厦门柔性直流输电工程真双极大功率试验方法研究

邹焕雄　李 超 胡文旺 晁武杰



厦门柔性直流输电工程真双极大功率试验方法研究

邹焕雄李 超 胡文旺 晁武杰

（国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

厦门柔性直流输电工程首次采用真双极接线方式，缺乏相关调试经验和试验方案。本文根据该工程特点提出大功率试验方法，包括双极热运行、阀冷冗余、一极紧急停运等试验内容。通过大功率试验可验证设备性能是否符合有关标准要求，并测量谐波含量、换流站效率等参数。试验方法和结果可为厦门柔性直流输电工程运行参数调整和模块化多电平换流器优化设计提供依据，同时也可为其他工程调试提供可借鉴的经验。

模块化多电平换流器；柔性直流输电；大功率；真双极；紧急停运

厦门柔性直流输电科技示范工程是世界上第一个采用真双极接线方案，输送电压和容量最大的柔性直流输电工程，工程直流电压为±320kV、输送容量为1000MW。开展大功率试验是为了考核厦门柔性直流输电工程全部设备的性能是否符合有关国家标准所规定的要求。通过大功率试验可协调和优化设备之间、各分系统之间的配合，以提高系统的整体综合运行性能，是系统联调过程中关键试验之一。

国内柔性直流输电领域研究处于起步阶段[1-5]，已投运的柔性直流输电工程投运时间较短，缺少长期运行经验[6-8]，尤其是厦门柔性直流输电工程首次采用真双极接线方式，其相关控制策略、运行方式和调试方法均处于摸索阶段[9-11]。同时由于常规运行时厦门岛内负荷无法满足大功率试验所需条件，因此需要电网调度部门协助完成部分线路运行状态修改、机组出力、保护定值变更等配合工作。为了保证厦门重要客户用电安全，大功率试验面临时间短、任务重等困难。目前亟需提出完整的大功率试验方法，以确保在规定时间内完成全部相关测试内容。

本文根据厦门柔性直流输电工程技术特点，提出双极热运行试验、阀冷系统冗余试验、一极紧急停运试验等方案，可考核换流阀、桥臂电抗器等设备的带负荷能力，验证阀冷外冷设备的冗余性能并调节相关参数，测试一极紧急停运时另外一极是否正常工作，测量谐波含量、换流站效率等参数。试验方法和结果可为柔性直流输电工程调试和运行参数调整提供借鉴和依据。

1 双极大功率试验方法

1.1 换流站基本参数

厦门柔性直流输电工程真双极接线结构如图1所示[12-13]。工程新建两座换流站（浦园站、鹭岛站），每站分为极Ⅰ、极Ⅱ两个阀厅，阀厅由6个桥臂构成，桥臂采用216个独立子模块（包括冗余模块）串联的方式，子模块采用半桥电路结构（图1右侧）。

极Ⅰ、极Ⅱ可单独控制运行方式、功率、运行状态等参数，每极最大输出功率为500MW，整个工程传输容量可达到1000MW。

在HVDC运行方式下[14-15]，系统稳定后直流母线电压达到额定值，其计算式为

式中，dcN为解锁后直流母线电压额定值；p为交流出口相电压有效值（额定值96.2kV）；为电压调制比（额定值0.85）。根据式（1）计算直流母线电压额定值为320kV。

图1 厦门柔性直流输电工程主电路拓扑

真双极接线具有多种运行方式，极Ⅰ、极Ⅱ可整体运行，也可单独运行，具体运行方式包括[8]：

1）双极带金属返回线单端接地运行。金属回流线在一端换流站单点接地。接地点仅起钳制电位的作用，不提供直流电流通路。两极不平衡电流通过金属回流线返回。

2）单极带金属返回线单端接地运行。极Ⅰ和极Ⅱ分别单极带金属返回线单端接地运行，接地点的作用同运行方式（1）。接地点无直流电流通过，极电流通过金属回流线返回。

3）双极不带金属返回线双端接地运行。极Ⅰ、极Ⅱ作为一个整体运行。

4）换流站独立作为STATCOM运行。此运行方式可分为：极极Ⅰ、极Ⅱ换流器共同作为STATCOM运行，极Ⅰ换流器作为STATCOM运行，极Ⅱ换流器作为STATCOM运行。

1.2 双极大功率试验方案

1）双极热运行试验

本试验目的是检验换流阀、桥臂电抗器等主设备的带满负荷性能，同时测试相关运行参数。具体试验步骤如下。

（1）起动双极直流系统并解锁运行。

（2）提升功率参考值并在20%、40%、60%、80%额定功率时维持运行5min，上升速率为30MW/min。

（3）功率提升至额定功率，系统稳定后持续运行至少6h。

（4）额定功率运行时，进行系统运行参数检查，包括交流母线电压、阀侧电流、换流变压器分接头位置、直流电压、直流电流、直流功率等电气参数；换流变压器油温、线圈温度、阀厅温度等环境参数。

