陳 東, 樂 波, 梅 念, 吳延坤， 余世峰

(國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司, 北京市 102209)

0 引言

基于模塊化多電平換流器(modular multi-level converter,MMC)的柔性直流系統(tǒng)由于諧波畸變小且開關(guān)損耗低,是高電壓大容量直流輸電的重要發(fā)展方向[1-2]。目前,世界范圍內(nèi)基于MMC的柔性直流工程發(fā)展迅猛,中國已有5項(xiàng)MMC工程投運(yùn),同時(shí)還有多項(xiàng)高壓乃至特高壓MMC工程處于規(guī)劃之中,并可能成為中國未來大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的重要手段[3-4]。

與交流輸變電工程不同,柔性直流工程需要根據(jù)送受端交流系統(tǒng)條件、輸電距離、投資和占地等條件開展定制化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前,工程界和學(xué)術(shù)界在柔性直流工程的主接線、暫態(tài)電流、暫態(tài)過電壓和絕緣配合等方面進(jìn)行了有益的探索。其中,文獻(xiàn)[5-6]對(duì)±200 kV、單站最大容量400 MW的舟山多端柔性直流工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹,為后續(xù)高壓大容量柔性直流工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。在暫態(tài)電流研究方面,文獻(xiàn)[7]提出了在換流器出口處裝設(shè)基于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的可投切電阻,從而限制暫態(tài)電流。但是,該方案僅對(duì)于雙極短路故障有效,且由于引入IGBT帶來投資高、損耗大的問題。文獻(xiàn)[8]提出在換流閥網(wǎng)側(cè)裝設(shè)雙向晶閘管和基于交流斷路器的可投切電抗相配合的限流裝置。但是,該方案僅能解決換流器閉鎖后直流電流衰減過慢的問題,在換流器閉鎖前難以發(fā)揮限流作用。文獻(xiàn)[9]提出了在換流器內(nèi)部裝設(shè)基于IGBT的可投切電阻,從而限制暫態(tài)電流和增強(qiáng)阻尼的作用。該方案可在各種故障下有效地保護(hù)IGBT閥,已用于工程實(shí)踐。但是,對(duì)于高壓大容量柔性直流工程,阻尼電阻釋放的能量較大,是否會(huì)影響IGBT閥有待進(jìn)一步驗(yàn)證。在絕緣配合和暫態(tài)過電壓研究方面,文獻(xiàn)[10]對(duì)采用對(duì)稱單極接線柔性直流工程的絕緣配合方案進(jìn)行了研究,但是對(duì)于雙極接線的柔性直流工程的絕緣配合方案有待進(jìn)一步探索。

±320 kV/1 000 MW廈門柔性直流輸電工程(以下簡稱廈門工程)是世界范圍內(nèi)第一個(gè)采用雙極接線的柔性直流工程,也是額定直流電壓和輸送容量均達(dá)到世界之最的柔性直流工程[11]。與以往對(duì)稱單極柔性直流工程相比,首次采用的雙極接線和大傳輸容量對(duì)工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的要求。本文以廈門工程為背景,對(duì)雙極高壓大容量柔性直流工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開研究,包括主接線及運(yùn)行方式、主回路參數(shù)計(jì)算、暫態(tài)電流計(jì)算以及暫態(tài)過電壓計(jì)算等,并與采用對(duì)稱單極接線的柔性直流系統(tǒng)進(jìn)行了深入對(duì)比分析。本文所做工作對(duì)張北柔性直流電網(wǎng)工程及后續(xù)高壓大容量柔性直流工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。

1 主接線及運(yùn)行方式

采用對(duì)稱單級(jí)接線的柔性直流工程,由于無需設(shè)置大地或金屬回線,且在正常運(yùn)行時(shí)變壓器閥側(cè)無直流電壓偏置等優(yōu)點(diǎn),在低壓小容量柔性直流工程中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

