±320 kV厦门双极柔性直流输电工程系统设计

陈 东, 乐 波, 梅 念, 吴延坤， 余世峰

(国网经济技术研究院有限公司, 北京市 102209)

0 引言

基于模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)的柔性直流系统由于谐波畸变小且开关损耗低,是高电压大容量直流输电的重要发展方向[1-2]。目前,世界范围内基于MMC的柔性直流工程发展迅猛,中国已有5项MMC工程投运,同时还有多项高压乃至特高压MMC工程处于规划之中,并可能成为中国未来大区域电网互联的重要手段[3-4]。

与交流输变电工程不同,柔性直流工程需要根据送受端交流系统条件、输电距离、投资和占地等条件开展定制化的系统设计。目前,工程界和学术界在柔性直流工程的主接线、暂态电流、暂态过电压和绝缘配合等方面进行了有益的探索。其中,文献[5-6]对±200 kV、单站最大容量400 MW的舟山多端柔性直流工程的系统设计进行了介绍,为后续高压大容量柔性直流工程的系统设计提供了参考。在暂态电流研究方面,文献[7]提出了在换流器出口处装设基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的可投切电阻,从而限制暂态电流。但是,该方案仅对于双极短路故障有效,且由于引入IGBT带来投资高、损耗大的问题。文献[8]提出在换流阀网侧装设双向晶闸管和基于交流断路器的可投切电抗相配合的限流装置。但是,该方案仅能解决换流器闭锁后直流电流衰减过慢的问题,在换流器闭锁前难以发挥限流作用。文献[9]提出了在换流器内部装设基于IGBT的可投切电阻,从而限制暂态电流和增强阻尼的作用。该方案可在各种故障下有效地保护IGBT阀,已用于工程实践。但是,对于高压大容量柔性直流工程,阻尼电阻释放的能量较大,是否会影响IGBT阀有待进一步验证。在绝缘配合和暂态过电压研究方面,文献[10]对采用对称单极接线柔性直流工程的绝缘配合方案进行了研究,但是对于双极接线的柔性直流工程的绝缘配合方案有待进一步探索。

±320 kV/1 000 MW厦门柔性直流输电工程(以下简称厦门工程)是世界范围内第一个采用双极接线的柔性直流工程,也是额定直流电压和输送容量均达到世界之最的柔性直流工程[11]。与以往对称单极柔性直流工程相比,首次采用的双极接线和大传输容量对工程的系统设计提出了新的要求。本文以厦门工程为背景,对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究,包括主接线及运行方式、主回路参数计算、暂态电流计算以及暂态过电压计算等,并与采用对称单极接线的柔性直流系统进行了深入对比分析。本文所做工作对张北柔性直流电网工程及后续高压大容量柔性直流工程的系统设计具有较好的指导意义。

1 主接线及运行方式

采用对称单级接线的柔性直流工程,由于无需设置大地或金属回线,且在正常运行时变压器阀侧无直流电压偏置等优点,在低压小容量柔性直流工程中得到了广泛应用[2]。

当高压大容量柔性直流工程采用对称单极接线时,存在如下问题:①与同容量双极柔性系统相比,可靠性较低;②换流单元采用三台单相双绕组变压器,导致变压器容量大,运输困难;③换流站设备的绝缘水平要求较高。鉴于此,世界上绝大多数线路电网换相换流器(line commuted converter,LCC)直流工程均采用双极接线。当双极接线应用于柔性直流工程,示意图如图1所示。

图1 双极柔性直流换流站接线示意图Fig.1 Wiring diagram of a converter station with bipolar connection

考虑到上述因素,厦门工程采用双极带金属回线的主接线。此时需考虑如下问题:①正常运行时,变压器阀侧交流设备承受直流偏置电压;②需要设置接地极或者金属回线。对于接地极,存在极址选择困难问题;对于金属回线,需要考虑长输电距离的经济性问题。

