新能源输电系统设计

［摘 要］新能源发电在电力系统中越来越重要，在新能源输电系统投入运行前，需要对整个新能源输电系统进行设计，以保证新能源输电系统能够正常稳定运行。文章对新能源输电系统相关设计内容进行了分析，以期为相关人员提供参考。

［关键词］新能源输电；电气主接线设计；主电路参数设计；控制保护

［中图分类号］TM72 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）09–0093–03

1 新能源输电系统设计内容

1.1 电气主接线设计

随着新能源大力发展，新能源输送的容量达到了数千兆瓦，为了满足大功率输送，主电路采用双极接线方式以降低每个换流单元功率输送[1]，以双端为例的新能源输电系统电气主接线设计如图1 所示。新能源输电系统包括以下6 个部分。

1.1.1 新能源场

新能源场可以是风力发电、光伏发电等不同形式的新能源发电，新能源场内通过风机串并联为风机组形式或光伏阵列形式以提高新能源发电功率，其作为整个新能源系统输电的电源通常离负荷中心较远，因此需要进行远距离输电。由于风光自然资源的随机性和波动性，在新能源场内需要有电能变换装置，以稳定新能源电能输出，如在风机输出端加入AC/DC 和DC/AC 两级变流器，在光伏发电输出端加入DC/DC和DC/AC 两级变流器，最后新能源场输出的电能汇集在公共耦合点PCC 点。

1.1.2 换流站设计

换流站在新能源输电系统中起着电能变换的作用，是整个系统中关键的设备，影响着系统的正常运行。靠近新能源场一侧换流站为整流换流站，另一侧换流站则为逆变换流站，分别起着交流转变为直流和直流转变为交流的作用。

换流站内包含大量功率开关器件，功率开关器件可分为半控型和全控型，分别对应的是常规直流输电和柔性直流输电，常规直流输电与柔性直流输电相比传送容量更大、经济性更好，但不具备构网能力和无法实现黑启动，不适用于高比例新能源输电工程。

随着新能源系统输电功率的不断提升，为了适应高比例新能源场景，在PCC 点需要进行构网，实现频率和电压的支撑，因此可以使用具备构网能力和黑启动的柔性直流输电。目前我国直流输电输送功率可达数千兆瓦，为了提高柔性直流输电的输送能力，换流站采用双极结构，上、下极之间的中性点为大地回路接线方式，正常运行时无电流流过，各极独立运行，提高了运行可靠性。换流站内各级有单阀组接线和高低压阀组接线方式，其中单阀组接线与高低压阀组相比控制策略和运行方式简单，但经济性差，在大容量输电工程中换流站各级可采用高低压阀组接线方式。

整流换流站和逆变换流站均为双极，各换流站中上、下极有两个换流单元，常规直流输电换流单元为LCC 结构，柔性直流输电换流单元为MMC 结构。柔性直流输电中最基本的单元有半桥或全桥子模块，考虑经济性时可采用半桥结构，若想实现直流故障穿越可采用全桥结构，如今全/ 半桥混合结构是未来发展的趋势。

1.1.3 联接变压器

联接变压器安装于电网与换流站之间，起着电压升降作用，是电能输送的重要设备。联接变压器设计包括型式选择、绕组联接方式选择、电压变比设计、额定容量设计和短路阻抗设计。

变压器型式选择主要考虑占地面积、工程造价和变压器承重等因素，包括三相一体型式和3 台单相变压器，海上输电变压器一般采用三相一体式，岸上输电变压器采用3 台单相变压器。

变压器绕组联接方式有Y 绕组联接和Δ 绕组联接，若采用Y 绕组联接还需考虑其中性点是否需要接地，针对双极拓扑结构的变压器网侧采用Y 绕组联接，换流站交流侧采用Δ 绕组联接，其中Y 绕组联接中性点需要接地，以消除由于调制方式引起的零序分量。各联接变压器的阀侧需要设置一组接地的隔离开关和避雷器，由于采用真双极的接线方式，联接变压器会存在直流偏置，无法使用交流的GIS 设备，需要考虑敞开式设备。