當(dāng)高壓大容量柔性直流工程采用對(duì)稱單極接線時(shí),存在如下問題:①與同容量雙極柔性系統(tǒng)相比,可靠性較低;②換流單元采用三臺(tái)單相雙繞組變壓器,導(dǎo)致變壓器容量大,運(yùn)輸困難;③換流站設(shè)備的絕緣水平要求較高。鑒于此,世界上絕大多數(shù)線路電網(wǎng)換相換流器(line commuted converter,LCC)直流工程均采用雙極接線。當(dāng)雙極接線應(yīng)用于柔性直流工程,示意圖如圖1所示。

圖1 雙極柔性直流換流站接線示意圖Fig.1 Wiring diagram of a converter station with bipolar connection

考慮到上述因素,廈門工程采用雙極帶金屬回線的主接線。此時(shí)需考慮如下問題:①正常運(yùn)行時(shí),變壓器閥側(cè)交流設(shè)備承受直流偏置電壓;②需要設(shè)置接地極或者金屬回線。對(duì)于接地極,存在極址選擇困難問題;對(duì)于金屬回線,需要考慮長輸電距離的經(jīng)濟(jì)性問題。

由于采用雙極接線,廈門工程存在以下3種運(yùn)行方式。

方式1:雙極帶金屬回線單端接地運(yùn)行(見附錄A圖A1)。其中,接地點(diǎn)僅起鉗制電位的作用,不提供直流電流通路。雙極不平衡電流通過金屬回線返回。

方式2:單極帶金屬回線單端接地運(yùn)行(見附錄A圖A2)。接地點(diǎn)的作用同方式1,且單極極線電流通過金屬回線返回。

方式3:雙極不帶金屬回線雙端接地運(yùn)行(見附錄A圖A3)。雙極不平衡電流通過大地回路返回。該方式為運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的臨時(shí)方式,且必須保證直流系統(tǒng)處于雙極對(duì)稱狀態(tài)。

運(yùn)行方式的切換包括單雙極的切換以及金屬回線的投退。為此,在兩換流站的雙極中性母線上分別設(shè)置中性母線開關(guān)(neutral bus switch,NBS),并在常用送端換流站設(shè)置中性母線接地開關(guān)(neutral bus grounding switch,NBGS)和大地回線轉(zhuǎn)換開關(guān)(ground return transfer switch,GRTS)。

2 主回路參數(shù)計(jì)算

2.1 主設(shè)備參數(shù)計(jì)算

與小容量柔性直流工程相比,高壓大容量柔性直流工程中可供選擇的可關(guān)斷器件有限。這樣,可關(guān)斷器件的過電壓、過電流裕度極小。此時(shí),需要精確核算可關(guān)斷器件的電壓選型、電流選型以及子模塊電容器的容值等,具體選型和參數(shù)計(jì)算方法如下。

1)可關(guān)斷器件的電壓選型。估算子模塊的平均工作電壓,考慮紋波峰值電壓、系統(tǒng)故障子模塊兩端過電壓、擊穿二極管(breakover diode,BOD)過電壓閾值、單體子模塊旁路過電壓的配合關(guān)系之后,校驗(yàn)IGBT元件的最高耐壓不超過器件的耐壓規(guī)格。

2)可關(guān)斷器件的電流選型,包括穩(wěn)態(tài)校核和暫態(tài)校核。穩(wěn)態(tài)校核過程為依次計(jì)算PQ運(yùn)行區(qū)間各邊界點(diǎn)下最苛刻的橋臂熱穩(wěn)定電流、各元件(包括IGBT、二極管及電容器)的熱穩(wěn)定電流,根據(jù)器件供貨商提供的電流有效值與開關(guān)頻率曲線,確定滿足要求的器件,并校核可關(guān)斷器件的損耗和結(jié)溫。暫態(tài)校核需要綜合考慮過負(fù)荷以及最苛刻故障類型及時(shí)刻,校驗(yàn)IGBT元件的耐流以及結(jié)溫是否滿足要求。

3)子模塊電容器的容值需要考慮子模塊電壓波動(dòng)范圍、換流器的響應(yīng)特性。

換流變壓器的主要參數(shù)包括短路阻抗、額定容量以及分接頭范圍等。由于與傳統(tǒng)高壓直流的原理不同,換流變壓器的主要參數(shù)考慮的因素不同,具體如下。

