贵州配电网柔性直流输电示范工程

彭小俊 郝宝泉 张海涛 刘宝诚

（1.贵州电力试验研究院，贵州 550000；2.荣信电力电子股份有限公司，北京 100084）

贵州电网公司科技项目“配电网柔性直流输电的研究与应用”，作为我国首个配电网柔性直流输电项目，通过研究柔性直流输电系统的换流站阀体设计和选择，控制和保护策略，传输效率等关键技术问题，开发配电网柔性直流输电系统成套设备，在贵州省铜仁市玉屏县大龙镇建设可长期运行的配电网柔性直流输电示范工程，开展较长周期的运行系统集成及运行维护关键技术的研究。同时研究柔性直流输电系统的技术规范与标准、管理规范和主要工程参数设计方法。设备额定电压为±10kV，输送容量为双极4MVA，单极2MVA。为柔性直流输电技术未来在我国高压输电网络、配电网络、孤岛 并网等领域的发展提供技术基础，并积累了工程经验。

本文首先详细说明了项目的系统设计、一次电气设计、主要设备、控制保护系统设计。为类似项目的设计提供了参照。最后阐述了项目的试验项目及试验方法，并展示了部分试验的试验结果及波形，证明了设备的各项功能满足设计要求。

1 项目设计

1.1 系统设计

本项目柔性直流输电系统交流输入为10kV，直流电压输出为±10kV；逆变站直流输入为±10kV，交流输出10kV，双极运行模式额定容量4MVA，单极 运行模式2MVA，为负荷供电。整套输电设备可以作为两套容量均为2MVA 的独立单极直流输电设备，输电距离约3 公里。交流10kV 出线通过整流变压器接到12 个整流功率单元模块，12 个模块串联得到10kV 的直流电压，通过3km 直流电缆连接到逆变站的逆变功率单元，通过变压器变换成为10kV 的交流电连接到10kV 交流电网。系统图如图1所示。

图1 贵州柔直输电项目系统原理图

该方案具有可靠性高、结构简单、占地面积小、开关频率低、损耗小等特点，是一种非常适合城郊结合区域输电的方案。

1.2 一次电气设计

整套系统具备带电维护检修功能，正常运行模式为双极运行，故障时自动转入单极运行，无需停电即可进行故障维护，维护完毕后可由单极运行再转入双极运行，大幅提高了可靠性和有效性。

1.3 主要设备

1）整流功率单元

整流站的主体与核心部分是整流功率单元。其交流侧与变压器连接，接收变压器供给功率单元的能量，具有相同结构和功能的多个整流功率单元串联形成直流电源，通过输电电缆将电能输送至逆变站。

整流功率单元为三相全桥IGBT 整流，具有输入电流、直流电压检测以及温度开关检测功能，整流功率单元控制板检测这些信号后，反馈给主控系统，同时具备熔丝保护、过压、欠压、超温、过流保护等[1-5]。

2）逆变功率单元

逆变功率单元是逆变站的主体与核心部分。由相同结构和功能的多个逆变功率串联形成一个整体直流侧，与整流站的直流侧经输电缆相连，接收传输而来的电能。逆变功率单元将直流电压逆变为50Hz 的正弦交流电压，其交流侧经变压器绕组并联，为负荷供电。

逆变功率单元为三相全桥IGBT 逆变，具有输出电流、直流电压检测以及温度开关检测功能，逆变功率单元控制板检测这些信号后，反馈给主控系统，同时具备熔丝保护、过压、欠压、超温、过流保护以及IGBT 驱动短路保护等[5-9]。

3）变压器

整流站采用全控整流方式，整流变压器是整流站的主要电气设备，逆变变压器是逆变站的主要电气设备，采用干式，多绕组隔离设计方案，起到电压变换及电气隔离作用[10-11]。

表1 变压器基本参数

4）直流限流电抗器

直流限流电抗器装设在整流站直流侧出口，及逆变站直流侧入口。主要作用是在直流侧发生短路故障时，限制短路电流的急剧上升，以保护直流输电设备。同时，整流站直流侧出口，及逆变站直流侧入口，分别还装配了直流熔断器，作用是在直流侧发生短路故障时，快速熔断，隔离故障点，保护直流输电设备[12]。

1.4 控制保护系统设计

1）控制系统

轻型直流输电系统是一个复杂的系统，其实际运行性能极大地依赖于它的控制系统。合理的控制体系能提高工程的可用性及可靠性等指标。类似于传统直流输电控制系统，为了把由控制系统故障引起的直流系统不可用率降到最小，轻型直流控制系统也通常采用多重化和分层结构[13-15]。整个控制系统由系统级控制、换流器级控制、触发级控制组成。这种分层设计增强了系统的灵活性。