由于采用双极接线,厦门工程存在以下3种运行方式。

方式1:双极带金属回线单端接地运行(见附录A图A1)。其中,接地点仅起钳制电位的作用,不提供直流电流通路。双极不平衡电流通过金属回线返回。

方式2:单极带金属回线单端接地运行(见附录A图A2)。接地点的作用同方式1,且单极极线电流通过金属回线返回。

方式3:双极不带金属回线双端接地运行(见附录A图A3)。双极不平衡电流通过大地回路返回。该方式为运行方式转换过程中出现的临时方式,且必须保证直流系统处于双极对称状态。

运行方式的切换包括单双极的切换以及金属回线的投退。为此,在两换流站的双极中性母线上分别设置中性母线开关(neutral bus switch,NBS),并在常用送端换流站设置中性母线接地开关(neutral bus grounding switch,NBGS)和大地回线转换开关(ground return transfer switch,GRTS)。

2 主回路参数计算

2.1 主设备参数计算

与小容量柔性直流工程相比,高压大容量柔性直流工程中可供选择的可关断器件有限。这样,可关断器件的过电压、过电流裕度极小。此时,需要精确核算可关断器件的电压选型、电流选型以及子模块电容器的容值等,具体选型和参数计算方法如下。

1)可关断器件的电压选型。估算子模块的平均工作电压,考虑纹波峰值电压、系统故障子模块两端过电压、击穿二极管(breakover diode,BOD)过电压阈值、单体子模块旁路过电压的配合关系之后,校验IGBT元件的最高耐压不超过器件的耐压规格。

2)可关断器件的电流选型,包括稳态校核和暂态校核。稳态校核过程为依次计算PQ运行区间各边界点下最苛刻的桥臂热稳定电流、各元件(包括IGBT、二极管及电容器)的热稳定电流,根据器件供货商提供的电流有效值与开关频率曲线,确定满足要求的器件,并校核可关断器件的损耗和结温。暂态校核需要综合考虑过负荷以及最苛刻故障类型及时刻,校验IGBT元件的耐流以及结温是否满足要求。

3)子模块电容器的容值需要考虑子模块电压波动范围、换流器的响应特性。

换流变压器的主要参数包括短路阻抗、额定容量以及分接头范围等。由于与传统高压直流的原理不同,换流变压器的主要参数考虑的因素不同,具体如下。

1)换流变压器的短路阻抗需要考虑运输尺寸限制,结合桥臂电抗器的电感值考虑对PQ运行区间的影响,以及考虑限制暂态电流等。

2)换流变压器的额定容量需要根据流入(出)换流站的最大有功功率、最大无功功率,以及换流站的损耗综合确定。

3)换流变压器的分接头范围需要考虑交流系统的稳态最高、最低运行电压,交流系统对换流站的无功要求,以及直流端口的最高、最低电压。

桥臂电抗器参数的确定需要考虑抑制二倍频环流、电流响应速度、限制暂态电流,以及对PQ运行区间的影响,并通过动态性能测试的验证。

根据上述研究,厦门工程IGBT阀、换流变压器以及桥臂电抗器的主要参数分别见附录A表A1至表A3。

2.2 PQ运行区间计算

PQ运行区间的计算需要考虑换流变压器容量的约束、调制比的稳态范围约束、直流电缆的通流限制、桥臂热稳定电流约束、交流母线电压的稳态运行范围以及直流端口电压的稳态运行范围。

定义有功功率的正方向为从交流系统流向换流站,无功功率的正方向为换流站消耗无功功率;定义有功功率、无功功率的结算点均位于换流站交流母线处。图2和图3分别为厦门工程中换流变压器不配置分接头有载调压开关(OLTC)以及配置如附录A表A2所示的分接头参数时,两换流站的PQ运行区间。显然,通过配置分接头,换流站的PQ运行范围显著增大。