变压器电压变比选择是根据网侧PCC 电压等级和换流站交流侧电压进行设计，目前特高压直流输电的电压等级大多数是±800 kV，网侧PCC 电压等级为500 kV，在该电压等级下的直流输电工程变压器电压变比可设计为525 kV/262 kV。变压器额定容量根据传送的额定功率进行计算，并要求其具备1.4 倍的过载能力。变压器的短路阻抗主要与系统无功有关，其设置范围为12%～18%。

1.1.4 输电线设计

输电线指直流输电线路，当新能源场位于我国西北自然资源丰富地区时，输电线路远输送容量大，架空线的工程造价低，因此远距离输电通常采用架空线，如我国白鹤滩特高压直流输电和昆柳龙直流工程。当新能源场为海上风电时[2]，面临的环境严酷且更加复杂，为了满足环境适应性和输电效率，岸上换流站至海上风电输电线均采用电缆。

1.1.5 高压直流断路器

高压直流断路器DCB 的作用是清除输电线路直流侧发生的故障，重新投入清除故障后的直流线路，避免系统停运。高压直流断路器有3 种类型，即全固态断路器、机械式断路器和全固态与机械式相结合的混合式断路器，混合式断路器因其兼具全固态和机械式的优点，是未来发展的主要方向。高压直流断路器安装在两个换流站双极出口位置，实现直流侧故障的清除。

1.1.6 无功补偿装置

柔性直流输电可实现有功和无功的独立控制，在进行新能源输电系统设计时无需考虑额外的无功补偿装置。若新能源输电系统设计采用常规直流输电时无法进行无功功率快速调节，需要考虑配置同步调相机，同步调相机可进行大量的无功补偿，并且响应速度快。

1.2 主电路参数设计

1.2.1 子模块数量

新能源输电系统电压等级高，换流站子模块数量较多，是换流站最主要的成本，因此需要计算换流站最基本单元子模块数量。根据换流阀单元直流侧电压Udc 和子模块电容额定电压UCN，可以求得单个换流阀单元桥臂子模块数量N 为：

N=Udc/UCN（1）

为了实现故障穿越，提高运行可靠性，换流阀单元桥臂中可为半桥子模块和全桥子模块混合的结构，其中全桥子模块数量占总桥臂数量比例至少为50%。

1.2.2 子模块电容

引入等容量放电常数H，其定义是所有子模块电容储存的能量总和等于系统容量放电所能持续的时间的长度，其表达式为：

H=3CU2dc/SNN（2）

由式（2）可以得到电容C 的表达式如下：

C=HNSN/3U2dc（3）

由于新能源输电系统电网频率一致时，H 与电容电压波动率ε 是不随具体工程变化而变化的，因此当给定ε 的指标要求，根据H–ε 关系曲线（图2）就能得到具体H 大小。在具体工程中系统输送额定容量SN、直流母线电压Udc 均是已知的，再根据式（3）可计算出子模块电容参数。

1.2.3 桥臂电抗器

桥臂电抗器Larm 的取值主要取决于其必须避开的二倍频环流谐振角频率，以确保系统稳定性，同时其较小的值足以抑制直流侧故障电流上升率。而作为联接电抗器的一部分，相单元的等效电路如图3 所示。

串联谐振角频率ωres 取值范围较广，通常经济合理的取值范围在工频ω0 附近，ωres 的计算公式如下：

由式（1）和式（3）可求得到N 和C，因此可以通过式（4）反推计算得到Larm。

2 控制保护策略

2.1 新能源场控制策略

为保证新能源稳定输出功率，在新能源场中机组输出端加入两级变流器实现对机组的并网控制，靠近机组一侧变流器为机侧变流器，另一侧则为网侧变流器。

当新能源系统为风力发电机全功率型时，机侧变流器可采用定向矢量或直接转矩控制，网侧变流器可采用直接或间接电流控制；当新能源系统为风力发电机双馈型时，机侧变流器通过控制转子励磁电流实现功率调节，网侧变流器可采用直接功率控制或基于虚拟磁链定向的矢量控制。若需要新能源场实现构网，则网侧变流器可采用虚拟同步机或下垂控制实现PCC点电网电压和频率的支撑。

