大连柔性直流输电工程的系统设计

马为民，蒋维勇，李亚男

（国网北京经济技术研究院，北京市 100052）

0 引 言

规划中的大连跨海柔性直流输电重大科技示范工程是目前世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程，工程的建成将实现对大连南部地区双通道环网供电，彻底解决大连市区南部电网第二路电源问题，提高供电可靠性［5］。国网北京经济技术研究院于2012年开展大连柔性直流输电工程系统设计，明确了该工程送、受端换流站的主要系统方案，包括主接线、基本运行方式与控制模式、绝缘配合方案、主设备技术参数等。在系统设计中，充分吸收采纳了国内外柔性直流输电领域的先进技术及理念，同时通过与设备制造厂商进行广泛的技术研讨，优化了设备参数，推动了柔性直流输电设备的研发。

1 直流系统主接线

大连跨海柔性直流输电工程直流输送容量1000MW，直流电压±320kV，直流电流1600A。新建柔性直流换流站2座，分别为淮河换流站和港东换流站。新建淮河—港东±320kV直流电缆线路一回，线路全长59.2km，其中海底电缆路径长46km，陆地电缆路径长度13.2km。淮河换流站的主接线如图1所示，采用三相桥式全控整流接线，通过Y Y0／Δ联结变压器接入换流母线。联结变压器阀侧串联接入启动电阻以限制启动时刻的冲击电流。换流阀采用模块化多电平设计，每个阀由约350个结构相同的换流阀子模块串联而成，每个桥臂均由桥臂电抗器和阀串联而成，在直流正负极线均串联了直流电抗器以限制故障电流对换流阀的冲击，港东换流站主接线方案同淮河换流站。大连工程可以实现功率的双向输送，从淮河站送港东站为功率正送方式；从港东站送淮河站为功率反送方式。

图1 淮河换流站主接线示意图Fig.1 Wiring diagram of Huaihe Converter Station

2 主回路参数设计

主回路参数设计根据系统需要的运行功率范围、电压水平和主要控制参数及控制策略，计算所需的联结变压器、换流阀、桥臂电抗器、直流电抗器等设备的主要参数。在这一过程中，要结合可关断器件的通流和耐压能力、设备造价、允许的直流纹波等对设备主要参数进行优化。在此基础上，主回路参数设计需要计算不同运行工况下的柔性直流稳态运行参数和各换流站的功率运行圆图（PQ圆图），明确柔性直流工程各换流站的功率运行范围。

2.1 功率运行范围要求

大连柔性直流工程具有正送和反送能力。有功、无功结算点均位于联接变网侧。2侧换流站的有功功率的运行范围均为［－1000MW，1000MW］。根据大连电网的实际情况，2侧交流系统均希望直流系统具有500Mvar的无功提供能力和400Mvar的无功吸收能力，要在各种运行条件下均满足无功提供能力的要求是困难的，在系统设计中，结合交流系统实际和设备制造能力的限制，在下列2个方面进行了优化：

（1）根据交流系统的运行特点，当换流站换流母线电压为最小稳态运行电压时，换流站从系统吸收无功是不合理的；反之，当换流母线电压为最高稳态运行电压时，换流站也无需向系统注入无功。因此，系统设计中换流站的无功变化范围根据系统电压无功的实际控制要求进行了优化，提出图2所示的大连柔性直流工程换流站无功提供／吸收能力与交流电压的关系。

图2 无功交换能力与交流电压的关系Fig.2 Relation between reactive power exchange and AC voltage

（2）柔性直流换流阀的最大通流能力为1.8kA。直流输送额定功率时，不同无功功率对应的换流阀电流见表1。由表1可见，在直流大功率运行时，如果无功功率较大，则换流阀电流将越限。因此，在输送功率为1000MW时，不要求换流站提供或者吸收无功功率；在输送功率为800MW 时，具备300 Mvar的无功提供和吸收能力，当输送功率小于600 MW时，具备500 Mvar的无功提供能力和400 Mvar的无功吸收能力，确保换流阀电流在设备承受范围内。换流站各种有功功率运行情况下的无功提供能力如图3所示，图中功率输送方向由换流站至系统为正。

在灰岩裂隙中运动的地下水，其中侵蚀性CO2会使石灰岩的主要成分CaCO3、MgCO3被溶蚀，使得水中出现较多的Ca2+、Mg2+和HCO3-离子含量，产生一定的碳酸盐硬度。而灰岩中硬石膏的溶滤是地下水中SO42-含量增高的主要因素。