图2 无OLTC时两换流站PQ运行区间Fig.2 PQ diagram for both converter stations without OLTC

3 暂态电流计算

由于采用双极接线的柔性直流工程直流侧有零电位参考点,与对称单极接线相比各故障下的暂态电流的表现特征不同。换流站内考虑的典型故障位置以及故障类型见表1。

图3 配置OLTC后两换流站PQ运行区间Fig.3 PQ diagram for both converter stations with OLTC

编号位置类型编号位置类型 F1-1F1-2F1-11F1-3F2-1F2-2F2-11F2-3F3-1F3-2F3-11F3-3换流变网侧换流变阀侧上桥臂电抗阀侧单相接地两相短路两相接地三相短路单相接地两相短路两相接地三相短路单相接地两相短路两相接地三相短路F4-1F4-2F4-11F4-3F5-1F5-2F6-1F6-2F7F8F9下桥臂电抗阀侧直流电抗阀侧直流电抗线侧中性母线金属回线金属回线单相接地 两相短路两相接地 三相短路 单极接地 双极短路 单极接地 双极短路 阀侧接地 出口接地中点接地

当表1内故障发生时,采用对称单极接线以及双极接线时,暂态电流的对比见表2。下文针对双极接线时,暂态电流特征与对称单极不同的故障进行说明。

表2 两种接线方式下各故障下的暂态电流比较Table 2 Comparison of transient current with two types of wiring methods under various faults

3.1 换流变压器阀侧单相接地故障(F2-1,F3-1,F4-1)

故障F2-1和F3-1发生后,本站换流单元健全相和对站换流单元向本站换流单元故障相放电。在最苛刻的故障时刻下,故障电流发展速度仅次于换流阀交直流侧端口的直接短路。

故障F4-1和故障F3-2,F3-11,F3-3,F4-2,F4-11,F3-3的发展机理类似,均为换流阀交直流侧端口的直接短路。该类故障发生后,桥臂电流上升极快,依靠可关断器件自身的保护实现有效的防卫。

为了应对上述故障,均可通过桥臂电抗器户内布置以减小此类故障发生的概率或加装中性线阻抗延缓故障电流上升速度。

3.2 直流侧单极接地故障(F5-1和F6-1)

在对称单极接线中,不管采用交流侧接地方式还是直流侧接地方式,直流侧接地阻抗均较大,通常暂态电流上升率较小。

与对称单极接线不同的是,双极接线的柔性直流工程中直流侧的单极接地故障类似双极短路故障。现有文献对于双极短路故障进行了充分阐述。但是,对于高压大容量柔性直流工程,已有文献对于桥臂暂态电流的估算裕度太大,导致现有的可关断器件难以满足工程要求[12-13]。

双极短路故障发生后,工程中仅阀控过流保护来得及动作。从实际桥臂电流达到保护启动值,中间经过电流测量装置的阶跃延时和测量延时、阀控过流保护的判断时间、阀控到子模块的链路延时,直到子模块成功关断的总延时(以下简称换流阀闭锁总延时)约为百微秒级。在这段时间内,子模块电容迅速放电,IGBT在极短时间内闭锁。

故障发生后,桥臂暂态电流主要由三部分组成:①子模块电容的放电电流。由于短路故障发生时直流极母线为低电压,若IGBT管触发则子模块电容迅速放电;②由于故障发生到换流器闭锁的时间较短,子模块电容电压跌落很小且控制系统来不及响应,从而使得换流变压器阀侧电流和桥臂电流的基波分量依然按照正弦规律变化;③桥臂电流的初值。由于桥臂电抗器的作用,故障发生时刻桥臂电流不能突变。

考虑这些因素,故障发生后桥臂电流iarm可表示为:

(1)

式中:Iac为故障发生前换流变压器阀侧电流的峰值;Idc0为桥臂电流直流分量的初值;Udc为换流器直流端口电压;Larm为桥臂电抗器的电感值;t为从故障发生到换流器成功闭锁的时间段;ω为网侧交流电压角频率;α为网侧交流电压初相角。