当新能源系统为光伏发电时，机侧变流器为DC/DC 变流器，其具体结构为Boost 升压电路，网侧变流器为AC/DC 变流器，可采用电导增量法、扰动观察法和恒定电压法实现MPPT 控制，通过MPPT 控制使光伏发电工作在最大功率点。同样当需要新能源场实现构网时，可采用虚拟同步机或下垂控制实现PCC 点电网电压和频率的支撑。

2.2 换流站控制策略

换流站控制是针对整流换流站和逆变换流站的控制，根据实现功能不同，两个换流站控制任务是不同的。在高比例新能源发电下，需要对PCC 点进行构网，以实现频率和电压的支撑。当新能源场输出端变流器未采用构网控制时，此时整流换流站可采用虚拟同步机控制或下垂控制实现构网，则直流母线电压的稳定则是通过控制逆变换流站得以实现，逆变换流站控制为定直流电压控制；当新能源场输出端变流器采用构网控制时，此时整流换流站采用跟网型控制，通过定直流电压控制稳定直流母线电压，则逆变换流站采用功率控制，实现功率快速调节。

换流站主要包括系统级、阀级和子模块级3 层控制，其中系统级控制是换流站的顶层控制，根据调度指令实现有功无功、直流电压和交流电压的控制；阀级控制是指换流站内换流单元中桥臂电压和电流的控制；子模块级控制是指换流站内最基本单元半桥或全桥子模块直流侧电容电压的控制，保证子模块电容电压平衡。

2.3 故障保护策略

新能源输电系统中存在各种各样的故障，这些故障主要是由自然环境因素和设备固有缺陷所致，主要包括交流故障、直流故障和子模块故障。

当发生交流故障时，交流侧电流迅速增大，进一步导致换流单元中桥臂电流迅速增大，在换流站电流内环控制中可通过对电流进行限幅，降低交流侧输出电压以减小交流故障电流，此外需要在换流站交流侧联接变压器加入差动保护。若采用常规直流输电系统，由于是半控型器件，交流故障可能会引起换相失败，可通过控制晶闸管触发角且同时控制直流电流，进而降低换相失败概率。

直流故障包括直流单极故障和直流双极故障，当发生直流单极故障时，只需将故障极退出即可，另一极可正常运行。直流故障中直流双极故障是所有故障中最严重的故障，其故障电流为三相短路故障电流与子模块电容放电电流的叠加，除了通过高压直流断路器清除故障，也可以将换流站内最基本单元部分半桥子模块更换为全桥子模块，当直流侧发生直流双极故障时，全桥子模块电容电压提供负电压从而实现故障穿越。与全采用全桥子模块相比，混合式结构经济性更好。

子模块故障包括子模块取能故障、开关器件故障、电容过压和电容欠压等模块级故障，这类故障发生在子模块内部，其对系统运行影响较小，当这类故障发生时，要求系统能够继续正常运行。在子模块交流输出侧并联一个旁路开关，一般为晶闸管器件，当子模块正常时旁路开关为打开状态，当检测到子模块发生故障时旁路开关动作，故障子模块退出运行，取而代之的是冗余子模块投入运行，实现模块级故障穿越。

3 结束语

新能源输电系统设计对于推动能源结构转型、促进绿色低碳发展具有重大意义。通过优化输电网络布局、提升输电效率与稳定性，新能源输电系统正逐步成为未来电力供应的核心助力。总之，新能源输电系统设计的不断完善与创新，将为全球能源结构的优化升级提供坚实支撑，引领人们迈向更加清洁、可持续的能源未来。

参考文献

[1] 冯俊杰，辛清明，赵晓斌，等. 大规模新能源超远距离送出的柔性直流系统集成设计方案[J]. 南方电网技术，2024，18（3）：34-44.

[2] 刘卫东，李奇南，王轩，等. 大规模海上风电柔性直流输电技术应用现状和展望[J]. 中国电力，2020，53（7）：55-71.