摘 要：研究浙江舟山地區(qū)小洋山薄刀咀118 MW光伏電站全直流送出方案。介紹全直流送出系統(tǒng)的構(gòu)建原理，重點(diǎn)闡述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、接地方式、直流電壓控制等關(guān)鍵技術(shù)問題。明確多級直流升壓系統(tǒng)的構(gòu)建原理。在PSCAD/EMTDC平臺上搭建相應(yīng)仿真系統(tǒng)，通過時域仿真驗(yàn)證所提小洋山薄刀咀118 MW光伏電站全直流送出方案的可行性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；高壓直流輸電；直流變壓器；接地方式；直流電壓控制

中圖分類號：TM721.1" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0555

文章編號：0254-0096（2024）08-0324-08

1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027；

2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014

0 引 言

浙江舟山地區(qū)綠色清潔能源儲量豐富［1-2］，根據(jù)“十四五”及中長期舟山地區(qū)集中式新能源整體接入及建設(shè)時序分析報告，十四五期間舟山待建設(shè)新能源項(xiàng)目總?cè)萘?68.8萬kW，其中光伏總裝機(jī)容量達(dá)184萬kW。舟山嵊泗小洋山薄刀咀118 MWp光伏電站項(xiàng)目（換流器容量96 MW）是舟山地區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目［3］，項(xiàng)目業(yè)主為中廣核（嵊泗）新能源公司。項(xiàng)目選址為舟山市嵊泗縣小洋山島沈家灣碼頭灘涂地，場址總面積約1.07 km2。小洋山島現(xiàn)有110 kV沈家灣變電站1座和±200 kV柔直舟洋換流站1座，沈家灣變現(xiàn)有2回110 kV線路分別接至岱山島220 kV蓬萊變和柔直舟洋換流站。

小洋山薄刀咀118 MW光伏電站接入電網(wǎng)存在2種可能的方式。方式1為交流接入方式，即薄刀咀118 MW光伏電站直接接入沈家灣110 kV變電站。其主要問題是需對現(xiàn)有交流電網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)，并可能存在交流方式接入電網(wǎng)的一些普遍性問題，如匯流損耗大與轉(zhuǎn)換設(shè)備多的問題［4］、長距離線路無功造成的電壓穩(wěn)定和并網(wǎng)安全問題［5-6］、交流電纜電容效應(yīng)引起的諧波放大問題［7］，以及寬頻諧振風(fēng)險［8-9］等。方式2為全直流接入方式，該方式將薄刀咀118 MWp光伏電站直接接入到舟山五端直流系統(tǒng)舟洋站的±200 kV直流母線上，通過舟山五端柔性直流系統(tǒng)消納薄刀咀118 MWp光伏電站的功率。雖然光伏全直流方案至今尚無實(shí)際大型工程投運(yùn)，但其系統(tǒng)拓?fù)?、關(guān)鍵裝備研制、控保策略等關(guān)鍵問題［10-13］均已有較為深入的研究，具備一定的理論支撐，且這種方式無需對小洋山島現(xiàn)有交流電網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都有優(yōu)勢，特別是在技術(shù)上，創(chuàng)新意義明顯：1）新能源基地的送出不需要當(dāng)?shù)亟涣麟娋W(wǎng)的電壓支撐，甚至可以沒有當(dāng)?shù)亟涣麟娋W(wǎng)，這對未來“沙戈荒”新能源基地開發(fā)有重要意義；2）采用直流集電網(wǎng)后使新能源基地電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡化，與交流集電網(wǎng)相比，同范圍同容量的新能源基地集電網(wǎng)成本有所降低；3）適合直流負(fù)荷接入。直流負(fù)荷直接接入中壓側(cè)，大大減少功率變換次數(shù)，降低損耗，提升效率［14］。

本文首先概述小洋山光伏全直流接入方案的系統(tǒng)拓?fù)洌S后依次圍繞包括各級直流升壓電路結(jié)構(gòu)及原理、偽雙極結(jié)構(gòu)構(gòu)建、接地方式選擇和直流電壓控制等在內(nèi)的若干關(guān)鍵技術(shù)問題展開討論。最后，基于PSCAD/EMTDC軟件搭建系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型，驗(yàn)證了全直流接入方案的有效性。