1)換流變壓器的短路阻抗需要考慮運(yùn)輸尺寸限制,結(jié)合橋臂電抗器的電感值考慮對(duì)PQ運(yùn)行區(qū)間的影響,以及考慮限制暫態(tài)電流等。

2)換流變壓器的額定容量需要根據(jù)流入(出)換流站的最大有功功率、最大無功功率,以及換流站的損耗綜合確定。

3)換流變壓器的分接頭范圍需要考慮交流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)最高、最低運(yùn)行電壓,交流系統(tǒng)對(duì)換流站的無功要求,以及直流端口的最高、最低電壓。

橋臂電抗器參數(shù)的確定需要考慮抑制二倍頻環(huán)流、電流響應(yīng)速度、限制暫態(tài)電流,以及對(duì)PQ運(yùn)行區(qū)間的影響,并通過動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的驗(yàn)證。

根據(jù)上述研究,廈門工程IGBT閥、換流變壓器以及橋臂電抗器的主要參數(shù)分別見附錄A表A1至表A3。

2.2 PQ運(yùn)行區(qū)間計(jì)算

PQ運(yùn)行區(qū)間的計(jì)算需要考慮換流變壓器容量的約束、調(diào)制比的穩(wěn)態(tài)范圍約束、直流電纜的通流限制、橋臂熱穩(wěn)定電流約束、交流母線電壓的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍以及直流端口電壓的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍。

定義有功功率的正方向?yàn)閺慕涣飨到y(tǒng)流向換流站,無功功率的正方向?yàn)閾Q流站消耗無功功率;定義有功功率、無功功率的結(jié)算點(diǎn)均位于換流站交流母線處。圖2和圖3分別為廈門工程中換流變壓器不配置分接頭有載調(diào)壓開關(guān)(OLTC)以及配置如附錄A表A2所示的分接頭參數(shù)時(shí),兩換流站的PQ運(yùn)行區(qū)間。顯然,通過配置分接頭,換流站的PQ運(yùn)行范圍顯著增大。

圖2 無OLTC時(shí)兩換流站PQ運(yùn)行區(qū)間Fig.2 PQ diagram for both converter stations without OLTC

3 暫態(tài)電流計(jì)算

由于采用雙極接線的柔性直流工程直流側(cè)有零電位參考點(diǎn),與對(duì)稱單極接線相比各故障下的暫態(tài)電流的表現(xiàn)特征不同。換流站內(nèi)考慮的典型故障位置以及故障類型見表1。

圖3 配置OLTC后兩換流站PQ運(yùn)行區(qū)間Fig.3 PQ diagram for both converter stations with OLTC

編號(hào)位置類型編號(hào)位置類型 F1-1F1-2F1-11F1-3F2-1F2-2F2-11F2-3F3-1F3-2F3-11F3-3換流變網(wǎng)側(cè)換流變閥側(cè)上橋臂電抗閥側(cè)單相接地兩相短路兩相接地三相短路單相接地兩相短路兩相接地三相短路單相接地兩相短路兩相接地三相短路F4-1F4-2F4-11F4-3F5-1F5-2F6-1F6-2F7F8F9下橋臂電抗閥側(cè)直流電抗閥側(cè)直流電抗線側(cè)中性母線金屬回線金屬回線單相接地 兩相短路兩相接地 三相短路 單極接地 雙極短路 單極接地 雙極短路 閥側(cè)接地 出口接地中點(diǎn)接地

當(dāng)表1內(nèi)故障發(fā)生時(shí),采用對(duì)稱單極接線以及雙極接線時(shí),暫態(tài)電流的對(duì)比見表2。下文針對(duì)雙極接線時(shí),暫態(tài)電流特征與對(duì)稱單極不同的故障進(jìn)行說明。

表2 兩種接線方式下各故障下的暫態(tài)電流比較Table 2 Comparison of transient current with two types of wiring methods under various faults

3.1 換流變壓器閥側(cè)單相接地故障(F2-1,F3-1,F4-1)

故障F2-1和F3-1發(fā)生后,本站換流單元健全相和對(duì)站換流單元向本站換流單元故障相放電。在最苛刻的故障時(shí)刻下,故障電流發(fā)展速度僅次于換流閥交直流側(cè)端口的直接短路。

