馬玉龍,馬為民,陳東,蔣維勇,吳方劼,梅念,余世峰
(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,北京市100052)
由于采用了全控型電力電子器件,柔性直流輸電解決了常規(guī)直流輸電的諸多固有問題,如對有功功率和無功功率的獨立控制,不需要無功補償設(shè)備,無須交流系統(tǒng)支撐完成換相等,在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、多端直流輸電以及城市配電網(wǎng)增容改造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。
1997年,世界上第一個柔性直流輸電工程(He?llsj?n工程)成功運行,此后柔性直流輸電技術(shù)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢,工程容量已從最初的MW級發(fā)展到GW級,直流電壓等級從10 kV提升到500 kV。近年來,我國加快了柔性直流輸電技術(shù)的研發(fā)力度和工程建設(shè)。2011年,由我國自主建設(shè)的柔性直流工程——上海南匯柔性直流輸電科技示范工程投入運行。
舟山多端柔性直流輸電示范工程為五端系統(tǒng),各換流站分別位于舟山本島(定海)、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島。工程直流電壓等級為±200 kV,各換流站容量分別為定海換流站400 MW、岱山換流站300 MW、衢山換流站100 MW、洋山換流站100 MW、泗礁換流站100 MW。各換流站間采用電纜連接,電纜總長為140 km。
舟山工程各換流站將接入現(xiàn)有舟山電網(wǎng),其中定海換流站以1回220 kV線路接入220 kV舟北變,岱山換流站以1回220 kV線路接入220 kV蓬萊變,衢山換流站以1回110 kV線路接入110 kV大衢變,洋山換流站以1回110 kV線路接入110 kV沈家灣變,泗礁換流站以1回110 kV線路接入110 kV嵊泗變。換流站與交流變電站間的線路、所接入的變電站的交流間隔均配套建設(shè)。
舟山工程各換流站采用基于模塊化多電平技術(shù)的電壓源換流器[4-5]。模塊化多電平換流器可大大減小單個絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的開關(guān)頻率,降低換流閥的功率損耗,使大容量柔性直流技術(shù)的工程化推廣具備可能。舟山多端柔性直流工程建成后對于加強舟山群島各海島間的電氣聯(lián)系,增強網(wǎng)架結(jié)構(gòu),解決海上風(fēng)電接入問題,提高供電可靠性等都有重要意義。
舟山柔性直流工程的地理接線圖如圖1所示。換流閥采用半橋式模塊化多電平換流器,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。橋臂中的每個子模塊可以獨立控制,每相上、下2個橋臂的電壓和等于直流母線電壓。交流電壓由每相中2個橋臂的子模塊旁路比例控制,橋臂中的子模塊越多,交流電壓的諧波越小。每個橋臂裝設(shè)橋臂電抗器,用于抑制故障電流的快速上升。定海、洋山換流站的主接線如圖3、4所示,其他換流站的主接線與此類似。
圖1 舟山工程地理接線圖Fig.1 Geographical connection of Zhoushan project
圖2 半橋式模塊化多電平電壓源換流器Fig.2 Half-bridge MMC VSC
舟山電網(wǎng)的主要電源點位于舟山本島(定海),岱山等其他島嶼均通過交流220 kV或110 kV交流線路供電。建設(shè)舟山柔性直流工程的主要目的是滿足各島嶼用電負(fù)荷增長的需要,以及交流線路故障時向各島嶼供電。因此,柔性直流工程投運后主要的運行方式是定海站作為送電端,其他4個換流站作為受電端。當(dāng)定海站退出運行時,考慮到舟山本島與岱山島間通過交流220 kV連接,岱山站將作為送電端,其他3個換流站作為受電端。
圖3 定海換流站主接線圖Fig.3 Main wiring diagram of Dinghai converter station
圖4 洋山換流站主接線圖Fig.4 Main wiring diagram of Yangshan converter station
