形图

图12　HVDC模式下输出的功率波形图

从波形图中可以看出，在HVDC运行模式下，鹭岛站设定输出100 MW有功功率时，系统输出的无功功率仅有3 Mvar左右，几乎可以忽略不计，传输性能优越。极线电压也能维持在320 kV，表明厦门±320 kV柔性直流输电工程具有良好的性能。

3结语

作为电压等级最高，容量最大的柔性直流输电式工程，厦门±320 kV柔性直流输电工程采用模块化多电平拓扑结构，真双极接线，具备多种运行方式，切换方便，供电可靠性高。采用外环功率控制和内环电流控制相结合的直接电流控制方法，响应速度快，鲁棒性好[7-8]。示范工程主要的两种运行模式分别为STATCOM运行模式和HVDC运行模式。现场测试结果表明在两种运行模式下，换流站都能准确输出所需的无功功率、有功功率，控制灵活、性能优越，满足工程设计的各种要求。

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(本文编辑：赵艳粉)

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

作者简介：邓明锋(1988)，男，硕士，工程师，从事电网无功补偿研究。

中图分类号：TM721.1

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0269-05

收稿日期：2016-02-13