2）保护系统

系统中任一保护动作后，人机界面上都会准确显示故障类型、位置等，故障的有关详细信息，用户可以通过故障信息及相应处理说明，对故障进行简单处理，以便整个系统迅速恢复正常运行。所有保护装置均为微机型保护，并可通过通信接口与轻型直流监控系统进行信息交换。保护用的继电器和设备与轻型直流控制设备和接口分开安装。保护装置符合轻型直流设备安全可靠运行的要求，满足可靠性、选择性、灵活性和速动性的要求，保护定值和延时的选择与上级保护配合，防止越级动作[10]。保护系统设有主保护和后备保护。保护系统能够接受从CT、PT 或由乙方提供的轻型直流设备单元传送的输入信号。

保护系统主要包括如下几部分：控制系统保护（UPS 故障保护、输入信号异常保护、电源故障保护、硬件故障保护、子系统故障保护、击穿保护、过流保护、丢脉冲保护及通讯故障保护等）；阀组保护（过压保护、低压保护、丢脉冲保护、阀元件故障保护等）；冷却系统保护。

2 出厂试验

2.1 变压器、功率单元耐压试验

表2 测试内容

2.2 控制器故障保护测试

试验的目的是，保证系统的保护功能正常，在设备发生故障时系统可以及时动作，保证设备的安全。

2.3 空载试验

为确保各个功率单元工作正常，每台集装箱单独调试，设备直流侧的直流刀闸保持断开状态，在人机界面上设置单元直流侧电压给定值，观察单元直流侧电压、电流是否在正常的范围。

2.4 无功试验

确保各个单元在无功模式下可以正常工作，以便对系统进行无功补偿。在设备空载试验完成的基础上，设备直流侧的直流刀闸仍保持断开状态，通过人机界面设置直流侧电压和无功值的大小及方向，实现系统对电网的感性或容性无功补偿。

图2 装置输出的无功电流

从图2中两个照片可以看出，当无功电流给定较小时，电流的开关纹波较大，但当电流发至0.8pu时，由于开关波纹电流幅值不变，因此相对于基波值，随着无功电流的增加，纹波电流所占比例逐渐减小，电流正弦度也逐渐变好。同时对0.6 倍容性无功输出时电流波形进行谐波分析，结果见图3，其谐波主要是开关纹波3.5kHz，其有效值大小约为6A。

图3 0.6 倍容性无功输出

不难看出，逆变单元电流波形中无纹波，这是因为其开关纹波被交流滤波电容吸收。波形如图4所示。

2.5 有功穿越试验

设备空载及无功试验完成基础上，将整流和逆变两套设备的直流侧的刀闸闭合，通过在逆变站触摸屏上设置有功给定值大小及方向，实现整流站与逆变站之间的有功传递（能量可逆），实现系统的直流输电功能。此时关心的是电能成功送到逆变侧后，逆变侧的电流波形及逆变侧的电网电流波形。如图5和图6所示，不同无功输送容量下的逆变侧、及电网侧电流波形。

图4 逆变单元的电流

2.6 老化试验

老化试验的目的是，保证系统运行可靠，主要部件温升在设计值以内。四套集装箱的交流侧并联到同一电网，直流侧刀闸全部闭合，逆变站有功给定为0.95，整流站运行于满载状态，设备无故障运行24h，每隔1h 测试主要部件温度。

图5 逆变站单元电流波形

图6 网侧电流（满载）

试验环境温度为15°C，变压器稳态最高温度为60°C，温升为45°C。单元温升为20°C，变压器与单元温升均符合设计要求[16-20]。

3 项目管理

整个工程由贵州电力科学研究院负责管理，多个企业及设计院共同参与，包括工程设计，设备制造，现场土建等部分。为按时高质量完成项目，此项目制定了严格的管理制度，把整个工程分成几个重要的阶段并设定了时间节点，包括：初步设计、初设评审、详细设计、最终设计确认、采购、设备组装、现场土建、主要设备出厂试验见证、包装运输、现场安装调试、系统联调、设备试运行。同时对各主要设备供应商有详细的严格的管理手段，这也是整个工程质量控制的一个重要部分。质量计划中不止规定了设备及整个工程的质量控制计划，还包括了现场施工安全监管，环境保护，人员健康等等细节。所有参与工程的各方严格遵照项目的管理条例，按部就班的完成所应承担的任务[21-22]。目前项目主要设备已经完成出厂试验，现场土建工作也都按项目计划顺利的进行中。

4 结论

1）介绍了建造此示范工程的目的、项目基本情况及项目背景。

2）较详细的阐述了项目的设计，包括电气设计、工程设计、设备的结构电气设计、控制保护系统设计及工程的主要设备。

3）较详细描述了设备的出场试验，包括试验项目、试验手段、试验结果等。由出厂试验结果可以看出，设备完全满足设计要求，各项功能及考核结果都满足标准。

4）简单介绍了项目的管理手段，及执行情况。

5）从调试和试验结果看出，示范工程达到了预期的目的，为柔直技术在电网中的大规模应用积累了工程经验，提供了技术应用的基础。

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