陸子凱，簡(jiǎn)翔浩，張明瀚

（1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663；2. 南方電網(wǎng)國(guó)際有限責(zé)任公司，廣州510663）

隨著城市配電網(wǎng)系統(tǒng)接入越來(lái)越多的分布式新能源和儲(chǔ)能設(shè)備，大型數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車(chē)充電站、直流家電等直流負(fù)荷也日益增多，構(gòu)建柔直配網(wǎng)能有效接納清潔的新能源和直流負(fù)載，減少換流過(guò)程中的電能損耗和減少換流設(shè)備的經(jīng)濟(jì)投資，能有效地提高系統(tǒng)的效率［1］。對(duì)于城市柔性直流配電網(wǎng)換流站而言，電氣設(shè)備的選擇對(duì)換流站的整體布置和工程設(shè)計(jì)具有較大的影響，合理地選擇柔性直流配網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備能降低工程的總體造價(jià)及有效利用城市中心的土地資源［2］。因此，有必要對(duì)中低壓柔直配網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行選型研究，掌握目前中低壓柔直配網(wǎng)的關(guān)鍵裝備的工作原理、布置要求、制造水平等，有助于后續(xù)相關(guān)工程的技術(shù)推進(jìn)和方案落實(shí)。

根據(jù)珠海唐家灣示范項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景，目前柔直配網(wǎng)可以將站點(diǎn)按功能劃分為換流站、開(kāi)關(guān)站和降壓換流站。換流站實(shí)現(xiàn)能量從交流到直流的變換；開(kāi)關(guān)站實(shí)現(xiàn)多個(gè)站點(diǎn)間的連接，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行方式切換；降壓換流站實(shí)現(xiàn)能量從高電壓等級(jí)變換為低電壓等級(jí)。示范項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)圖如圖1 所示。本文結(jié)合柔直配網(wǎng)換流站建設(shè)的需要，分析換流站關(guān)鍵設(shè)備的選型和使用情況，比較每種設(shè)備的不同型式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出設(shè)備的選型建議。

圖1 柔直配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Diagram of flexible DC distribution network

1 柔性直流配電網(wǎng)關(guān)鍵電氣設(shè)備

柔直配網(wǎng)中的主要設(shè)備可以按照功能劃分為交流進(jìn)線(xiàn)部分、聯(lián)絡(luò)變閥側(cè)設(shè)備、換流閥區(qū)域和直流出線(xiàn)部分。由于中低壓直流配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)較低、容量較小，并且由于項(xiàng)目通過(guò)3 個(gè)VSC 與交流系統(tǒng)交換能量，在一端VSC退出運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可改變?yōu)殡p端手拉手的運(yùn)行方式，可靠性相對(duì)較高，因此采用了經(jīng)濟(jì)性更佳的單極對(duì)稱(chēng)方式，電氣接線(xiàn)圖如圖2 所示。關(guān)鍵的電氣設(shè)備分為VSC、聯(lián)接變壓器、橋臂電抗器、啟動(dòng)設(shè)備、直流電抗器、中低壓直流斷路器、直流變壓器等。關(guān)鍵設(shè)備的主要作用如下：

圖2 電氣接線(xiàn)圖Fig.2 Electrical circuit diagram

1）VSC換流閥

VSC 換流閥是實(shí)現(xiàn)城市的交流配網(wǎng)與柔直配網(wǎng)之間轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，VSC 換流閥選型適合的技術(shù)方案包括有兩電平換流閥、三電平換流閥、半橋MMC 換流閥和基于IGCT 交叉箝位的MMC 換流閥［3］。

2）聯(lián)接變壓器

聯(lián)接變壓器是柔直配網(wǎng)換流站中的關(guān)鍵設(shè)備，網(wǎng)側(cè)和交流進(jìn)線(xiàn)部分相連，閥側(cè)連接啟動(dòng)設(shè)備和橋臂電抗器［4］。在珠海唐家灣示范項(xiàng)目中，聯(lián)接變壓器用于為柔直配網(wǎng)提供接地點(diǎn)，保證中壓交直流配電網(wǎng)的電氣隔離，并且保證交直流配電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時(shí)，換流閥仍然能夠輸出額定的有功和無(wú)功功率。

3）啟動(dòng)設(shè)備

啟動(dòng)電阻連接在聯(lián)接變壓器的閥側(cè)，功能主要為降低子模塊中電容的充電電流，避免設(shè)備免受電流電壓沖擊，減小對(duì)交流系統(tǒng)的影響［5］。

4）橋臂電抗器

橋臂電抗器一般位于VSC換流閥上下兩個(gè)橋臂上，能夠限制直流故障電流和故障電流的上升率，同時(shí)也能限制交、直流側(cè)的諧波。通過(guò)增大橋臂電抗器的阻值可以減緩短路電流的增長(zhǎng)速度，限制短路電流的峰值，也對(duì)有功與無(wú)功的調(diào)節(jié)具有一定的影響［4］。

