配网柔性直流背靠背互联接线方案

苏 成，简翔浩，伦振坚

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

随着电力系统的发展，大量分布式能源及更大规模的电力负荷接入系统，使配网的运行特点和结构发生了巨大变化。传统的配网正面临供电负荷不均衡、供电容量与负荷需求不匹配、电能质量以及供电可靠性不能满足接入负荷的需求等问题[1-2]。柔性直流技术不存在无功补偿问题和换相失败问题，可以为无源系统供电，具有有功和无功可独立调节控制、谐波水平低、占地面积小等优点，广泛应用于工程建设[3]。相关研究表明，基于柔性直流技术的配电系统可提升电能质量和提高供电可靠性，正受到越来越多的关注，已有多个工程投产运行[4-6]。

配网柔性互联的主要形态包括基于背靠背的柔性互联形态、含直流母线的点对点柔性互联形态和交直流混合柔性互联形态3种[1]。系统的接线方案直接影响整个系统的可靠性和工程造价。文章基于配网柔性直流背靠背互联形态对其接线进行研究，提出可靠性高、技术经济合理的接线方案。

1 系统接线方式

柔性直流系统的接线方式主要有不对称单极接线、对称单极接线以及对称双极接线3种。

与传统直流输电类似，不对称单极接线方式只有一条极线，然后通过大地或金属回线构成一个完整的回路。虽然不对称单极接线只有一个换流器，接线简单，造价较低，但系统可靠性较差，极线电压即为极间电压，对极线设备绝缘水平要求较高。

对称单极接线方式也只有一个换流器，包含2个极线。它的极线电压只有极间电压的1/2，降低了极线设备的绝缘水平。正常运行情况下，联接变阀侧交流设备不承受较大的直流偏置电压，设备制造更容易。相对于不对称单极接线，对称单极接线输送容量更大，可靠性更高。目前，已投产的配网柔性直流项目均采用此接线方式。

对称双极接线有2个换流器，极线电压与对称单极接线相同。相对于对称单极接线，这种接线的运行方式多，输送容量大，可靠性也高，但联接变阀侧交流设备需承受由直流电压不对称造成的直流偏置电压，提高了对联接变压器及相关设备的绝缘要求。

配网柔性直流背靠背互联系统传输容量相对较小，从降低项目投资的角度出发，结合现有工程经验，推荐采用对称单极接线方式。

2 联接变压器配置方式

2.1 配置联接变压器的电气接线

柔性直流系统中，联接变压器的主要作用如下[7]。第一，提供电压匹配，变换交流系统的电压，使柔性直流换流阀工作在最佳的电压范围内，减少输出电压和电流的谐波分量。第二，提供部分联接电抗，以抑制谐波分量和故障电流。第三，隔离两侧交流系统，使其互不影响，特别是隔断零序电流在两侧交流系统之间的通路。

配置联接变压器时，两侧交流系统经联接变压器连接模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC），经MMC变换到直流后互联，接线方式如图1所示。

图1 对称单极接线

配网中压系统一般采用非有效接地方式，联接变压器网侧采用三角形接线，联接变压器阀侧采用星型接线，中性点采用经电阻接地形式为柔直系统提供可靠的零电位参考。同时，△/Y接线形式可阻断联接变网侧至阀侧系统的零序通路，有效阻断3n（n∈R）次谐波及零序分量在交、直流系统间乃至互联的两侧交流系统之间的传递。

柔性直流互联容量一般在10 MVA级别，联接变压器一般采用油浸式，设备体积和重量较大，占地面积多，含油量较大，消防问题突出。一般情况下为户外使用，户内使用时对空间要求较大，在土地资源紧张地区使用不具优势。

2.2 配置直流变压器的电气接线

设计系统时，参数设计可实现交流馈线电压与柔性直流换流阀交流侧电压的匹配，而联接电抗可通过设计合理的桥臂电抗器电抗值来实现。因此，可考虑取消联接变压器的方案，减小柔直背靠背互联系统整体的体积、重量以及占地面积。

系统设计可以满足取消联接变压器后的前两种功能。为了实现常规联接变压器的第3种功能，可采用直流变压器。直流变压器是一种电力电子变压器，通常由电力电子电路和高频变压器组成，具有类似于传统工频变压器电压等级变换和电气隔离功能[8]。配置直流变压器的电气接线，如图2所示。

图2 配置直流变压器的电气接线

与传统的联接变压器相比，直流变压器具有调节电能质量的能力和多端口运行功能，方便其他设施以直流型接入，灵活性更高。两端换流器均可以构造直流母线段，方便远期扩展。同时，直流变压器为全干式结构，无绝缘油。