根据式(1)可知,最苛刻故障的筛选需要考虑2个因素:①故障发生前换流器满功率整流运行且无功功率最大,使得稳态时IGBT管具有最大的电流初值;②由于子模块电容电压基本不变,式(1)中的第2项和第3项基本不变,因此故障发生最苛刻的时刻为阀控过流保护启动后,交流电流的分量剧烈变化的时刻。

在实际工程中,需要计算故障发生后,在阀控过流保护的电流启动定值和总延时时间下,桥臂实际暂态电流不能超过IGBT可关断的最大电流。以送端站出口发生接地故障为例,阀控过流保护的动作定值取Iset=2.1 kA,换流阀闭锁时的桥臂电流随换流阀闭锁总延时的变化如图4所示。可见,解析计算结果和电磁暂态仿真结果几乎完全吻合。

图4 单极接地故障不同保护动作延时下换流阀闭锁电流Fig.4 Current blocked by the valve with different protection delay under monopolar grounding fault

4 暂态过电压计算

类似地,由于采用双极接线的柔性直流工程直流侧有零电位参考点,与对称单极接线相比各故障下的暂态过电压的表现特征不同。考虑表1所示故障,采用双极接线时,各故障下暂态过电压发展速度比较见表3。可见,与采用对称单极接线相比,柔性直流工程采用双极接线有利于降低绝缘水平。

表3 两种接线方式下各故障下的暂态过电压比较Table 3 Comparison of transient overvoltage with two types of wiring methods under various faults

下文针对双极接线时,暂态过电压特征与对称单极不同的故障进行说明。令直流极母线对地电压为udc,直流母线端口电压为udct,当采用对称单极或采用双极接线时,满足如下关系:

(2)

忽略桥臂上的3次及以上谐波,其A相上、下桥臂电压upa和una分别满足[2]:

(3)

式中:udct为直流母线端口电压;U1和Ucir分别桥臂电压的正序基频分量和负序二倍频分量;α1和α2分别为桥臂电压的正序基频分量和负序二倍频分量的初相角。

显然,忽略式(3)等号右边第3项则桥臂电压的峰值maxupa=udct,即单个桥臂子模块全部投入,以维持直流母线端口电压。考虑最苛刻的运行工况,二倍频分量对基波分量为助增作用,桥臂电压的峰值大于换流单元直流母线端口电压,即满足:

maxupa=udct+Ucirsin(2ωt+α2)

(4)

基于上述原理,对故障下的暂态过电压进行如下分析。

1)换流变压器阀侧单相接地故障(F2-1,F3-1,F4-1)。故障发生时,由于桥臂电容电压不能突变从而保持maxupa。结合式(2)和式(4)可知采用双极接线时暂态过电压不如采用对称单极接线严苛。

2)直流侧单极接地故障(F2-1和F3-1)。故障发生时,由于直流端口电容电压不能突变从而保持udct。根据式(2)可知,采用双极接线时暂态过电压不如采用对称单极接线严苛。

除换流站的接线方式外,换流站的绝缘水平还与工程是否存在功率盈余问题、是否配置直流断路器等因素密切相关,需根据具体条件进一步分析计算。

5 结论

本文以厦门工程为背景对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究,在如下方面取得了进展。

1)通过主接线优化设计使得采用双极接线的柔性直流工程具备3种运行方式,提高了系统的可靠性。

2)高压大容量柔性直流工程中设备裕度通常较小,通过对主回路参数开展精确计算从而实现小容量可关断器件支撑工程大功率传输。

3)柔性直流工程采用双极接线时,暂态电流更苛刻。通过提出暂态电流精确解析计算方法以及优化布置等方法,确保工程可关断器件的安全性。

4)柔性直流工程通过采用双极接线有效地降低了工程的绝缘水平。

本文所做工作对张北柔性直流电网工程及后续高压大容量柔性直流工程的系统设计具有较好的指导意义。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。