5）中低壓直流斷路器

中低壓直流斷路器作為柔直配網(wǎng)線(xiàn)路組網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，可以毫秒內(nèi)承載、開(kāi)斷正常電流和故障電流，快速切除柔直配網(wǎng)中的故障設(shè)備或線(xiàn)路，從而阻止系統(tǒng)故障的擴(kuò)散，極大地提高柔直配網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性［6］。目前，中低壓機(jī)械式直流斷路器和中低壓混合式直流斷路器在實(shí)際工程中均有運(yùn)用。

6）限流電抗器

限流電抗器的主要作用在于抑制短路電流故障電流的上升速度，實(shí)現(xiàn)直流斷路器和換流閥保護(hù)動(dòng)作的配合，實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的故障穿越，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行［7］。在珠海唐家灣示范項(xiàng)目中，唐家換流站和雞山2 換流站均采用了限流電抗器配合直流斷路器的方案，實(shí)現(xiàn)故障清除能力，有效降低換流閥本體的成本。

7）直流變壓器

直流變壓器是連接中壓和低壓直流電網(wǎng)的核心設(shè)備，基于當(dāng)前的電力電子技術(shù)，直流變壓器可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)以及交直流形式的電能變換，可滿(mǎn)足高壓直流至低壓直流以及不同直流端口間的電能變換［8］。示范項(xiàng)目中首次應(yīng)用了基于SiC 全控器件的高效率三端口直流變壓器，通過(guò)直流變壓器連接±10 kV 電網(wǎng)和布置在科技園園區(qū)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)。

2 柔直配網(wǎng)電氣設(shè)備選型原則

柔直配網(wǎng)換流站設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮站區(qū)的地理位置、土建施工和電氣安裝的特點(diǎn)和業(yè)主運(yùn)行部門(mén)的需求，實(shí)現(xiàn)交、直流的功能分區(qū)，并選擇合理的電氣設(shè)備。設(shè)備選型時(shí)需要考慮如下幾點(diǎn)：

1）柔直配網(wǎng)的電氣設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮安全性和運(yùn)維的便捷性，注重配網(wǎng)設(shè)備小型化。選型時(shí)應(yīng)考慮與現(xiàn)有直流設(shè)備的制造能力與直流配電技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)。

2）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮柔直配網(wǎng)的電氣設(shè)備的尺寸問(wèn)題，由于城市中心的土地資源較為緊張，需考慮設(shè)備的緊湊化，盡量減少設(shè)備的占地面積。

3）AC/DC 換流器的選擇應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的需求及換流器的性能、可靠性、損耗、占地、體積、安裝條件、綜合造價(jià)等因素。

4）應(yīng)根據(jù)負(fù)荷條件、故障處理要求和設(shè)備制造水平選擇適用的直流斷路器。

3 VSC換流閥選型

3.1 子模塊選型

柔性直流換流站是完成AC/DC 雙向變換的主要站點(diǎn)，其主要由AC/DC 換流閥構(gòu)成。在高壓直流輸電領(lǐng)域，換流閥已得到廣泛應(yīng)用，在中低壓直流配網(wǎng)中應(yīng)用的技術(shù)難度不大，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，兩電平和三電平換流閥的主要技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是IGBT 的直接串聯(lián)技術(shù)，而且損耗和電壓波形較差，因此目前大多數(shù)項(xiàng)目基本采用MMC 結(jié)構(gòu)，采用MMC 結(jié)構(gòu)避免IGBT 的直接串聯(lián)，同時(shí)中壓柔直配電系統(tǒng)的電壓相比高壓直流輸電要低，子模塊數(shù)量相對(duì)較小，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)可控。目前已有的子模塊為半橋IGBT MMC 子模塊、全橋IGBT MMC 子模塊和基于IGCT交叉箝位的MMC子模塊。

模塊式IGBT 生產(chǎn)廠(chǎng)家廣泛，已形成系列的標(biāo)準(zhǔn)電壓，是柔性直流輸電主流的器件類(lèi)型。唐家換流站和雞山2 換流站換流閥使用的IGBT 器件的電壓等級(jí)主要為1.7 kV。考慮到電容電壓上存在波動(dòng)，以及器件動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓，因此，在實(shí)際工程中選擇IGBT 電壓等級(jí)時(shí)需要考慮留有1.5倍~2倍裕量。同時(shí)需要設(shè)置一定的冗余子模塊，示范工程中單橋臂子模塊為28 個(gè)，其中冗余子模塊為3個(gè)，冗余度約為10.7%。

