毛航銀，劉 黎 ，鄒國平，徐 政

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江大學，杭州 310012）

0 引言

多端柔性直流輸電系統(tǒng)是指在同一直流網(wǎng)架下，含有2個以上VSC（電壓源換流器）換流站的柔性直流輸電系統(tǒng)[1-2]，其最顯著的特點是能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點受電。作為一種更為靈活、快捷的輸電方式，多端柔性直流輸電在風電等新能源并網(wǎng)、構(gòu)筑城市直流配電網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景[3-5]。

多端柔性直流輸電在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下只需保證單站接地即可實現(xiàn)全部換流站正常運行，但在單站STATCOM（靜止無功補償器）方式和從該站黑啟動時則需要保證該站有接地點，同時，接地點還將影響變壓器等設(shè)備的制造難度和交流網(wǎng)側(cè)的絕緣水平等，因此在滿足多端柔性直流輸電的運行方式情況下，可以考慮優(yōu)化接地點配置。

舟山多端柔性直流輸電工程接入舟山電網(wǎng)的基本系統(tǒng)參數(shù)為：直流電壓±200 kV，五端換流站分別位于舟山本島（400 MW，220 kV）、岱山島（300 MW，220 kV）、衢山島（100 MW，110 kV）、泗礁島（100 MW，110 kV）和洋山島（100 MW，110 kV）。

本研究對柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的4種接地方式進行網(wǎng)側(cè)絕緣影響、站內(nèi)過電壓/過電流水平、電網(wǎng)側(cè)電壓暫降影響等方面進行研究分析，并根據(jù)舟山電網(wǎng)的實際情況給出了舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)的推薦接地方案。研究采用數(shù)字仿真手段，計算工具為電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC 4.2.1。

1 接地方式

根據(jù)舟山電網(wǎng)的實際情況，舟山五端換流站可以有4種接地方式。

1.1 阻抗接地

聯(lián)結(jié)變壓器采用單臺Y/Δ結(jié)構(gòu)，變壓器閥側(cè)中性點采用阻抗接地方式，變壓器網(wǎng)側(cè)直接接地，接線示意見圖1。

1.2 直流側(cè)電阻接地

圖1 交流側(cè)阻抗接地方式（方式a）

聯(lián)結(jié)變壓器采用單臺Y/Δ結(jié)構(gòu)，直流線路側(cè)采用鉗位電阻接地方式，變壓器網(wǎng)側(cè)直接接地，接線示意見圖2。

圖2 直流側(cè)箝位電阻接地方式（方式b）

1.3 變壓器中性點接地

聯(lián)結(jié)變壓器采用單臺Δ/Y結(jié)構(gòu)，變壓器閥側(cè)中性點采用電阻接地方式或直接接地方式，接線示意見圖3。

圖3 變壓器中性點接地方式（方式c）

1.4 不接地

聯(lián)結(jié)變壓器采用單臺Y/Δ結(jié)構(gòu)，換流站內(nèi)不接地，接線示意見圖4。

圖4 不接地方式（方式d）

2 網(wǎng)側(cè)絕緣影響分析

2.1 換流站接入110 kV及以上電網(wǎng)

電壓等級為110 kV及以上時，變壓器接線為Y形中性點直接接地方式，110 kV以下變壓器接線為Δ形不接地方式。方式a，b，d的聯(lián)結(jié)變壓器網(wǎng)側(cè)均為Y形直接接地方式。因此，a，b，d接地方式應(yīng)用在110 kV及以上電壓等級時，其系統(tǒng)過電壓及絕緣配置與傳統(tǒng)交流類似。

方式c中聯(lián)結(jié)變壓器網(wǎng)側(cè)為Δ形結(jié)構(gòu)。因此，c接地方式應(yīng)用在110 kV及以上電壓等級時，對電網(wǎng)的設(shè)備及絕緣水平會產(chǎn)生影響。特別是c方式下發(fā)生網(wǎng)側(cè)單相接地故障時，系統(tǒng)側(cè)接地點可以鉗制電壓抬升，但因保護動作不一致等原因，形成聯(lián)結(jié)變壓器帶空載線路時，非故障相的電壓可能會抬升至1.7倍正常運行電壓，即線電壓。由于110 kV或220 kV系統(tǒng)按有效接地系統(tǒng)設(shè)計，電壓抬升會帶來以下問題：

（1）盡管抬升電壓未超過設(shè)備的1 min耐壓水平，但該電壓下承受時間有限，同時為避免出現(xiàn)弧光過電壓，需要及時切除線路。

（2）常規(guī)TV的飽和電壓較低，抬升電壓容易導(dǎo)致TV飽和，從而帶來諧振過電壓、TV電流過大的問題，故建議選用飽和電壓較高的TV或采用CVT。

（3）一般110 kV或220 kV系統(tǒng)線路避雷器額定電壓均不超過線電壓，電壓抬升必然導(dǎo)致避雷器動作，長時間工頻過電壓動作容易導(dǎo)致避雷器損壞，需要及時切除線路和重新配置避雷器。

（4）為避免出現(xiàn)空載線路狀態(tài)，應(yīng)保證換流站保護先動作、網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)后動作，同時由于換流站側(cè)故障電流相對較小，保護及時動作需要重新設(shè)定，并應(yīng)完善保護機制。

