［摘 要］新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中越來越重要，在新能源輸電系統(tǒng)投入運(yùn)行前，需要對(duì)整個(gè)新能源輸電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證新能源輸電系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。文章對(duì)新能源輸電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了分析，以期為相關(guān)人員提供參考。

［關(guān)鍵詞］新能源輸電；電氣主接線設(shè)計(jì)；主電路參數(shù)設(shè)計(jì)；控制保護(hù)

［中圖分類號(hào)］TM72 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0093–03

1 新能源輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 電氣主接線設(shè)計(jì)

隨著新能源大力發(fā)展，新能源輸送的容量達(dá)到了數(shù)千兆瓦，為了滿足大功率輸送，主電路采用雙極接線方式以降低每個(gè)換流單元功率輸送[1]，以雙端為例的新能源輸電系統(tǒng)電氣主接線設(shè)計(jì)如圖1 所示。新能源輸電系統(tǒng)包括以下6 個(gè)部分。

1.1.1 新能源場(chǎng)

新能源場(chǎng)可以是風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等不同形式的新能源發(fā)電，新能源場(chǎng)內(nèi)通過風(fēng)機(jī)串并聯(lián)為風(fēng)機(jī)組形式或光伏陣列形式以提高新能源發(fā)電功率，其作為整個(gè)新能源系統(tǒng)輸電的電源通常離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，因此需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電。由于風(fēng)光自然資源的隨機(jī)性和波動(dòng)性，在新能源場(chǎng)內(nèi)需要有電能變換裝置，以穩(wěn)定新能源電能輸出，如在風(fēng)機(jī)輸出端加入AC/DC 和DC/AC 兩級(jí)變流器，在光伏發(fā)電輸出端加入DC/DC和DC/AC 兩級(jí)變流器，最后新能源場(chǎng)輸出的電能匯集在公共耦合點(diǎn)PCC 點(diǎn)。

1.1.2 換流站設(shè)計(jì)

換流站在新能源輸電系統(tǒng)中起著電能變換的作用，是整個(gè)系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)備，影響著系統(tǒng)的正常運(yùn)行。靠近新能源場(chǎng)一側(cè)換流站為整流換流站，另一側(cè)換流站則為逆變換流站，分別起著交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷骱椭绷鬓D(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯淖饔谩?/p>

換流站內(nèi)包含大量功率開關(guān)器件，功率開關(guān)器件可分為半控型和全控型，分別對(duì)應(yīng)的是常規(guī)直流輸電和柔性直流輸電，常規(guī)直流輸電與柔性直流輸電相比傳送容量更大、經(jīng)濟(jì)性更好，但不具備構(gòu)網(wǎng)能力和無法實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)，不適用于高比例新能源輸電工程。

隨著新能源系統(tǒng)輸電功率的不斷提升，為了適應(yīng)高比例新能源場(chǎng)景，在PCC 點(diǎn)需要進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)頻率和電壓的支撐，因此可以使用具備構(gòu)網(wǎng)能力和黑啟動(dòng)的柔性直流輸電。目前我國直流輸電輸送功率可達(dá)數(shù)千兆瓦，為了提高柔性直流輸電的輸送能力，換流站采用雙極結(jié)構(gòu)，上、下極之間的中性點(diǎn)為大地回路接線方式，正常運(yùn)行時(shí)無電流流過，各極獨(dú)立運(yùn)行，提高了運(yùn)行可靠性。換流站內(nèi)各級(jí)有單閥組接線和高低壓閥組接線方式，其中單閥組接線與高低壓閥組相比控制策略和運(yùn)行方式簡單，但經(jīng)濟(jì)性差，在大容量輸電工程中換流站各級(jí)可采用高低壓閥組接線方式。

整流換流站和逆變換流站均為雙極，各換流站中上、下極有兩個(gè)換流單元，常規(guī)直流輸電換流單元為LCC 結(jié)構(gòu)，柔性直流輸電換流單元為MMC 結(jié)構(gòu)。柔性直流輸電中最基本的單元有半橋或全橋子模塊，考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)可采用半橋結(jié)構(gòu)，若想實(shí)現(xiàn)直流故障穿越可采用全橋結(jié)構(gòu)，如今全/ 半橋混合結(jié)構(gòu)是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