對(duì)比IGBT，IGCT 具有更低的導(dǎo)通損耗。在示范項(xiàng)目中首次應(yīng)用了國(guó)產(chǎn)的IGCT 器件，但目前IGCT 主要制造商仍較少，對(duì)后續(xù)的運(yùn)維更換會(huì)有一定的影響?；贗GCT 交叉箝位的MMC 目前已有容量為10 MW（雞山I換流站），原理圖如圖3所示。該換流閥使用的IGCT 器件的電壓等級(jí)主要為4 500 V，其需要承受的額定電壓為IGBT 子模塊電壓的2倍，所承受的電流與橋臂電流相同。IGCT箝位模塊單橋臂需要7 個(gè)IGCT 子模塊，其利用故障電流對(duì)電容充電，當(dāng)功率模塊電容電壓上升，故障電流衰減，實(shí)現(xiàn)換流閥的清除故障電流的功能［2］。

圖3 IGCT交叉箝位的原理圖Fig.3 Schematic diagram of cross clamped of IGCT devices

3.2 換流閥的形式

目前，已有容量為10 MW和20 MW的MMC換流閥在實(shí)際工程應(yīng)用，其中唐家換流站（20 MW）為閥塔式布置，閥塔周?chē)捎脷ふ质狡帘谓Y(jié)構(gòu)，雞山2 換流站（10 MW）采用模塊化設(shè)計(jì)，屏柜式布置，具備現(xiàn)場(chǎng)即插即用的特點(diǎn)?；贗GCT 交叉箝位的MMC 結(jié)構(gòu)的容量已有10 MW（雞山1 換流站），采用屏柜式布置。三站換流閥比較如表1所示。

表1 三站換流閥對(duì)比表Tab.1 Comparison of VSC in three stations

4 聯(lián)接變壓器選型

聯(lián)接變壓器用于為柔直配網(wǎng)提供接地點(diǎn)，保證中壓交直流配電網(wǎng)的電氣隔離。在珠海唐家灣示范項(xiàng)目中，聯(lián)接變壓器采用△/Y形式，閥側(cè)繞組的中性點(diǎn)接地電阻為3.75 kΩ，在此電阻上并聯(lián)一個(gè)600 Ω 的電阻，該電阻平時(shí)不投入運(yùn)行，僅在保護(hù)系統(tǒng)故障診斷時(shí)用，接線(xiàn)圖如圖4 所示。采用這種接地方式可降低直流線(xiàn)路的絕緣水平。

圖4 中性點(diǎn)電阻接線(xiàn)圖Fig.4 Diagram of Neutral point resistance

考慮到短路故障時(shí)，聯(lián)接變壓器可能有較大的震動(dòng)，且聯(lián)絡(luò)變壓器重量較重。為了有利于搬運(yùn)需求，聯(lián)接變壓器通常布置于站址首層。在建設(shè)項(xiàng)目時(shí)，可以根據(jù)站址空間來(lái)選擇干式聯(lián)接變壓器或油變聯(lián)接變壓器，室內(nèi)選擇干變，室外選擇油變。

5 橋臂電抗器和啟動(dòng)回路選型

5.1 橋臂電抗器

由于飽和引起的橋臂電抗器電感值下降，不應(yīng)低于設(shè)計(jì)電感值的80%。采用較大的電抗值，有利于降低二倍頻環(huán)流幅值和改善公共連接點(diǎn)的諧波電壓，降低諧波電流。如果換流閥的電平數(shù)目比較高，或等效開(kāi)關(guān)頻率比較高，交流諧波經(jīng)計(jì)算后已經(jīng)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定很多，可適當(dāng)減小電抗的數(shù)值，以降低橋臂電抗器的體積和經(jīng)濟(jì)投資。如果電平數(shù)目較低，計(jì)算后諧波電流超出標(biāo)準(zhǔn)值，需要適當(dāng)增大電抗的數(shù)值。

鐵芯電抗器體積小，但重量重，且存在鐵芯飽和的可能?？招倦娍蛊髀┐泡^大，對(duì)鋼筋混凝土建筑物以及控制保護(hù)設(shè)備均有一定的影響。在珠海唐家灣示范項(xiàng)目中換流站采用戶(hù)內(nèi)布置的形式，因此采用了鐵芯電抗器。

5.2 啟動(dòng)回路

當(dāng)MMC 換流閥啟動(dòng)時(shí)，交流系統(tǒng)會(huì)對(duì)MMC換流閥的直流電容進(jìn)行不控整流充電，因此為避免沖擊電流和暫態(tài)恢復(fù)電壓影響系統(tǒng)，需要在這個(gè)過(guò)程中加入啟動(dòng)電阻，啟動(dòng)結(jié)束后電阻將被旁路。功率模塊中的電容值對(duì)啟動(dòng)電阻選型影響較大。在珠海唐家灣示范項(xiàng)目中，啟動(dòng)柜由直流測(cè)量裝置和啟動(dòng)電阻組成，唐家換流站的啟動(dòng)電阻的額定電壓為10.5 kV，電阻值為100 Ω。

