彭小俊 郝寶泉 張海濤 劉寶誠

（1.貴州電力試驗研究院，貴州 550000；2.榮信電力電子股份有限公司，北京 100084）

貴州電網(wǎng)公司科技項目“配電網(wǎng)柔性直流輸電的研究與應(yīng)用”，作為我國首個配電網(wǎng)柔性直流輸電項目，通過研究柔性直流輸電系統(tǒng)的換流站閥體設(shè)計和選擇，控制和保護策略，傳輸效率等關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)配電網(wǎng)柔性直流輸電系統(tǒng)成套設(shè)備，在貴州省銅仁市玉屏縣大龍鎮(zhèn)建設(shè)可長期運行的配電網(wǎng)柔性直流輸電示范工程，開展較長周期的運行系統(tǒng)集成及運行維護關(guān)鍵技術(shù)的研究。同時研究柔性直流輸電系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和主要工程參數(shù)設(shè)計方法。設(shè)備額定電壓為±10kV，輸送容量為雙極4MVA，單極2MVA。為柔性直流輸電技術(shù)未來在我國高壓輸電網(wǎng)絡(luò)、配電網(wǎng)絡(luò)、孤島 并網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)，并積累了工程經(jīng)驗。

本文首先詳細(xì)說明了項目的系統(tǒng)設(shè)計、一次電氣設(shè)計、主要設(shè)備、控制保護系統(tǒng)設(shè)計。為類似項目的設(shè)計提供了參照。最后闡述了項目的試驗項目及試驗方法，并展示了部分試驗的試驗結(jié)果及波形，證明了設(shè)備的各項功能滿足設(shè)計要求。

1 項目設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

本項目柔性直流輸電系統(tǒng)交流輸入為10kV，直流電壓輸出為±10kV；逆變站直流輸入為±10kV，交流輸出10kV，雙極運行模式額定容量4MVA，單極 運行模式2MVA，為負(fù)荷供電。整套輸電設(shè)備可以作為兩套容量均為2MVA 的獨立單極直流輸電設(shè)備，輸電距離約3 公里。交流10kV 出線通過整流變壓器接到12 個整流功率單元模塊，12 個模塊串聯(lián)得到10kV 的直流電壓，通過3km 直流電纜連接到逆變站的逆變功率單元，通過變壓器變換成為10kV 的交流電連接到10kV 交流電網(wǎng)。系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 貴州柔直輸電項目系統(tǒng)原理圖

該方案具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、開關(guān)頻率低、損耗小等特點，是一種非常適合城郊結(jié)合區(qū)域輸電的方案。

1.2 一次電氣設(shè)計

整套系統(tǒng)具備帶電維護檢修功能，正常運行模式為雙極運行，故障時自動轉(zhuǎn)入單極運行，無需停電即可進行故障維護，維護完畢后可由單極運行再轉(zhuǎn)入雙極運行，大幅提高了可靠性和有效性。

1.3 主要設(shè)備

1）整流功率單元

整流站的主體與核心部分是整流功率單元。其交流側(cè)與變壓器連接，接收變壓器供給功率單元的能量，具有相同結(jié)構(gòu)和功能的多個整流功率單元串聯(lián)形成直流電源，通過輸電電纜將電能輸送至逆變站。

整流功率單元為三相全橋IGBT 整流，具有輸入電流、直流電壓檢測以及溫度開關(guān)檢測功能，整流功率單元控制板檢測這些信號后，反饋給主控系統(tǒng)，同時具備熔絲保護、過壓、欠壓、超溫、過流保護等[1-5]。

2）逆變功率單元

逆變功率單元是逆變站的主體與核心部分。由相同結(jié)構(gòu)和功能的多個逆變功率串聯(lián)形成一個整體直流側(cè)，與整流站的直流側(cè)經(jīng)輸電纜相連，接收傳輸而來的電能。逆變功率單元將直流電壓逆變?yōu)?0Hz 的正弦交流電壓，其交流側(cè)經(jīng)變壓器繞組并聯(lián)，為負(fù)荷供電。

逆變功率單元為三相全橋IGBT 逆變，具有輸出電流、直流電壓檢測以及溫度開關(guān)檢測功能，逆變功率單元控制板檢測這些信號后，反饋給主控系統(tǒng)，同時具備熔絲保護、過壓、欠壓、超溫、過流保護以及IGBT 驅(qū)動短路保護等[5-9]。

