特高压混合型直流输电系统优点分析

张豪 国网四川省电力公司检修公司

一、引言

随着特高压直流输电项目不断建成、数量不断增多，人们逐渐认识到特高压直流输电的显著优势，其能有效解决能源资源和电力需求间距过大的问题。随着时间的不断延长，特高压直流受重视程度在不断提高，国家对特高压直流项目给予了一定的支持，这也促进特高压直流项目数量和规模都获得了较大的提高。基于此，本文首先概述特高压混合直流的系统结构及直流线路故障清除基本控制策略，进而对特高压直流输电系统运行维护进行分析。

二、特高压直流输电技术应用前景

（一）大规模应用持续提升

未来特高压直流输电技术的应用规模将会持续提升，这主要是基于我国的基本现状。我国能源资源非常丰富，但更多集中于中西部地区，特别是煤炭资源等。我国的人口却分布不够均衡，东部地区人口多、中西部地区人口少，所以东部地区的用电需求量更大，这就导致用电需求和能源分布不够一致，由此我国开展了西电东送项目，这一工程项目是跨时代的创举，可以较为高效地处置我国能源以及人口分布不均的难题，也能更好推动这一项目，但也使得资源的运输成本十分高，配置也十分难，而特高压直流技术却具备大容量、效率高、输送距离远等显著的特点，非常适合西电东送项目，也能更好促进西电东送项目的实现和完成，未来特高压直流输电技术还将进一步扩大其应用范围和规模，发挥显著的优势和特点。

（二）清洁能源大规模接入

当前我国最普遍的发电方式是以火力发电为主，需消耗大量的资源，而伴随我国经济发展水平地逐渐提升，此时人们对于电力的需求愈来愈高，这也就意味着火力发电所需资源规模越来越大，这显然并不具备可持续性，所以必须积极探索清洁能源的使用。我国已意识到这一问题并在多个地区建立了风力、水力发电站，渐渐使用清洁能源取代了不可再生能源，以此来减少环境污染，以清洁能源为基础的特高压直流项目也在建设过程中，未来也必将大规模发展。

（三）经济前景广泛

传统的输电技术普遍具有占用面积大、耗费成本高等特点，因此经济效益相对较低，而且还有可能对环境带来不可挽救的伤害，环境效益相对较低，因此传统输电技术的核心竞争力相对较差。但特高压直流输电技术却与之相反，在建设过程中能够有效节省占地面积，且建设的成本相对较低，具有非常显著的经济效益优势，因此这一技术具有非常广阔的经济前景。

三、案例分析

（一）系统结构

本文以图1所示±800kV特高压混合直流输电系统当作主要的研究主体，整流站各极常常交由两处十二脉动LCC换流器进行联结，逆变站各极通过两处混合型MMC换流器进行串联，高、低压换流器经过单独的换流变压器，接着再进一步搭载到站内同一交流母线之中。其中，Udc1、Udc2分别为整流、逆变站直流线路出口处对中性母线的直流电压，Idc1、Idc2分别为整流、逆变站直流线路出口处直流电流，直流电流正方向为整流站流向逆变站。

图1 特高压混合直流输电系统拓扑

在本次研究之中，逆变站混合型MMC换流器拓扑架构，每个桥臂由相同配置比例的HBSMs、FBSMs及一处桥臂电抗器联结在一块儿，HBSMs能够传输正、零两种电平，FBSMs能够传输正、负、零三处电平，两种类型子模块的电容值C及额定工作电压UcN相同。其中，UdV为混合型MMC换流器直流电压，IdV为直流电流；upj、unj分别为上、下桥臂电压，ipj、inj分别为上、下桥臂电流，ujo为交流相电压，ij为交流电流（j=a、b、c），o为假想电压中性点；Lb为桥臂电抗器电感。

（二）基本控制策略

本文研究的特高压混合直流输电系统，采取这一模式作为主要的控制模式，与基本控制模式对应，整流站和逆变站的高、低压换流器。

整流站LCC各换流器都要装上定直流电流进行调控，同时还应该包括直流电压裕度控制和最小触发角限制部分。为满足直流线路故障清除的需要，当直流线路保护动作后，LCC将执行移相至164°以清除故障电流。

针对逆变站MMC各换流器，相关的施工人员还要求装上内外环控制，在此之中，功外环属于直流电压控制、内环属于直接电流解耦控制，直流电压外环控制可以保证整个系统的直流电压稳定并获得良好的稳态控制精度。

为满足直流线路故障清除的需要，逆变站各换流器还配置直流线路电流控制器，该控制器以直流线路电流Idc2到0作为控制目标，当检测到直流线路保护动作后，该控制器启动并将直流调制度由正常值Udc2-ref/NVUdVN切换为该控制器的输出，阻断MMC换流器向直流线路故障点注入电流；在线路故障清除过程结束后，将该控制器退出并使直流调制度斜率爬升恢复至正常值，实现直流电压的重建，该方式对直流线路的瞬时金属性接地故障具有良好的清除效果。

四、特高压混合型直流输电线路优点分析

以三端四换流器运行，线路2经过渡电阻500Ω接地，持续2000ms，去游离时间第一次350ms、第二次500ms，以再次开启2次为例。首先，相关人员通过站1波形（如图2所示）不难看出，线路电压变化到零的时候，并不在短时间降低到零，而是出现了既定的过渡时长，契合经过渡电阻500Ω的标准。通过站1电压改变以及换流阀触发角三次变化到164不难看到，当线路出现异常的情况下，站1移相3次，前2次常常是因为线路出现异常，开启移相，去游离时长以及仿真定值保持统一，因为所安置的故障连续时长大约为2000ms，这远远超出第1次以及第2次去游离时长以及保护动作时长之和，所以在2次开启之后，其异常依然存在，线路保护动作，在这个时候站3执行Y-ESOF，关闭本站。利用三站搭配，相关人员将系统电流把控在15A之下后，切断HSS高速，同时联开关和刀闸，隔离站3。第3次开启就是指配合站3退出而开始移相，第3次移相之后电压以及电流回到正常状态，其中电流维持在站2，如此一来就可以负荷出最大的电流。

图2 站1电气量及状态量波形图

根据结果来看，通过站2、站3波形不难看到，站2、站3电压变化以及控零压命令地产生，就能够评判出VSC站控零压指令产生了3次。前2次是因为线路故障保护动作，开启控零压，时长以及仿真保持统一，而第3次控零压就是配合站3退出，控零压同时电流低于15A之后，就能够通过切断HSS高速并联开关和刀闸，做到站3隔离，接着站1以及站2再次恢复电压以及电流持续供电。

一旦产生线路异常问题，那么就要求配3站之间的配合，如此一来就能够迅速把直流线路内的能量传输至直流系统中，同时还需要进入到游离时期，较之于常规直流功能，其具有故障自清除优势。倘若线路故障连续时长要短于线路故障重启动的时长，此时就要求将系统回到初始状态。针对这一情况，如果线路1出现永久性故障，那么整流站就要求在实现线路重启次数后于出口闭锁三端系统。

五、结束语

综上所，本文首先结合实际工程，在特高压直流工程中，对于特高压混合直流输电系统，直流架空线路故障的清除对于系统的稳定运行起着至关重要的作用。随着特高压混合直流输电系统技术受重视程度不断加深、大规模推广应用逐渐开展、相关科研初见成效，清洁能源的大规模介入，经济前景十分广泛，因此必须要加大对特高压混合直流输电系统的应用和推广。