2.2 換流站接入110 kV以下電網(wǎng)

根據(jù)電網(wǎng)現(xiàn)狀，方式a，b，d若應(yīng)用在110 kV以下電網(wǎng)中，容易造成電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路時需要立刻跳閘的情況，使電網(wǎng)可靠性降低。方式c接地方式應(yīng)用在110 kV以下電網(wǎng)中則不會對電網(wǎng)造成影響。

3 站內(nèi)過電壓及短路電流影響分析

3.1 仿真說明

仿真采用五端柔性直流輸電接入舟山電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真模型。

針對2種最嚴重的故障，即直流線路（靠近平波電抗器側(cè)）對地短路和直流線路雙極短路故障進行計算分析。

3.2 故障過電壓及短路電流監(jiān)測點設(shè)置

（1）監(jiān)測點1：聯(lián)結(jié)變壓器閥側(cè)電壓（二次側(cè)）；

（2）監(jiān)測點2：直流極線對地電壓（平波電抗器的線路側(cè)）；

（3）監(jiān)測點3：直流母線對地電壓（閥頂或平波電抗器的閥側(cè)）；

（4）監(jiān)測點4：平波電抗器兩端電壓；

（5）監(jiān)測點5：橋臂電抗兩端電壓；

（6）監(jiān)測點6：接地電阻電壓；

（7）監(jiān)測點7：聯(lián)結(jié)變壓器閥側(cè)電流；

（8）監(jiān)測點8：直流側(cè)電流。

3.3 仿真計算

仿真建立標幺值系統(tǒng)如表1所示，仿真結(jié)果如表2、表3所示。

表1 基準值取值

表2 對地短路故障的仿真結(jié)果

3.4 計算結(jié)果分析

根據(jù)仿真結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）方式 a，b，c，d的過電壓及短路電流水平相當。

（2）方式b直流側(cè)接地電阻的過電壓水平較高，達到2.934倍標幺值。

（3）方式c接地電阻過電壓為1.414倍標幺值，變壓器中性點絕緣水平較高，這對變壓器提出較高要求，當變壓器整體容量較大時，設(shè)計制造相對困難。

表3 雙極短路故障的仿真結(jié)果

4 電網(wǎng)側(cè)電壓暫降影響分析

多端柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)生直流線路故障時，MMC換流站會立即閉鎖，并在0.1 s后跳開所有換流站網(wǎng)側(cè)交流開關(guān)，使多端直流系統(tǒng)退出運行。方式a與其他3種方式不同，電抗器正常運行時需要從換流站吸收大量的無功功率，換流站閉鎖后將無法繼續(xù)提供無功補償。以接地電抗取值3H、站內(nèi)交流電壓208 kV為例，消耗無功達45.9 Mvar。因此方式a下，接地裝置的無功負荷在交流開關(guān)跳開前將由交流系統(tǒng)承擔，對于弱交流聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將會導(dǎo)致較大的電壓暫降。

舟山多端柔性直流輸電工程的5個換流站若采用方式a接地，發(fā)生閉鎖后的換流站交流母線最大壓降如表4所示。

表4 采用方式a時換流站閉鎖情況下的交流電網(wǎng)電壓暫降情況

從表4可以看出，由于定海、岱山電網(wǎng)較強，電壓暫降相對較?。?%以內(nèi)），而衢山、泗礁、洋山電網(wǎng)較弱，電壓暫降則較大（最大達19%）。因此，對于較強的電網(wǎng)，采用方式a在故障情況下對電網(wǎng)影響不大，但是對于較弱電網(wǎng)，方式a在故障情況下會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。

5 結(jié)論

根據(jù)舟山多端柔性直流輸電工程實際情況，推薦采用以下接地方案：

（1）定海、岱山站是直流系統(tǒng)的主要功率源和聯(lián)絡(luò)站，運行時間長，可采用方式a，即交流閥側(cè)阻抗接地方式。這種方式能夠提供穩(wěn)定可靠的中性點接地，且對變壓器沒有影響，電壓暫降在可承受范圍內(nèi)。

（2）泗礁、衢山站不考慮從這兩站啟動或者SVG的運行方式，且電壓暫降影響較大，可以采用方式d，即不接地的方式，在運行過程中可以由其他換流站提供接地點。

（3）洋山站與對側(cè)110 kV沈家灣站距離較近，且沈家灣站110 kV直接接地，故障情況下能夠鉗制電壓，而洋山站在運行中需考慮黑啟動方式，且電壓暫降影響大，故考慮采用方式b或方式c，即直流側(cè)大電阻接地方式和閥側(cè)變壓器中性點電阻接地方式。采用方式b時，考慮到長期運行情況下電阻的絕緣等級和損耗較大，可以在穩(wěn)定運行后將電阻退出運行，洋山站的接地點由其他換流站提供；采用方式c時，變壓器中性點絕緣等級較高，且需承受直流偏磁影響，在工程實際中也沒有退出電阻的成熟開關(guān)設(shè)備，故推薦采用方式c。

[1]徐政.柔性直流輸電系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2]湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]王偉，安森.柔性高壓直流輸電綜述[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2011，7（3）:235-238.

[4]李庚銀，呂鵬飛，李廣凱.輕型高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與展望[J].電力系統(tǒng)及其自動化，2003，27（4）:77-80.

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