3）變壓器

整流站采用全控整流方式，整流變壓器是整流站的主要電氣設(shè)備，逆變變壓器是逆變站的主要電氣設(shè)備，采用干式，多繞組隔離設(shè)計方案，起到電壓變換及電氣隔離作用[10-11]。

表1 變壓器基本參數(shù)

4）直流限流電抗器

直流限流電抗器裝設(shè)在整流站直流側(cè)出口，及逆變站直流側(cè)入口。主要作用是在直流側(cè)發(fā)生短路故障時，限制短路電流的急劇上升，以保護直流輸電設(shè)備。同時，整流站直流側(cè)出口，及逆變站直流側(cè)入口，分別還裝配了直流熔斷器，作用是在直流側(cè)發(fā)生短路故障時，快速熔斷，隔離故障點，保護直流輸電設(shè)備[12]。

1.4 控制保護系統(tǒng)設(shè)計

1）控制系統(tǒng)

輕型直流輸電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其實際運行性能極大地依賴于它的控制系統(tǒng)。合理的控制體系能提高工程的可用性及可靠性等指標(biāo)。類似于傳統(tǒng)直流輸電控制系統(tǒng)，為了把由控制系統(tǒng)故障引起的直流系統(tǒng)不可用率降到最小，輕型直流控制系統(tǒng)也通常采用多重化和分層結(jié)構(gòu)[13-15]。整個控制系統(tǒng)由系統(tǒng)級控制、換流器級控制、觸發(fā)級控制組成。這種分層設(shè)計增強了系統(tǒng)的靈活性。

2）保護系統(tǒng)

系統(tǒng)中任一保護動作后，人機界面上都會準(zhǔn)確顯示故障類型、位置等，故障的有關(guān)詳細(xì)信息，用戶可以通過故障信息及相應(yīng)處理說明，對故障進行簡單處理，以便整個系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常運行。所有保護裝置均為微機型保護，并可通過通信接口與輕型直流監(jiān)控系統(tǒng)進行信息交換。保護用的繼電器和設(shè)備與輕型直流控制設(shè)備和接口分開安裝。保護裝置符合輕型直流設(shè)備安全可靠運行的要求，滿足可靠性、選擇性、靈活性和速動性的要求，保護定值和延時的選擇與上級保護配合，防止越級動作[10]。保護系統(tǒng)設(shè)有主保護和后備保護。保護系統(tǒng)能夠接受從CT、PT 或由乙方提供的輕型直流設(shè)備單元傳送的輸入信號。

保護系統(tǒng)主要包括如下幾部分：控制系統(tǒng)保護（UPS 故障保護、輸入信號異常保護、電源故障保護、硬件故障保護、子系統(tǒng)故障保護、擊穿保護、過流保護、丟脈沖保護及通訊故障保護等）；閥組保護（過壓保護、低壓保護、丟脈沖保護、閥元件故障保護等）；冷卻系統(tǒng)保護。

2 出廠試驗

2.1 變壓器、功率單元耐壓試驗

表2 測試內(nèi)容

2.2 控制器故障保護測試

試驗的目的是，保證系統(tǒng)的保護功能正常，在設(shè)備發(fā)生故障時系統(tǒng)可以及時動作，保證設(shè)備的安全。

2.3 空載試驗

為確保各個功率單元工作正常，每臺集裝箱單獨調(diào)試，設(shè)備直流側(cè)的直流刀閘保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，在人機界面上設(shè)置單元直流側(cè)電壓給定值，觀察單元直流側(cè)電壓、電流是否在正常的范圍。

2.4 無功試驗

確保各個單元在無功模式下可以正常工作，以便對系統(tǒng)進行無功補償。在設(shè)備空載試驗完成的基礎(chǔ)上，設(shè)備直流側(cè)的直流刀閘仍保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，通過人機界面設(shè)置直流側(cè)電壓和無功值的大小及方向，實現(xiàn)系統(tǒng)對電網(wǎng)的感性或容性無功補償。

圖2 裝置輸出的無功電流

從圖2中兩個照片可以看出，當(dāng)無功電流給定較小時，電流的開關(guān)紋波較大，但當(dāng)電流發(fā)至0.8pu時，由于開關(guān)波紋電流幅值不變，因此相對于基波值，隨著無功電流的增加，紋波電流所占比例逐漸減小，電流正弦度也逐漸變好。同時對0.6 倍容性無功輸出時電流波形進行諧波分析，結(jié)果見圖3，其諧波主要是開關(guān)紋波3.5kHz，其有效值大小約為6A。