（5）测量两端换流站交流侧、直流侧桥臂电流谐波。

（6）将无功功率调整到零，可记录各站电度表实时显示功率，测量两换流站总损耗。

（7）测试完成后减少功率参考值，将功率调整到零后闭锁并停运。

2）阀冷冗余试验

阀外冷却系统配置3座冷却塔，其中1台为冗余设置。为了考核冷却系统冗余能力，在输送额定功率工况下关闭一座冷却塔（模拟该塔故障后退出运行），考核进/出阀水温是否超标。具体试验步骤如下：

（1）起动该极直流系统，输送额定功率，等待系统稳定。

（2）关闭一座冷却塔的内冷水进水阀门，等待至少15min，观察进/出阀温度的上升情况，温度上升至备用风机起动值时检查外冷却塔备用风机是否起动。

（3）进/出阀温度稳定后，打开该阀门。

（4）关闭一座冷却塔的风机和喷淋泵，使该冷却塔失去冷却能力，等待至少15min，观察进/出阀温度的上升情况，温度上升至备用风机起动值时检查其他外冷却塔备用风机是否起动。

（5）进/出阀温度稳定后，恢复该冷却塔的风机和喷淋泵正常运行。

3）一极紧急停运试验

在双极功率控制方式下，一极带额定功率、另一极空载，手动停运额定功率极，验证是否能转移负荷至另一极并正常工作。具体试验步骤如下。

（1）起动双极直流系统，一极设置输送额定功率，一极设置零功率，等待系统稳定。

（2）将额定功率极手动紧急停运。

（3）核实另一极功率是否自动上升，双极总输送功率不变。

（4）测试完成后减少功率参考值，将功率调整到零后闭锁并停运。

2 试验结果分析

在大功率试验时，各换流站电气量参数运行平稳，交流母线电压、阀侧电流、换流变压器分接头位置、直流电压、直流电流、直流功率等均应与设计值相符，部分试验波形如图2所示。两端换流站换流变压器（包括套管）油温、线圈温度、阀冷却水温度均在规定范围内。换流站交流侧电流和桥臂电流谐波测试结果如图2所示，浦园站最大谐波为5次，谐波含量约0.50%；桥臂电流二倍频环流均小于0.4%，四倍频分量略大，约为1.0%。换流站损耗测试结果见表1，两换流站间所有设备的总损耗约为2%。

（a）交流电压

（b）直流电压

（c）交流电流

（d）桥臂电流

图2 双极热运行试验波形

关闭一座冷却塔的内冷水进水阀门后，冷却水流量降低，进/出阀温度上升。约13min后，进阀温度超过36℃，三座冷却塔的备用风机均起动。由表2可以看出，备用风机起动后，进/出阀温度降低，试验稳定后温度值甚至低于试验前。进阀温度最大温升为2.59℃，出阀温度最大温升为2.58℃。试验结果表明阀冷系统失去冗余后，可通过起动备用风机的方式使进/出阀温度得到有效控制，确保直流系统正常运行。

表1 功率与损耗

表2 阀冷冗余试验结果

浦园站极Ⅱ手动起动紧急停运，直流系统正确闭锁并跳闸，浦园、鹭岛极Ⅱ交流进线开关跳开。如图3所示，在紧急停运过程中未出现意外的暂态电流及暂态电压。极Ⅱ跳闸后，其功率迅速转移到极Ⅰ，功率转移的时间仅为约20ms。在功率转移过程中，极Ⅰ被充电使直流侧电压升高，本试验中其最大值约为327kV。功率转移结束后，极Ⅰ输送跳闸之前的总功率。电网系统所承受的单极闭锁冲击小，暂态过程短。

（a）直流母线电压Ⅰ极

（b）电压交流母线Ⅱ极

（c）电流交流母线Ⅱ极

（d）功率

图3 一极紧急停运试验波形

3 结论

针对目前缺乏真双极接线柔性直流输电工程相关调试经验的现状，本文根据厦门柔直工程特点首次提出了双极大功率试验方法，具体包括双极热运行试验、阀冷冗余试验和一极紧急停运试验等。通过大功率试验验证了换流阀器等设备的带负荷能力、阀冷系统冗余性能、一极紧急停运时另外一极是否正常工作等功能，并测量出谐波含量、换流站效率等数据。相关试验顺利完成，证明了本文大功率试验方法的有效性和可行性，为厦门柔性直流输电工程正常投运提供了技术支撑，也可为其他工程调试提供了可借鉴的典型案例。

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Bipolar High Power Experimental Method of Xiamen HVDC Flexible Transmission Project

Zou Huanxiong Li Chao Hu Wenwang Chao Wujie

(State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007)

The bipolar mode was firstly adopted in Xiamen HVDC flexible transmission project, and it was lack of relevant debugging experience and experimental method. According to the characteristics of Xiamen project, the high power experimental method was proposed, including bipolar thermal performance test, cooling system redundance test and emergency shutdown test. It is verified that the equipments are in compliance with the requirements by high power experiment, and the parameters such as harmonic and loss are measured during the test. Experimental method and results can provide basis for adjusting the operating parameters of the HVDC flexible project and optimizing the design of the converter, and can also provide experience for the construction of other HVDC flexible project.

modular multilevel converter; HVDC flexible; high power; bipolar mode; emergency shutdown

国家电网科技项目（52130415000Z）

邹焕雄（1985-），男，福建省龙岩市人，本科，工程师，主要从事柔性直流输电技术、继电保护及自动化技术研究。