表1 不同功率情况下的换流阀电流Tab.1 Converter valve current under different power

图3 换流站各种有功功率情况下的无功提供能力Fig.3 Reactive power supply capacity under different active power in converter station

2.2 控制策略

柔性直流输电系统各换流站均具有有功和无功四象限运行的能力，即有功和无功是解耦控制的［6－7］。通常情况下，由送端控制直流电压，另外一站控制有功功率。同时，2站可以分别根据交流系统的要求控制换流母线的交流电压或与交流系统的无功交换。以淮河站整流运行为例，该站采用定直流电压控制，控制直流电压为额定电压±320kV，此时港东站采用定有功功率控制，控制联结变压器网侧出口功率为指定功率。2端换流站均可以采用定交换无功控制或者定交流母线电压控制模式，通过调节调制波幅值使得交直流系统交换无功功率为设定值，或者控制交流母线电压为设定值。

通过联结变压器分接头控制，使调制比范围内为［0.75，0.95］，直到分接头达到上、下限为止。淮河站和港东站的额定调制比均为0.9。

2.3 主设备技术参数

2.3.1 换流阀

大连柔性直流工程换流阀采用模块化多电平结构［8］，其结构如图4所示。

在模块化多电平换流阀子模块中，子模块电容器的大小直接决定着子模块输出电压的纹波，进而决定了直流电压的纹波［8－10］。子模块电压的波动和子模块电容存储的能量的波动成比例，子模块电容器存储的能量可根据参考文献［8］推导过程得到。根据绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）的耐压能力以及考虑冗余等方面，大连柔性直流工程每个桥臂的换流阀拟选择由350个子模块串联而成。本工程考虑直流电压波动不高于5%额定电压，根据直流电压的波动要求，计算得到淮河站和港东站子模块电容器参数最小值都是17mF。

图4 模块化多电平换流阀结构示意图Fig.4 Structure of modular multilevel converter valve

另外，由于直流侧安装直流电抗器，这在一定程度上会削减电压波动，因此可以考虑适当减小电容器的大小，实际子模块的电容值取10mF。

2.3.2 桥臂电抗器

桥臂电抗器是电压源换流站的一个重要部分，是主要的换相电抗设备，换流器也是通过桥臂电抗器实现有功和无功的控制。桥臂电抗器参数的选择综合考虑二倍频环流抑制要求、电流响应速度、故障电流抑制、无功提供能力等方面的因素。桥臂电抗器参数选择还要经过无功以及动态性能仿真的验证。综合考虑各方面因素，大连柔性直流工程桥臂电抗器为干式电抗器，每个桥臂1台，每台桥臂电抗器的电感值为85mH。

2.3.3 联结变压器

联结变压器在柔性直流输电工程中的作用主要是在阀侧形成与换流阀直流侧匹配的电压同时能够提供部分换相电抗。本工程联结变压器为单相三绕组油浸式，单台额定容量341MVA，联结变压器容量的确定考虑了联结变压器和桥臂电抗器损耗，特别是无功损耗。网侧、阀侧额定电压为230、341.3kV，淮河换流站和港东换流站均以整流输送1000MW，系统无功交换0Mvar作为额定运行状态确定联结变压器额定变比。联结变压器采用Y／Y0／Δ接法，其中，第3绕组为阻尼绕组。联结变压器额定短路阻抗15%。分接头档位范围10／－2，分接头级差1.25%，分接头档位考虑了交流母线的稳态电压变化范围、直流电压的波动范围和测量误差等，以使柔性直流系统满足各种工况下的功率运行范围要求。

2.3.4 直流电抗器

直流电抗器主要起到抑制直流侧短路电流和限制子模块电流变化率的作用，其参数与桥臂电抗器的参数应相互适应配合，还能起到抑制直流纹波的作用。直流平抗型式为干式、空心，单台直流平抗的电感为80mH。额定直流电压320kV，直流电流1600A。

2.3.5 启动电阻

为了保证换流阀及其他一次设备的安全，柔性直流输电系统启动时需限制启动电流；充电电流不超过额定电流的50%，同时应对充电时间进行限制。启动电阻的阻值取7kΩ。

2.4 换流站的运行范围

主设备参数确定后，柔性直流工程换流站的功率运行范围就随之确定了。采用PQ圆图表示柔性直流换流站的功率运行范围，即注入交流系统的有功和无功的能力。图5为在分接头配合下，交流母线电压在220－235kV内，大连柔性直流工程淮河换流站的PQ功率圆图，即当交流母线电压在220235kV内变化时，柔性系统淮河换流站可以在图5曲线内部任意一点运行。