1 小洋山光伏全直流接入方案概述

小洋山光伏全直流接入方案如圖1所示。系統(tǒng)在光伏單元出口采用并聯(lián)匯集方案，通過兩級升壓的方式接入舟山直流電網(wǎng)。多個光伏發(fā)電單元構(gòu)成一個光伏陣列，單光伏陣列出口電壓約為500 V，通過MPPT-Boost變換器變換到1.5 kV。18個光伏陣列并聯(lián)，容量達(dá)到5 MW，然后聯(lián)接到1.5 kV低壓直流母線；再通過專屬的4 MW中壓直流變壓器升壓至±20 kV中壓等級，構(gòu)成一條4 MW光伏發(fā)電支路。每6條4 MW支路輸出端口并聯(lián)，構(gòu)成24 MW小型匯集系統(tǒng)大組；4大組小型匯集系統(tǒng)并聯(lián)接入±20 kV中壓直流匯集母線。然后通過高壓直流變壓器升壓至±200 kV接入舟洋站直流母線，通過舟山柔直電網(wǎng)將光伏功率直流送出。

為隔離故障，小洋山光伏全直流匯集系統(tǒng)還需配置直流開關(guān)。其中，中壓側(cè)饋線處采用二極管開關(guān)，每24 MW大組出口正負(fù)極各配置一個；雙分裂鏈?zhǔn)礁綦x型單相模塊化多電平DC/DC變換器（modular multilevel DC/DC converter，M2DC）低壓側(cè)線路開關(guān)無分?jǐn)喙收想娏餍枨?，因此配置直流?fù)荷開關(guān)；M2DC高壓側(cè)則采用舟山柔直系統(tǒng)中已應(yīng)用的高壓諧振開關(guān)［15］。各直流開關(guān)參數(shù)見表1。

2 3級直流升壓電路結(jié)構(gòu)及原理

小洋山光伏全直流接入系統(tǒng)中存在3級直流升壓，第1級是MPPT-Boost升壓，將光伏陣列出口的約500 V電壓提升到1.5 kV；第2級是中壓直流變壓器，將1.5 kV直流電壓提升到±20 kV直流電壓；第3級是高壓直流變壓器，將±20 kV直流電壓提升到±200 kV直流電壓。第1級的MPPT-Boost升壓即為常規(guī)Boost結(jié)構(gòu)，本文不再贅述。第2級的中壓直流變壓器采用如圖2a所示的輸入并聯(lián)-輸出串聯(lián)（input-parallel output-series，IPOS）結(jié)構(gòu)，其基本子模塊選擇成熟的單向LLC諧振型拓?fù)?，按變換器拓?fù)涞牟煌袃呻娖酵負(fù)浜腿娖酵負(fù)鋬煞N選擇，分別如圖2b、圖2c所示。單向LLC諧振型拓?fù)涞暮诵氖俏挥谧儞Q器和整流橋之間的由[Cr、][Lr]、[Lm] 3個諧振元件組成的諧振腔。在諧振腔的兩側(cè)，兩電平/三電平變換器將低壓側(cè)直流電壓變換成對稱的方波作為諧振腔的輸入，整流橋?qū)⒔?jīng)過中間隔離變壓器升壓后的對稱方波整流輸出，多個子模塊在高壓側(cè)串聯(lián)，構(gòu)成±20 kV直流電壓。由于光伏電站潮流具有單向性，且光伏組件能供應(yīng)黑啟動所需的能量，LLC諧振型直流變壓器可采用高壓側(cè)使用二極管整流的功率單向型拓?fù)洹?/p>

第3級的高壓直流變壓器采用如圖3所示的雙分裂鏈?zhǔn)絾蜗喔綦x型M2DC。“雙分裂鏈?zhǔn)健笔侵冈撏負(fù)湓诘蛪簜?cè)為克服電壓等級低、橋臂電流大的問題而采用2組相同的單相模塊化多電平變流器（modular multilevel converter，MMC）換流器，其在交流側(cè)和直流側(cè)都并聯(lián)，在對其運(yùn)行特性進(jìn)行分析時可只視作1組。M2DC子模塊采用半橋拓?fù)?，中間的交流側(cè)由400 Hz中頻單相三繞組交流變壓器連接，實(shí)現(xiàn)電壓等級變換和故障隔離。