故障F4-1和故障F3-2,F3-11,F3-3,F4-2,F4-11,F3-3的發(fā)展機(jī)理類似,均為換流閥交直流側(cè)端口的直接短路。該類故障發(fā)生后,橋臂電流上升極快,依靠可關(guān)斷器件自身的保護(hù)實(shí)現(xiàn)有效的防衛(wèi)。

為了應(yīng)對(duì)上述故障,均可通過橋臂電抗器戶內(nèi)布置以減小此類故障發(fā)生的概率或加裝中性線阻抗延緩故障電流上升速度。

3.2 直流側(cè)單極接地故障(F5-1和F6-1)

在對(duì)稱單極接線中,不管采用交流側(cè)接地方式還是直流側(cè)接地方式,直流側(cè)接地阻抗均較大,通常暫態(tài)電流上升率較小。

與對(duì)稱單極接線不同的是,雙極接線的柔性直流工程中直流側(cè)的單極接地故障類似雙極短路故障?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于雙極短路故障進(jìn)行了充分闡述。但是,對(duì)于高壓大容量柔性直流工程,已有文獻(xiàn)對(duì)于橋臂暫態(tài)電流的估算裕度太大,導(dǎo)致現(xiàn)有的可關(guān)斷器件難以滿足工程要求[12-13]。

雙極短路故障發(fā)生后,工程中僅閥控過流保護(hù)來得及動(dòng)作。從實(shí)際橋臂電流達(dá)到保護(hù)啟動(dòng)值,中間經(jīng)過電流測(cè)量裝置的階躍延時(shí)和測(cè)量延時(shí)、閥控過流保護(hù)的判斷時(shí)間、閥控到子模塊的鏈路延時(shí),直到子模塊成功關(guān)斷的總延時(shí)(以下簡稱換流閥閉鎖總延時(shí))約為百微秒級(jí)。在這段時(shí)間內(nèi),子模塊電容迅速放電,IGBT在極短時(shí)間內(nèi)閉鎖。

故障發(fā)生后,橋臂暫態(tài)電流主要由三部分組成:①子模塊電容的放電電流。由于短路故障發(fā)生時(shí)直流極母線為低電壓,若IGBT管觸發(fā)則子模塊電容迅速放電;②由于故障發(fā)生到換流器閉鎖的時(shí)間較短,子模塊電容電壓跌落很小且控制系統(tǒng)來不及響應(yīng),從而使得換流變壓器閥側(cè)電流和橋臂電流的基波分量依然按照正弦規(guī)律變化;③橋臂電流的初值。由于橋臂電抗器的作用,故障發(fā)生時(shí)刻橋臂電流不能突變。

考慮這些因素,故障發(fā)生后橋臂電流iarm可表示為:

(1)

式中:Iac為故障發(fā)生前換流變壓器閥側(cè)電流的峰值;Idc0為橋臂電流直流分量的初值;Udc為換流器直流端口電壓;Larm為橋臂電抗器的電感值;t為從故障發(fā)生到換流器成功閉鎖的時(shí)間段;ω為網(wǎng)側(cè)交流電壓角頻率;α為網(wǎng)側(cè)交流電壓初相角。

根據(jù)式(1)可知,最苛刻故障的篩選需要考慮2個(gè)因素:①故障發(fā)生前換流器滿功率整流運(yùn)行且無功功率最大,使得穩(wěn)態(tài)時(shí)IGBT管具有最大的電流初值;②由于子模塊電容電壓基本不變,式(1)中的第2項(xiàng)和第3項(xiàng)基本不變,因此故障發(fā)生最苛刻的時(shí)刻為閥控過流保護(hù)啟動(dòng)后,交流電流的分量劇烈變化的時(shí)刻。

在實(shí)際工程中,需要計(jì)算故障發(fā)生后,在閥控過流保護(hù)的電流啟動(dòng)定值和總延時(shí)時(shí)間下,橋臂實(shí)際暫態(tài)電流不能超過IGBT可關(guān)斷的最大電流。以送端站出口發(fā)生接地故障為例,閥控過流保護(hù)的動(dòng)作定值取Iset=2.1 kA,換流閥閉鎖時(shí)的橋臂電流隨換流閥閉鎖總延時(shí)的變化如圖4所示?？梢?解析計(jì)算結(jié)果和電磁暫態(tài)仿真結(jié)果幾乎完全吻合。