图5 淮河换流站运行功率范围Fig.5 Operating power range in Huaihe Converter Station

根据设计，当交流母线电压高于235kV，换流站提供无功能力逐步降低，当换流母线电压低于220kV时，换流站吸收无功能力逐步降低，表2给出了换流母线电压为235、242kV时淮河换流站的无功提供能力和换流母线电压为220、213kV时淮河换流站的无功吸收能力。

2.5 换流站运行特性

淮河换流站换流母线为230kV、直流运行电压为320kV时的各种运行状态如表3所示。

当交流电压或其他运行条件变化导致调制比超出［0.75，0.95］时，通过联结变压器分接头档位调整使调制比回到正常范围内。

3 换流站绝缘配合方案

3.1 绝缘配合的原则

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柔性直流换流站的绝缘配合原则与常规换流站一样，参考绝缘配合的相关国家标准和IEC标准确定［11－13］。在考虑避雷器保护时，交流侧的过电压应尽可能由装在交流侧的避雷器保护，直流侧的过电压应由装在联接变压器直流侧的避雷器组合加以限制。换流设备的关键部件应由与该部件紧密相连的避雷器直接保护，在绝缘裕度的选择上，尽可能根据运行电压，选择标准的避雷器额定参数及保护水平，设备的绝缘水平也按照该电压等级选取。

大连柔性直流工程避雷器的配置方案如图1所示，其中：直流电抗器线路侧设备由直流极线避雷器（D）保护；阀顶区域设备由阀顶避雷器（DL）保护；换流阀与桥臂电抗器由阀低避雷器（VL）保护；联结变压器阀侧及相关设备由阀侧交流母线避雷器（AV）保护；联结变压器交流侧母线及设备由交流避雷器（A）保护。

3.2 避雷器参数

换流站过电压由外部或内部的原因引起，引起过电压的外部因素有交流系统开关操作、故障清除、雷击和甩负荷等，这些事件一般不会导致直流系统停运。引起过电压的内部因素有直流系统内（包括电源部分）的接地故障、短路以及控制故障，这些故障可能会导致直流系统停运。对于柔性直流换流站，考虑的故障包括交流侧母线及联接变网侧和阀侧短路、直流平抗及线路短路故障等。根据过电压仿真的结果，可以确定换流站各避雷器的参考电压及保护水平如表4所示。

表4 换流站避雷器参数及保护水平Tab.4 Protective levels and parameters of

3.3 设备绝缘水平

设备绝缘裕度参照常规直流工程及相关标准选取［12－13］，本工程确定的设备绝缘裕度按不小于表5所示的值考虑。

表5 设备绝缘裕度Tab.5 Insulation margin of equipment

根据避雷器的参数和设备绝缘水平，最终确定的设备绝缘水平如表6所示。

表6 换流站保护水平及设备绝缘保护水平Tab.6 Protection level of converter station and insulation protection levels of equipment

4 结 论

大连跨海柔性直流输电工程主接线采用三相桥式全控整流接线，联结变采用Y／Y0／Δ绕组接线方式，换流阀采用模块化多电平设计，桥臂电抗器采用干式电抗器。通过主回路参数设计，工程具有1000 MW的有功功率双向传输能力；当换流母线交流电压为220235 kV，输送有功功率为1000 MW时，具备提供34 Mvar无功的能力和吸收211 Mvar无功的能力；在同样的电压范围内，输送有功功率为800 Mvar时，具备提供481 Mvar无功的能力和吸收515 Mvar无功的能力；在同样的电压范围内，当输送功率小于600 Mvar时，具备提供528 Mvar无功的能力和吸收416 Mvar无功的能力。较强的无功提供能力为大连电网安全稳定运行提供了有力的无功支持。通过绝缘配合研究，确定了联结变压器阀侧、桥臂电抗器阀侧、直流电抗器阀侧等所有节点的绝缘水平，为换流阀、直流电缆等设备的研制奠定了基础。大连跨海柔性直流工程设计是我国首次独立完成的柔性直流工程系统设计，填补了我国在柔性直流系统设计领域的空白，标志着我国柔性直流系统设计技术已经站在世界前列。

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