1.1.3 聯(lián)接變壓器

聯(lián)接變壓器安裝于電網(wǎng)與換流站之間，起著電壓升降作用，是電能輸送的重要設(shè)備。聯(lián)接變壓器設(shè)計(jì)包括型式選擇、繞組聯(lián)接方式選擇、電壓變比設(shè)計(jì)、額定容量設(shè)計(jì)和短路阻抗設(shè)計(jì)。

變壓器型式選擇主要考慮占地面積、工程造價(jià)和變壓器承重等因素，包括三相一體型式和3 臺(tái)單相變壓器，海上輸電變壓器一般采用三相一體式，岸上輸電變壓器采用3 臺(tái)單相變壓器。

變壓器繞組聯(lián)接方式有Y 繞組聯(lián)接和Δ 繞組聯(lián)接，若采用Y 繞組聯(lián)接還需考慮其中性點(diǎn)是否需要接地，針對(duì)雙極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變壓器網(wǎng)側(cè)采用Y 繞組聯(lián)接，換流站交流側(cè)采用Δ 繞組聯(lián)接，其中Y 繞組聯(lián)接中性點(diǎn)需要接地，以消除由于調(diào)制方式引起的零序分量。各聯(lián)接變壓器的閥側(cè)需要設(shè)置一組接地的隔離開關(guān)和避雷器，由于采用真雙極的接線方式，聯(lián)接變壓器會(huì)存在直流偏置，無法使用交流的GIS 設(shè)備，需要考慮敞開式設(shè)備。

變壓器電壓變比選擇是根據(jù)網(wǎng)側(cè)PCC 電壓等級(jí)和換流站交流側(cè)電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前特高壓直流輸電的電壓等級(jí)大多數(shù)是±800 kV，網(wǎng)側(cè)PCC 電壓等級(jí)為500 kV，在該電壓等級(jí)下的直流輸電工程變壓器電壓變比可設(shè)計(jì)為525 kV/262 kV。變壓器額定容量根據(jù)傳送的額定功率進(jìn)行計(jì)算，并要求其具備1.4 倍的過載能力。變壓器的短路阻抗主要與系統(tǒng)無功有關(guān)，其設(shè)置范圍為12%～18%。

1.1.4 輸電線設(shè)計(jì)

輸電線指直流輸電線路，當(dāng)新能源場(chǎng)位于我國西北自然資源豐富地區(qū)時(shí)，輸電線路遠(yuǎn)輸送容量大，架空線的工程造價(jià)低，因此遠(yuǎn)距離輸電通常采用架空線，如我國白鶴灘特高壓直流輸電和昆柳龍直流工程。當(dāng)新能源場(chǎng)為海上風(fēng)電時(shí)[2]，面臨的環(huán)境嚴(yán)酷且更加復(fù)雜，為了滿足環(huán)境適應(yīng)性和輸電效率，岸上換流站至海上風(fēng)電輸電線均采用電纜。

1.1.5 高壓直流斷路器

高壓直流斷路器DCB 的作用是清除輸電線路直流側(cè)發(fā)生的故障，重新投入清除故障后的直流線路，避免系統(tǒng)停運(yùn)。高壓直流斷路器有3 種類型，即全固態(tài)斷路器、機(jī)械式斷路器和全固態(tài)與機(jī)械式相結(jié)合的混合式斷路器，混合式斷路器因其兼具全固態(tài)和機(jī)械式的優(yōu)點(diǎn)，是未來發(fā)展的主要方向。高壓直流斷路器安裝在兩個(gè)換流站雙極出口位置，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障的清除。

1.1.6 無功補(bǔ)償裝置

柔性直流輸電可實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)立控制，在進(jìn)行新能源輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮額外的無功補(bǔ)償裝置。若新能源輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用常規(guī)直流輸電時(shí)無法進(jìn)行無功功率快速調(diào)節(jié)，需要考慮配置同步調(diào)相機(jī)，同步調(diào)相機(jī)可進(jìn)行大量的無功補(bǔ)償，并且響應(yīng)速度快。

1.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 子模塊數(shù)量

新能源輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)高，換流站子模塊數(shù)量較多，是換流站最主要的成本，因此需要計(jì)算換流站最基本單元子模塊數(shù)量。根據(jù)換流閥單元直流側(cè)電壓Udc 和子模塊電容額定電壓UCN，可以求得單個(gè)換流閥單元橋臂子模塊數(shù)量N 為：