3 全直流系統(tǒng)偽雙極結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與接地方式的選擇

為降低小洋山光伏全直流系統(tǒng)的對地絕緣水平，需將其構(gòu)造成正、負(fù)極性對稱的±20 kV偽雙極系統(tǒng)?？尚械臉?gòu)造方式主要有在換流器的交流側(cè)制造中性點(diǎn)接地和在直流側(cè)制造中性點(diǎn)接地兩種?！?00 kV直流系統(tǒng)接地由舟山五端柔直系統(tǒng)提供，更低電壓等級的光伏組串部分一般通過機(jī)殼接地。下文討論±20 kV偽雙極系統(tǒng)的構(gòu)建方法。若在換流器的交流側(cè)制造中性點(diǎn)接地，其構(gòu)造方式如圖4所示，通過將單相隔離型M2DC中間交流變壓器的低壓側(cè)單相繞組一分兩半，從中間引出一條導(dǎo)線后經(jīng)大阻抗接地。若在直流側(cè)制造中性點(diǎn)接地，構(gòu)造方式是從圖2中的24個4 MW光伏支路中任選一個，將其中壓直流變壓器的±20 kV側(cè)直流電壓中點(diǎn)處引出接地。對于[N]個模塊直流側(cè)串聯(lián)的IPOS結(jié)構(gòu)，如圖4所示，從第[N/2]個與第[N/2+1]個子模塊的聯(lián)接點(diǎn)處引出直流接地點(diǎn)，且為限制單極故障時的直流側(cè)短路電流，通常串聯(lián)大阻抗接地，這時需將[N]設(shè)計(jì)為偶數(shù)。

但在直流側(cè)制造中性點(diǎn)接地這種方式存在以下問題：一旦接地點(diǎn)所在24 MW光伏大組發(fā)生故障后退出運(yùn)行，系統(tǒng)將失去接地點(diǎn)進(jìn)而產(chǎn)生過電壓危害絕緣，需要人工將后備直流接地點(diǎn)投入才能恢復(fù)正常運(yùn)行。因此，最終推薦采用無此種風(fēng)險的如圖4所示的在換流器的交流側(cè)制造中性點(diǎn)接地方式。

4 全直流系統(tǒng)逐級電壓控制

小洋山光伏全直流系統(tǒng)能穩(wěn)定送出光伏功率的基本前提是控制各級直流電壓穩(wěn)定。圖5按照光伏功率的傳輸方向，給出了全直流系統(tǒng)的逐級電壓控制策略。光伏出口直流電壓由常規(guī)MPPT-Boost方案予以控制，由MPPT控制環(huán)實(shí)時調(diào)節(jié)Boost電路的占空比，從而跟蹤光伏最佳輸出電壓。光伏功率滿發(fā)時，光伏陣列出口直流電壓約為500 V。低壓側(cè)直流母線1500 V控制由作為中壓直流變壓器基本模塊的單向LLC諧振變換器采用開環(huán)定頻控制方式實(shí)現(xiàn)，且諧振腔工作在完全諧振狀態(tài)?？刂七^程中，只需依照設(shè)計(jì)頻率對其逆變橋的兩對能控器件依次施加反相觸發(fā)信號即可。在中壓側(cè)±20 kV直流電壓由M2DC控制恒定的前提下，低壓側(cè)1500 V直流電壓即能由中間交流變壓器變比和二極管整流橋的鉗位效果作用，自然維持在極小變化范圍內(nèi)。也即，只要功率仍在通過LLC諧振變換器送出，二極管整流橋自然將中間交流變壓器輸出方波幅值控制在約為±20 kV的恒定值，再經(jīng)固定變比的交流變壓器，將低壓側(cè)1500 V直流電壓開環(huán)鉗位在穩(wěn)定值。中壓側(cè)直流母線±20 kV由M2DC采用移相控制方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，M2DC采用正弦波調(diào)制方式。高壓側(cè)MMC V/f控制模式，低壓側(cè)MMC通過直流電壓環(huán)控制兩側(cè)交流正弦波相角差實(shí)現(xiàn)±20 kV側(cè)直流電壓的恒定與光伏功率的穩(wěn)定送出。高壓側(cè)直流母線±200 kV直流電壓則由舟山五端柔直系統(tǒng)中承擔(dān)定直流電壓任務(wù)的定海站控制恒定。

圖6所示為正弦波調(diào)制方式下的M2DC控制策略框圖。圖6中，[uH]和[uL]分別為高、低壓側(cè)交流電壓，[udiffH]和[udiffL]分別為高、低壓側(cè)MMC調(diào)制波，[UHm]和[ULm]分別為高低壓側(cè)MMC調(diào)制波的幅值，[UdcLref、UdcL]和[Δθ]分別為低壓側(cè)直流電壓控制環(huán)的參考值、實(shí)際值和輸出移相角度，[ω0]為交流系統(tǒng)角頻率，?。╗2π×400]） rad/s。