本工程除了考慮上述主要的運行方式外,為增加運行的靈活性,發(fā)揮多端柔性直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢,也保留其他運行方式。對于并聯(lián)型五端系統(tǒng),其運行方式可分為五端、四端、三端、二端及STATCOM 這五大類,理論上共有27種運行方式,但正常運行時衢山站和泗礁站不配置接地點,因此不考慮衢山站與泗礁站兩端的運行方式,實際共有26種運行方式,詳見表1。
受本工程模塊化多電平換流器主接線技術(shù)特點的限制,不考慮單極運行方式。
換流站功率圓圖(即PQ圓圖)指換流站與交流系統(tǒng)交換有功和無功的能力。繪制PQ圓圖的限制條件包括聯(lián)接變?nèi)萘?、調(diào)制比范圍、電纜等設(shè)備的通流能力等。以定海站為例,其PQ圓圖如圖5所示。
設(shè)計得到的各換流站橋臂電抗器、聯(lián)接變等設(shè)備的參數(shù)見表2、3。
對于舟山五端系統(tǒng),換流站控制保護(hù)[6-11]可分為系統(tǒng)級控制、換流站級控制與換流閥級控制。系統(tǒng)級控制確定柔性直流工程各個換流站的控制目標(biāo)與相互配合關(guān)系,換流站級控制確定站內(nèi)的控制策略,而換流閥級控制產(chǎn)生換流閥基本模塊的觸發(fā)脈沖。
系統(tǒng)級控制策略主要從調(diào)度要求與直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行角度,確定多端系統(tǒng)的整體控制策略與各換流站的控制目標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)中有3個以上的換流站運行時可采用基于直流電壓偏差控制的控制策略,其基本思想是選擇某一換流站主控直流電壓,并自動平衡系統(tǒng)的有功功率;對于其他換流站主控功率,也設(shè)置直流電壓控制器,其直流電壓指令值依次增加1個偏差帶,這樣可以確保任何情況下整個系統(tǒng)的直流電壓都可控,并且只被1個換流站控制。當(dāng)無站間通信時,基于電壓偏差控制的控制策略也能很好地維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。當(dāng)為五端換流站運行時,定海換流站的容量最大,平衡系統(tǒng)功率的能力最強,因此選擇定海站作為直流電壓主控站,岱山站次之,圖6為基于電壓偏差控制的控制策略示意圖。
表1 舟山工程運行方式Tab.1 Operation modes of Zhoushan project
圖5 定海站換流器PQ圓圖Fig.5 PQ diagram of Dinghai converter station
表2 各換流站橋臂電抗器參數(shù)
表3 各換流站聯(lián)接變參數(shù)
圖6 基于電壓偏差控制的控制策略Fig.6 Control strategy based on voltage offset control
基于電壓偏差的控制策略主要適用于站間通信不正常時的直流電壓控制,在通信正常時當(dāng)定電壓控制的換流站失去電壓控制時可以通知其他換流站接管直流電壓控制,并將直流電壓控制在額定值。
電壓控制權(quán)的轉(zhuǎn)移主要有2種情況,一種是因直流系統(tǒng)的功率過剩導(dǎo)致的直流電壓升高,另一種是直流系統(tǒng)的功率不足導(dǎo)致的直流電壓下降。當(dāng)多端系統(tǒng)中從直流系統(tǒng)汲取功率的換流站退出或汲取功率減小,或者向直流系統(tǒng)供給功率的換流站功率增大時,若定電壓換流站向直流系統(tǒng)不能再增加所汲取的功率,直流系統(tǒng)的功率將出現(xiàn)缺額,從而引起直流電壓的下降。當(dāng)多端系統(tǒng)中向直流系統(tǒng)供給功率的換流站退出或供給功率減小,或者從直流系統(tǒng)汲取功率的換流站功率增大時,若定電壓換流站向直流系統(tǒng)不能再增加所供給的功率,直流系統(tǒng)的功率將出現(xiàn)缺額,從而引起直流電壓的下降。
在本工程中,最有可能發(fā)生的是因直流電壓下降引起的電壓控制權(quán)轉(zhuǎn)移。例如,假定定海換流站向直流系統(tǒng)注入功率,其他4個換流站從直流系統(tǒng)汲取功率。若定海換流站退出運行,直流電壓會下降,則超過直流電壓死區(qū)值后岱山換流站會接管電壓控制權(quán),從而維持直流電壓的穩(wěn)定。若任一汲取功率的換流站退出運行或功率定值減小,則定海換流站會自動減少功率以維持直流電壓的穩(wěn)定。