6 中低壓直流斷路器選型

由于半橋結(jié)構(gòu)的MMC 換流閥，沒(méi)有故障自清除能力，因此需采取直流斷路器和直流電抗器配合的方案來(lái)切除故障電流。同時(shí)，柔直配網(wǎng)在多種運(yùn)行方式間靈活切換時(shí)需要直流斷路器。示范工程中的開(kāi)關(guān)站有三個(gè)端口，通過(guò)三路直流電纜相連，對(duì)此開(kāi)關(guān)站推薦使用三端口斷路器方案。與傳統(tǒng)方案相比，三端口混合式直流斷路器將多條直流線(xiàn)路交匯點(diǎn)處的多臺(tái)直流斷路器整合為一體，可以在保持混合式直流斷路器原有性能的基礎(chǔ)上，減少電力電子器件的使用數(shù)量，從而降低設(shè)備的投資成本。三站直流斷路器技術(shù)比較如表2所示。

7 直流變壓器

直流變壓器方案包括有非隔離型變壓器和隔離型變壓器，在電壓變比較高的應(yīng)用場(chǎng)合，非隔離型的濾波器體積顯著增加，效率相對(duì)較高，但經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。隔離型直流變壓器通過(guò)高頻變壓器，使變換器運(yùn)行時(shí)的占空比保持在合理的范圍，有利于提升變換器效率和降低濾波器體積。目前主要的隔離型直流變壓器拓?fù)錇長(zhǎng)LC 和DAB［8］，在選擇直流變壓器時(shí)需要考慮技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)性、靈活性以及系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景的需求，考慮到珠海唐家灣示范項(xiàng)目多端口輸出的需求，項(xiàng)目采用三端口直流變壓器，高壓側(cè)為±10 kV高壓端口，低壓側(cè)有兩個(gè)電壓等級(jí)：分別為雙向2 MW 功率流動(dòng)的±375 V 低壓端口和單向200 kW 功率流動(dòng)的±110 V 低壓端口，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高壓接入，高壓側(cè)采用功率模塊級(jí)聯(lián)的方式，可實(shí)現(xiàn)連接實(shí)現(xiàn)高、低壓側(cè)隔離，在±375 V/±110 V 則采用 BUCK 降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三端口直流變壓器采用柜式設(shè)計(jì)，連接三個(gè)端口直流電網(wǎng)。適用于城市直流配電的高效率多端口直流變壓器對(duì)提升能源綜合利用效率、新能源滲透率和供電的穩(wěn)定性有重要作用。

表2 三站的直流斷路器對(duì)比表Tab.2 Comparison of DC circuit breakers in three stations

圖5 直流變壓器拓?fù)鋱DFig.5 Topology diagram of DC transformer

8 結(jié) 論

本文通過(guò)介紹珠海唐家灣示范工程的關(guān)鍵設(shè)備，結(jié)合柔直配網(wǎng)工程建設(shè)的特點(diǎn)，闡述了柔直配網(wǎng)換流站的設(shè)備選型原則，重點(diǎn)分析研究了關(guān)鍵電氣設(shè)備的選型方案，通過(guò)比較關(guān)鍵電氣設(shè)備不同型式的優(yōu)缺點(diǎn)，給出關(guān)鍵電氣設(shè)備選型的選型意見(jiàn)：

1）選擇換流閥時(shí)需綜合考慮系統(tǒng)的需求和換流閥的性能、可靠性、損耗、占地、綜合造價(jià)等因素，以提升柔直換流閥實(shí)用化的水平。

2）選擇直流斷路器時(shí)候應(yīng)綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景、負(fù)荷條件、故障處理要求和當(dāng)前的設(shè)備制造水平。

3）對(duì)于城市配電網(wǎng)而言，換流站空間有限，地價(jià)昂貴，需要求配網(wǎng)設(shè)備體積盡可能小。

隨著城市配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，柔直配網(wǎng)展現(xiàn)了在推動(dòng)城市高可靠性供電，提升配網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)，靈活可控，促進(jìn)分布式新能源的接入等多方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。對(duì)柔直配網(wǎng)關(guān)鍵電氣設(shè)備提出合理的選型建議有助于降低工程的總體造價(jià)及有效利用城市中心的土地資源，對(duì)提高換流站的可靠性和運(yùn)行的安全性具有重要意義，是促進(jìn)柔直配網(wǎng)工程推廣的重要環(huán)節(jié)，將為我國(guó)新型配電網(wǎng)的發(fā)展提供重要的助力。