N=Udc/UCN（1）

為了實(shí)現(xiàn)故障穿越，提高運(yùn)行可靠性，換流閥單元橋臂中可為半橋子模塊和全橋子模塊混合的結(jié)構(gòu)，其中全橋子模塊數(shù)量占總橋臂數(shù)量比例至少為50%。

1.2.2 子模塊電容

引入等容量放電常數(shù)H，其定義是所有子模塊電容儲(chǔ)存的能量總和等于系統(tǒng)容量放電所能持續(xù)的時(shí)間的長度，其表達(dá)式為：

H=3CU2dc/SNN（2）

由式（2）可以得到電容C 的表達(dá)式如下：

C=HNSN/3U2dc（3）

由于新能源輸電系統(tǒng)電網(wǎng)頻率一致時(shí)，H 與電容電壓波動(dòng)率ε 是不隨具體工程變化而變化的，因此當(dāng)給定ε 的指標(biāo)要求，根據(jù)H–ε 關(guān)系曲線（圖2）就能得到具體H 大小。在具體工程中系統(tǒng)輸送額定容量SN、直流母線電壓Udc 均是已知的，再根據(jù)式（3）可計(jì)算出子模塊電容參數(shù)。

1.2.3 橋臂電抗器

橋臂電抗器Larm 的取值主要取決于其必須避開的二倍頻環(huán)流諧振角頻率，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)其較小的值足以抑制直流側(cè)故障電流上升率。而作為聯(lián)接電抗器的一部分，相單元的等效電路如圖3 所示。

串聯(lián)諧振角頻率ωres 取值范圍較廣，通常經(jīng)濟(jì)合理的取值范圍在工頻ω0 附近，ωres 的計(jì)算公式如下：

由式（1）和式（3）可求得到N 和C，因此可以通過式（4）反推計(jì)算得到Larm。

2 控制保護(hù)策略

2.1 新能源場(chǎng)控制策略

為保證新能源穩(wěn)定輸出功率，在新能源場(chǎng)中機(jī)組輸出端加入兩級(jí)變流器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的并網(wǎng)控制，靠近機(jī)組一側(cè)變流器為機(jī)側(cè)變流器，另一側(cè)則為網(wǎng)側(cè)變流器。

當(dāng)新能源系統(tǒng)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)全功率型時(shí)，機(jī)側(cè)變流器可采用定向矢量或直接轉(zhuǎn)矩控制，網(wǎng)側(cè)變流器可采用直接或間接電流控制；當(dāng)新能源系統(tǒng)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙饋型時(shí)，機(jī)側(cè)變流器通過控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，網(wǎng)側(cè)變流器可采用直接功率控制或基于虛擬磁鏈定向的矢量控制。若需要新能源場(chǎng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)，則網(wǎng)側(cè)變流器可采用虛擬同步機(jī)或下垂控制實(shí)現(xiàn)PCC點(diǎn)電網(wǎng)電壓和頻率的支撐。

當(dāng)新能源系統(tǒng)為光伏發(fā)電時(shí)，機(jī)側(cè)變流器為DC/DC 變流器，其具體結(jié)構(gòu)為Boost 升壓電路，網(wǎng)側(cè)變流器為AC/DC 變流器，可采用電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法和恒定電壓法實(shí)現(xiàn)MPPT 控制，通過MPPT 控制使光伏發(fā)電工作在最大功率點(diǎn)。同樣當(dāng)需要新能源場(chǎng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)時(shí)，可采用虛擬同步機(jī)或下垂控制實(shí)現(xiàn)PCC 點(diǎn)電網(wǎng)電壓和頻率的支撐。