圖3 0.6 倍容性無功輸出

不難看出，逆變單元電流波形中無紋波，這是因為其開關(guān)紋波被交流濾波電容吸收。波形如圖4所示。

2.5 有功穿越試驗

設(shè)備空載及無功試驗完成基礎(chǔ)上，將整流和逆變兩套設(shè)備的直流側(cè)的刀閘閉合，通過在逆變站觸摸屏上設(shè)置有功給定值大小及方向，實現(xiàn)整流站與逆變站之間的有功傳遞（能量可逆），實現(xiàn)系統(tǒng)的直流輸電功能。此時關(guān)心的是電能成功送到逆變側(cè)后，逆變側(cè)的電流波形及逆變側(cè)的電網(wǎng)電流波形。如圖5和圖6所示，不同無功輸送容量下的逆變側(cè)、及電網(wǎng)側(cè)電流波形。

圖4 逆變單元的電流

2.6 老化試驗

老化試驗的目的是，保證系統(tǒng)運行可靠，主要部件溫升在設(shè)計值以內(nèi)。四套集裝箱的交流側(cè)并聯(lián)到同一電網(wǎng)，直流側(cè)刀閘全部閉合，逆變站有功給定為0.95，整流站運行于滿載狀態(tài)，設(shè)備無故障運行24h，每隔1h 測試主要部件溫度。

圖5 逆變站單元電流波形

圖6 網(wǎng)側(cè)電流（滿載）

試驗環(huán)境溫度為15°C，變壓器穩(wěn)態(tài)最高溫度為60°C，溫升為45°C。單元溫升為20°C，變壓器與單元溫升均符合設(shè)計要求[16-20]。

3 項目管理

整個工程由貴州電力科學(xué)研究院負(fù)責(zé)管理，多個企業(yè)及設(shè)計院共同參與，包括工程設(shè)計，設(shè)備制造，現(xiàn)場土建等部分。為按時高質(zhì)量完成項目，此項目制定了嚴(yán)格的管理制度，把整個工程分成幾個重要的階段并設(shè)定了時間節(jié)點，包括：初步設(shè)計、初設(shè)評審、詳細(xì)設(shè)計、最終設(shè)計確認(rèn)、采購、設(shè)備組裝、現(xiàn)場土建、主要設(shè)備出廠試驗見證、包裝運輸、現(xiàn)場安裝調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、設(shè)備試運行。同時對各主要設(shè)備供應(yīng)商有詳細(xì)的嚴(yán)格的管理手段，這也是整個工程質(zhì)量控制的一個重要部分。質(zhì)量計劃中不止規(guī)定了設(shè)備及整個工程的質(zhì)量控制計劃，還包括了現(xiàn)場施工安全監(jiān)管，環(huán)境保護，人員健康等等細(xì)節(jié)。所有參與工程的各方嚴(yán)格遵照項目的管理條例，按部就班的完成所應(yīng)承擔(dān)的任務(wù)[21-22]。目前項目主要設(shè)備已經(jīng)完成出廠試驗，現(xiàn)場土建工作也都按項目計劃順利的進行中。

4 結(jié)論

1）介紹了建造此示范工程的目的、項目基本情況及項目背景。

2）較詳細(xì)的闡述了項目的設(shè)計，包括電氣設(shè)計、工程設(shè)計、設(shè)備的結(jié)構(gòu)電氣設(shè)計、控制保護系統(tǒng)設(shè)計及工程的主要設(shè)備。

3）較詳細(xì)描述了設(shè)備的出場試驗，包括試驗項目、試驗手段、試驗結(jié)果等。由出廠試驗結(jié)果可以看出，設(shè)備完全滿足設(shè)計要求，各項功能及考核結(jié)果都滿足標(biāo)準(zhǔn)。

4）簡單介紹了項目的管理手段，及執(zhí)行情況。

5）從調(diào)試和試驗結(jié)果看出，示范工程達(dá)到了預(yù)期的目的，為柔直技術(shù)在電網(wǎng)中的大規(guī)模應(yīng)用積累了工程經(jīng)驗，提供了技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

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