5 全直流系統(tǒng)暫態(tài)特性仿真

為驗(yàn)證上述小洋山光伏全直流匯集送出系統(tǒng)的可行性，在PSCAD/EMTDC中搭建如圖1所示的小洋山光伏全直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型，并將其接入舟山五端柔直電網(wǎng)，仿真采用的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。包括舟山五端柔直電網(wǎng)和交流系統(tǒng)的整體模型如圖7所示，其中，在500 kV威遠(yuǎn)變和春曉變采用外部等值電源模擬，MMC換流站的系統(tǒng)參數(shù)見文獻(xiàn)［16］附錄。

5.1 功率階躍仿真

初始時光伏功率滿發(fā)，2.0 s時階躍下降為半功率輸出方式（光伏功率發(fā)48 MW），3.0 s時階躍下降為零功率輸出方式（光伏功率發(fā)0 MW），4.0 s時階躍上升為滿功率輸出方式（光伏功率滿發(fā)96 MW），對應(yīng)的仿真波形如圖8所示。從圖8可看出，光伏全直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性與跟隨光伏單元出力波動的性能良好，功率階躍在0.1 s內(nèi)基本完成響應(yīng)，驗(yàn)證了系統(tǒng)具備跟隨光伏出力穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

5.2 全直流匯集系統(tǒng)暫態(tài)特性仿真

全直流匯集系統(tǒng)±20 kV線路上發(fā)生故障后，若無合適的故障隔離措施，將會蔓延至整個系統(tǒng)，造成所有光伏閉鎖停機(jī)。因此在系統(tǒng)中配置一系列直流開關(guān)，該部分系統(tǒng)故障主要考慮24 MW光伏大組內(nèi)饋線故障與±20 kV直流母線故障。與24 MW光伏大組內(nèi)饋線故障配套的有各光伏大組出口二極管開關(guān)，由于其單向?qū)ㄌ匦?，故障被限制在單一大組內(nèi)，不會對±20 kV中壓母線及其上的其他光伏大組造成影響。對于整個洋山光伏全直流系統(tǒng)來說，饋線故障產(chǎn)生的影響只是損失這一光伏大組的功率。仿真中于1.5 s對光伏大組1內(nèi)部饋線正極施加單極短路故障，50 ms后系統(tǒng)檢測到故障，閉鎖大組中的中壓直流變壓器和光伏單元，待二極管開關(guān)電流衰減到較小水平后跳開開關(guān)，隔離故障。仿真結(jié)果如圖9所示，驗(yàn)證了前文所述的特性。

與饋線故障不同的是，±20 kV直流母線故障意味著光伏輸出電能無法實(shí)現(xiàn)匯集，整個系統(tǒng)需停運(yùn)檢修，無故障穿越需求，與之配套的是M2DC低壓側(cè)的負(fù)荷開關(guān)。母線故障的發(fā)生意味著系統(tǒng)失去所有的光伏功率。仿真中于1.5 s對±20 kV直流母線正極施加單極短路故障，50 ms后系統(tǒng)檢測到故障，閉鎖M2DC及各光伏大組的中壓直流變壓器和光伏單元，跳開負(fù)荷開關(guān)，隔離故障。仿真結(jié)果如圖10所示，驗(yàn)證了前文所述的特性。

5.3 舟山柔直系統(tǒng)N-1暫態(tài)特性分析

小洋山光伏全直流系統(tǒng)接入舟山五端柔直電網(wǎng)后，需對舟山交直流電網(wǎng)關(guān)鍵元件N-1后的故障及恢復(fù)特性進(jìn)行考察。主要考察與舟洋站直流母線相連的M2DC高壓側(cè)接入支路、舟洋站到舟泗站直流線路（洋泗線）和舟洋站到舟岱站直流線路（洋岱線）等與舟山交流電網(wǎng)N-1特性。系統(tǒng)仿真基于的初始潮流如圖11所示，直流故障的處理策略依據(jù)文獻(xiàn)［17-18］，由舟山柔直中已配置的橋臂阻尼、諧振開關(guān)與直流斷路器配合清除。

以M2DC高壓側(cè)接入支路雙極短路故障為例給出相應(yīng)仿真波形如圖12所示（由于舟定站為定直流電壓站，其直流電壓恢復(fù)即代表舟山五端柔直恢復(fù)，故圖12中只給出舟定站波形）。檢測到故障后，舟山五端與洋山光伏均閉鎖，MMC橋臂阻尼模塊投入，交流側(cè)開關(guān)跳開，M2DC高壓側(cè)諧振開關(guān)待故障電流衰減至開斷能力500 A以下后斷開，直流故障被隔離，20 ms后重啟動舟山柔直，洋山光伏停運(yùn)。洋泗線與洋岱線故障處理過程與之類似，前者舟泗站需要停運(yùn)，后者岱洋線斷開分作兩個子系統(tǒng)運(yùn)行。