2.2 換流站控制策略

換流站控制是針對(duì)整流換流站和逆變換流站的控制，根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能不同，兩個(gè)換流站控制任務(wù)是不同的。在高比例新能源發(fā)電下，需要對(duì)PCC 點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)頻率和電壓的支撐。當(dāng)新能源場(chǎng)輸出端變流器未采用構(gòu)網(wǎng)控制時(shí)，此時(shí)整流換流站可采用虛擬同步機(jī)控制或下垂控制實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)，則直流母線電壓的穩(wěn)定則是通過控制逆變換流站得以實(shí)現(xiàn)，逆變換流站控制為定直流電壓控制；當(dāng)新能源場(chǎng)輸出端變流器采用構(gòu)網(wǎng)控制時(shí)，此時(shí)整流換流站采用跟網(wǎng)型控制，通過定直流電壓控制穩(wěn)定直流母線電壓，則逆變換流站采用功率控制，實(shí)現(xiàn)功率快速調(diào)節(jié)。

換流站主要包括系統(tǒng)級(jí)、閥級(jí)和子模塊級(jí)3 層控制，其中系統(tǒng)級(jí)控制是換流站的頂層控制，根據(jù)調(diào)度指令實(shí)現(xiàn)有功無功、直流電壓和交流電壓的控制；閥級(jí)控制是指換流站內(nèi)換流單元中橋臂電壓和電流的控制；子模塊級(jí)控制是指換流站內(nèi)最基本單元半橋或全橋子模塊直流側(cè)電容電壓的控制，保證子模塊電容電壓平衡。

2.3 故障保護(hù)策略

新能源輸電系統(tǒng)中存在各種各樣的故障，這些故障主要是由自然環(huán)境因素和設(shè)備固有缺陷所致，主要包括交流故障、直流故障和子模塊故障。

當(dāng)發(fā)生交流故障時(shí)，交流側(cè)電流迅速增大，進(jìn)一步導(dǎo)致?lián)Q流單元中橋臂電流迅速增大，在換流站電流內(nèi)環(huán)控制中可通過對(duì)電流進(jìn)行限幅，降低交流側(cè)輸出電壓以減小交流故障電流，此外需要在換流站交流側(cè)聯(lián)接變壓器加入差動(dòng)保護(hù)。若采用常規(guī)直流輸電系統(tǒng)，由于是半控型器件，交流故障可能會(huì)引起換相失敗，可通過控制晶閘管觸發(fā)角且同時(shí)控制直流電流，進(jìn)而降低換相失敗概率。

直流故障包括直流單極故障和直流雙極故障，當(dāng)發(fā)生直流單極故障時(shí)，只需將故障極退出即可，另一極可正常運(yùn)行。直流故障中直流雙極故障是所有故障中最嚴(yán)重的故障，其故障電流為三相短路故障電流與子模塊電容放電電流的疊加，除了通過高壓直流斷路器清除故障，也可以將換流站內(nèi)最基本單元部分半橋子模塊更換為全橋子模塊，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生直流雙極故障時(shí)，全橋子模塊電容電壓提供負(fù)電壓從而實(shí)現(xiàn)故障穿越。與全采用全橋子模塊相比，混合式結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性更好。

子模塊故障包括子模塊取能故障、開關(guān)器件故障、電容過壓和電容欠壓等模塊級(jí)故障，這類故障發(fā)生在子模塊內(nèi)部，其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響較小，當(dāng)這類故障發(fā)生時(shí)，要求系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常運(yùn)行。在子模塊交流輸出側(cè)并聯(lián)一個(gè)旁路開關(guān)，一般為晶閘管器件，當(dāng)子模塊正常時(shí)旁路開關(guān)為打開狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到子模塊發(fā)生故障時(shí)旁路開關(guān)動(dòng)作，故障子模塊退出運(yùn)行，取而代之的是冗余子模塊投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)故障穿越。

3 結(jié)束語

新能源輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、促進(jìn)綠色低碳發(fā)展具有重大意義。通過優(yōu)化輸電網(wǎng)絡(luò)布局、提升輸電效率與穩(wěn)定性，新能源輸電系統(tǒng)正逐步成為未來電力供應(yīng)的核心助力?？傊?，新能源輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不斷完善與創(chuàng)新，將為全球能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)提供堅(jiān)實(shí)支撐，引領(lǐng)人們邁向更加清潔、可持續(xù)的能源未來。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮俊杰，辛清明，趙曉斌，等. 大規(guī)模新能源超遠(yuǎn)距離送出的柔性直流系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2024，18（3）：34-44.

[2] 劉衛(wèi)東，李奇南，王軒，等. 大規(guī)模海上風(fēng)電柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和展望[J]. 中國電力，2020，53（7）：55-71.