圖4 單極接地故障不同保護(hù)動(dòng)作延時(shí)下?lián)Q流閥閉鎖電流Fig.4 Current blocked by the valve with different protection delay under monopolar grounding fault

4 暫態(tài)過電壓計(jì)算

類似地,由于采用雙極接線的柔性直流工程直流側(cè)有零電位參考點(diǎn),與對(duì)稱單極接線相比各故障下的暫態(tài)過電壓的表現(xiàn)特征不同。考慮表1所示故障,采用雙極接線時(shí),各故障下暫態(tài)過電壓發(fā)展速度比較見表3。可見,與采用對(duì)稱單極接線相比,柔性直流工程采用雙極接線有利于降低絕緣水平。

表3 兩種接線方式下各故障下的暫態(tài)過電壓比較Table 3 Comparison of transient overvoltage with two types of wiring methods under various faults

下文針對(duì)雙極接線時(shí),暫態(tài)過電壓特征與對(duì)稱單極不同的故障進(jìn)行說明。令直流極母線對(duì)地電壓為udc,直流母線端口電壓為udct,當(dāng)采用對(duì)稱單極或采用雙極接線時(shí),滿足如下關(guān)系:

(2)

忽略橋臂上的3次及以上諧波,其A相上、下橋臂電壓upa和una分別滿足[2]:

(3)

式中:udct為直流母線端口電壓;U1和Ucir分別橋臂電壓的正序基頻分量和負(fù)序二倍頻分量;α1和α2分別為橋臂電壓的正序基頻分量和負(fù)序二倍頻分量的初相角。

顯然,忽略式(3)等號(hào)右邊第3項(xiàng)則橋臂電壓的峰值maxupa=udct,即單個(gè)橋臂子模塊全部投入,以維持直流母線端口電壓?？紤]最苛刻的運(yùn)行工況,二倍頻分量對(duì)基波分量為助增作用,橋臂電壓的峰值大于換流單元直流母線端口電壓,即滿足:

maxupa=udct+Ucirsin(2ωt+α2)

(4)

基于上述原理,對(duì)故障下的暫態(tài)過電壓進(jìn)行如下分析。

1)換流變壓器閥側(cè)單相接地故障(F2-1,F3-1,F4-1)。故障發(fā)生時(shí),由于橋臂電容電壓不能突變從而保持maxupa。結(jié)合式(2)和式(4)可知采用雙極接線時(shí)暫態(tài)過電壓不如采用對(duì)稱單極接線嚴(yán)苛。

2)直流側(cè)單極接地故障(F2-1和F3-1)。故障發(fā)生時(shí),由于直流端口電容電壓不能突變從而保持udct。根據(jù)式(2)可知,采用雙極接線時(shí)暫態(tài)過電壓不如采用對(duì)稱單極接線嚴(yán)苛。

除換流站的接線方式外,換流站的絕緣水平還與工程是否存在功率盈余問題、是否配置直流斷路器等因素密切相關(guān),需根據(jù)具體條件進(jìn)一步分析計(jì)算。

5 結(jié)論

本文以廈門工程為背景對(duì)雙極高壓大容量柔性直流工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開研究,在如下方面取得了進(jìn)展。

1)通過主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)使得采用雙極接線的柔性直流工程具備3種運(yùn)行方式,提高了系統(tǒng)的可靠性。

2)高壓大容量柔性直流工程中設(shè)備裕度通常較小,通過對(duì)主回路參數(shù)開展精確計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)小容量可關(guān)斷器件支撐工程大功率傳輸。

3)柔性直流工程采用雙極接線時(shí),暫態(tài)電流更苛刻。通過提出暫態(tài)電流精確解析計(jì)算方法以及優(yōu)化布置等方法,確保工程可關(guān)斷器件的安全性。

4)柔性直流工程通過采用雙極接線有效地降低了工程的絕緣水平。

本文所做工作對(duì)張北柔性直流電網(wǎng)工程及后續(xù)高壓大容量柔性直流工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。