此外，還校驗(yàn)了小洋山光伏接入前后舟山交流電網(wǎng)線路N-1后的暫態(tài)特性，仿真結(jié)論證明小洋山光伏全直流系統(tǒng)的接入對舟山柔直系統(tǒng)交流電網(wǎng)暫態(tài)特性基本無影響。

5.4 寬頻諧振穩(wěn)定性分析

隨著大量電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，寬頻振蕩的問題愈發(fā)顯現(xiàn)，有必要對小洋山光伏全直流匯集送出系統(tǒng)寬頻諧振穩(wěn)定性進(jìn)行分析。分析主要關(guān)注兩個問題：一是全直流系統(tǒng)本身是否會失穩(wěn)，二是對舟山交流系統(tǒng)的諧振穩(wěn)定性是否有影響。對全直流系統(tǒng)本身的失穩(wěn)問題，采用基于[s]域節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的電力網(wǎng)絡(luò)諧振模式分析方法［19］計(jì)算分析。計(jì)算首先使用測試信號法建立光伏滿功率與零功率兩種輸出方式下匯集系統(tǒng)光伏大組和M2DC的阻抗模型，基于此對±20 kV匯集系統(tǒng)在3 kHz以內(nèi)頻段的諧振模式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示?？梢姼髦C振模式均具有負(fù)實(shí)部，分布在左半平面，不存在諧振失穩(wěn)的風(fēng)險。

為評估全直流系統(tǒng)接入對舟山交流系統(tǒng)諧振穩(wěn)定性的影響，通過測試信號法，對光伏直流匯集接入前后，舟洋站MMC的交流側(cè)阻抗頻率特性進(jìn)行掃描對比，結(jié)果如圖13所示?？煽闯?，舟洋站MMC的交流側(cè)阻抗頻率特性曲線在光伏接入前后幾乎相同。即洋山光伏全直流系統(tǒng)接入后不會影響MMC的交流側(cè)阻抗頻率特性，對交流側(cè)系統(tǒng)的寬頻諧振穩(wěn)定性無影響。

6 結(jié) 論

本文基于浙江舟山地區(qū)中廣核嵊泗小洋山薄刀咀118 MWp光伏電站送出項(xiàng)目，研究了大型光伏電站全直流送出方案的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，主要包括全直流系統(tǒng)拓?fù)?、各級直流升壓電路結(jié)構(gòu)及原理、偽雙極結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與接地方式的選擇、逐級電壓控制策略等。并基于PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：所述光伏全直流送出系統(tǒng)為并聯(lián)匯集、逐級升壓方案，各級電壓控制特性良好，具備跟隨光伏出力波動穩(wěn)定送出功率的能力；配合各級直流開關(guān)，系統(tǒng)具備故障穿越能力，且不會惡化所接入系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；全直流系統(tǒng)不存在諧振失穩(wěn)風(fēng)險，且對交流系統(tǒng)的寬頻諧振穩(wěn)定性無影響。

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RESEARCH ON KEY ISSUES OF FULL DC TRANSMISSION SCHEME FOR LARGE-SCALE PHOTOVOLTAIC POWER STATIONS

Xu Zheng1，Xu Wenzhe1，Guo Hanlin1，Hua Wen2，Qiu Peng1，2，Zhang Zheren1

（1. College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China

2. State Grid Zhejiang Electric Power Co. ， Ltd.， Research Institute， Hangzhou 310014， China）

Abstract：This paper studies the full DC transmission scheme of 118 MWp photovoltaic power station in Xiaoyangshan Bodaozui island of Zhoushan， Zhejiang Province. The construction principle of the full DC transmission system is introduced， and the key technical issues such as the topology selection， the grounding method， and the DC voltage control are clarified. The composition principle of DC-DC converters at all levels is specified. A corresponding simulation system is built on the PSCAD/EMTDC platform and the time-domain simulation verifies the feasibility of the proposed full DC transmission scheme of 118 MWp photovoltaic power station in Xiaoyangshan Bodaozui island.

Keywords：photovoltaic power； high voltage DC transmission； DC-DC converters； grounding method； DC voltage control