2.3 方案比较

通过分析可知，配置联接变压器的电气接线与配置直流变压器的电气接线2种接线方式的比较如表1所示。配置直流变压器的方案在运行灵活性、消防安全、设备体积和重量以及占地面积方面有一定的优势，有着较好的应用前景。它的造价目前较常规联接变方案高，但随着功率半导体器件、直流电容等关键元器件的工艺技术越来越成熟，以及关键器件的国产化，造价将越来越低。因此，对于在土地资源紧张的高负荷密度地区，配网柔性直流背靠背互联系统推荐采用配置直流变压器的方式。

表1 2种接线方式比较

3 柔直互联系统接线方式

3.1 系统运行方式

柔性直流背靠背互联系统有3种运行方式。第一，背靠背运行方式。柔性直流背靠背互联系统均正常工作，系统指令控制两侧交流系统的功率交换，可以灵活分配负荷，提高供电效率和设备利用率。第二，不间断电源供电模式。柔直互联系统一侧交流母线发生故障时，交流系统切除交流母线区域，柔直互联接系统另一侧交流线路经互联系统提供紧急支援供电。第三，STATCOM运行方式。STATCOM方式运行时，背靠背系统两侧的柔直换流器独立运行在STATCOM模式，为两侧交流系统提供无功支撑。

3.2 换流器及直流变压器拓扑选择

从系统运行方式需求来看，直流侧故障时需要快速隔离故障区域，保证系统的可用率。因此，需采取措施清除直流侧故障。常用的措施有采用交流断路器清除、采用直流断路器清除以及采用换流器自清除等[9]。

采用交流断路器清除时，需断开柔直互联系统两侧的交流断路器。此时，柔直互联系统完全被切除，无法继续为交流系统提供无功支撑，限制了柔直互联系统的运行方式。

采用直流断路器清除时，需要装设直流断路器。由于直流电流无自然过零点，需要增加额外的电路来制造电流过零点以实现开断。目前，装设的直流断路器主要有机械式直流断路器、固态直流断路器和混合式直流断路器3种。由于结构复杂，目前的设备价格仍较高。

采用换流器自清除方式是换流器采用具有故障自清除能力的拓扑，利用换流器的特性清除故障电流。换流器多采用“全桥+半桥”的混合拓扑。对于配网柔直互联系统，由于直流电压等级较低，换流器桥臂子模块数量少，部分子模块采用全桥型对整体的造价影响不大。此方式无须增加其他设备，且能有效隔离故障区域，缩小故障影响范围，也不影响柔直互联系统的运行方式。半桥和全桥子模块接线如图3所示。

图3 半桥和全桥子模块接线

文章推荐换流器及直流变压器采用具有故障自清除能力的“全桥+半桥”混合拓扑结构，同时直流变压器采用基于双主动全桥中频功率模块的模块化设计方案，有效隔离背靠背互联系统两侧零序通路。

3.3 系统接地方式

对于传统的柔直背靠背互联系统，配置联接变压器时通常有4种接地方式。方式1为在直流极线上并联2个阻值相等的电阻接地。此方式简单、直接、有效，且成本较低。但是，在直流系统正常运行时，电阻是一个长期负荷，功率损耗较大，因此接地电阻阻值选择不宜太小。方式2为从直流极线间集中支撑电容的中点引出进行接地。此方式较简单，但对于采用电压源型换流器的柔性直流系统，直流电容分布在换流器的各个子模块中，一般不在直流侧单独设置集中的支撑电容。方式3为当联接变阀侧绕组采用Y接线时，由于存在中性点，可采用中性点直接经电阻接地。方式4为当联接变阀侧绕组为Δ接线时，可以采用配置星型电抗经电阻接地方式。在不配置联接变压器时，方式3和方式4不适用。柔直互联系统需利用交流系统原有接地点，在交流系统故障、接地设备退出时，直流系统将无参考点位。柔性直流换流器是电压源型换流器，含有大量的直流电容器，因此方式2不适宜用于柔性直流系统。经分析，接地方式推荐采用方式1，即在直流侧采用经电阻接地的方式，如图4所示。

图4 直流侧经电阻接地

4 结 论

研究配网柔性直流背靠背互联系统接线方案，得出以下结论：（1）系统接线推荐采用结构简单、可靠性相对较高且应用较多的对称单极接线；（2）相对于传统的配置联接变压器的方案，采用直流变压器方案可减小整个系统的体积和重量，且无消防问题，在土地资源紧张的区域具有较大的应用优势；（3）结合系统运行方式，推荐换流器及直流变压器采用具有故障自清除能力的“全桥+半桥”的混合拓扑，而系统接地方式采用直流侧经电阻接地的方式。