在運行過程中,換流站的功率出力都要受換流器容量、過負(fù)荷水平等因素的限制,因此有些情況下有可能通過多次電壓控制權(quán)的轉(zhuǎn)移才能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。例如在岱山 300 MW、衢山 100 MW、泗礁100 MW、洋山100 MW四端系統(tǒng)運行時,如果岱山站退出運行,由于其他換流站的容量較小,發(fā)生一級電壓控制權(quán)的轉(zhuǎn)移后系統(tǒng)仍不能保持功率平衡,當(dāng)發(fā)生第二級電壓控制權(quán)轉(zhuǎn)移后系統(tǒng)才能穩(wěn)定。
若所連接的交流系統(tǒng)為無源系統(tǒng)或交流系統(tǒng)很弱,例如洋山島失去與舟山本島、岱山島的交流線路聯(lián)系,則該換流站應(yīng)進(jìn)入頻率控制,以滿足向無源系統(tǒng)送電的要求。
以上分析了本工程有功類控制目標(biāo)的選取。對于電壓源型換流器而言,還具備無功類目標(biāo)的控制,如與系統(tǒng)交換的無功、交流電壓。各換流站可以根據(jù)需要選擇無功或交流電壓作為控制目標(biāo)。
換流站級控制策略執(zhí)行系統(tǒng)級控制策略產(chǎn)生的有功類和無功類指令,并產(chǎn)生換流器級控制的指令,如調(diào)制電壓。本工程推薦采用基于dq變換的直接電流控制策略,該控制策略在柔性直流工程以及電壓源換流器控制中得到廣泛應(yīng)用?;赿q變換的直接電流控制實現(xiàn)了有功類控制目標(biāo)與無功類控制目標(biāo)的解耦,其d軸控制器以有功類指令為控制目標(biāo),q軸控制器以無功類指令為控制目標(biāo),d軸與q軸的矢量和為最終輸出指令。d軸和q軸控制器均采用外環(huán)控制器與內(nèi)環(huán)控制器嵌套的結(jié)構(gòu)。換流站級控制還應(yīng)具備抑制橋臂環(huán)流的能力。
聯(lián)接變壓器分接頭的控制策略為控制換流器的調(diào)制比,使調(diào)制比位于死區(qū)范圍內(nèi)。當(dāng)調(diào)制比超過上限值時調(diào)低聯(lián)接變閥側(cè)電壓,低于下限值時調(diào)高聯(lián)接變閥側(cè)電壓。圖7為換流站級控制策略示意圖。
圖7 換流站級控制策略Fig.7 Control strategy of converter station level
換流器級控制策略執(zhí)行換流站級控制系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓調(diào)制波形,產(chǎn)生換流器橋臂子模塊導(dǎo)通及關(guān)斷的指令。采用最近電平控制(nearest level control,NLC)可以根據(jù)電壓調(diào)制波形產(chǎn)生相應(yīng)的子模塊開通數(shù)量。換流器級控制中,應(yīng)使各子模塊的開關(guān)頻率盡可能低,從而降低損耗,同時應(yīng)采取合適的策略確保同一橋臂的各子模塊電容電壓相對均衡,減小相間環(huán)流。
直流保護(hù)的范圍為聯(lián)接變閥側(cè)至直流電纜區(qū)域,直流保護(hù)配置如圖8所示。換流閥器件級的保護(hù),如IGBT過流保護(hù)、子模塊過壓保護(hù)等由閥控承擔(dān)。直流保護(hù)動作后應(yīng)閉鎖換流器,跳開交流進(jìn)線開關(guān),打開直流側(cè)隔刀,退出包括聯(lián)接變在內(nèi)的所有直流設(shè)備。
圖8 換流站保護(hù)配置Fig.8 Protection configuration of converter station
舟山柔性直流工程采用半控型模塊化多電平換流器技術(shù),可顯著降低直流工程損耗。舟山五端柔性直流工程直流電壓等級為±200 kV,換流器總?cè)萘繛? 000 MW,采用直流電纜互聯(lián),工程建成后將進(jìn)一步改善舟山群島的電網(wǎng)結(jié)構(gòu),提高電網(wǎng)供電的可靠性。
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