柔性直流换流站主接线形式选择分析

刘情新

(中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司,河北 石家庄 050031)

柔性直流输电技术是一种基于模块化多电平技术(MMC)发展而来的新型直流输电技术,是一种目前已经开展工程应用的先进电力电子技术。国内已有众多柔性直流工程建成投运,并且我国已修编一批与柔性直流输电技术相关的技术规范标准,柔性直流输电技术大规模发展应用的条件已经日臻成熟。本文讨论了典型的柔性直流换流站的主接线形式,为柔性直流换流站的主接线设计提供参考。

1 柔性直流输电系统

按照电压等级区分,柔性直流系统可以分为高、中、低压柔性直流输电系统。根据《中低压直流配电电压导则》中的划分,110～1 500(±750)V属于低压范围,3 000(±1 500)V～±50 k V属于中压范围,±50 k V以上属于高压范围。

按照电网结构区分,高压柔性直流输电系统分为两端柔性直流输电系统、多端柔性直流输电系统、背靠背柔性直流输电系统;中低压柔性直流配电系统分为环状柔性直流配电网、放射状柔性直流配电网、两端柔性直流配电等。

不同的电压等级和电网结构对柔性直流换流站的主接线形式有不同的要求,主接线形式的选择必须充分考虑。

2 柔性直流换流站主接线形式

2.1 对称双极接线形式

对称双极接线形式如图1所示,该接线形式采用2组6脉动换流桥结构,在2组换流桥中间接地,换流桥对称运行。该接线的接地方式包括:

图1 对称双极接线形式示意

(1)不配置金属回流线,2组换流桥中间位置直接连接直流接地极接地;

(2)配置金属回流线,经直流中性母线接地。

对称双极接线形式的接地极类型包括外引直流接地极和直流中性母线直接站内接地等2种。采用外引接地极方式时,无金属回流线,但是需抑制外引接地极直流偏磁对地下金属管线和电力设施的影响。采用直流中性母线直接接地方式时,有金属回流线直接在换流站内接地,能消除单极运行方式时直流偏磁的影响,运行方式灵活可靠,但是需增加1回架空导线(或者电缆)来连通两端换流站的中性点。

对称双极接线形式在直流侧发生故障时,只影响故障极的运行,而对健全极的运行没有影响,从而提高系统的可靠性;并且这种接线形式的换流站易于分期建设,可以先投运单极然后再投运双极;双极接线形式的换流站可以使用更多换流阀组,更适用于高电压等级、大容量的柔性直流输电系统。但在对称双极接线形式下,正常运行时每一极的交流侧都要承受一半的直流极线电压,会使联结变压器及相关配套设备的制造难度提高。

2.2 对称单极接线形式

对称单极接线形式如图2所示,该接线形式通常采用一组6脉动换流桥结构,使用适合的接地装置在交流侧或直流侧钳制住中性点电位,使2条直流极线电位形成对称的正负电位。对称单极接线系统的接地方式包括:

图2 对称单极接线形式示意

(1)两条直流极线间经大电阻或电容接地装置钳制中性点电位;

(2)换流变阀侧经交流接地电抗器及与其相连的中性点接地电阻接地;

(3)换流变阀侧绕组中性点经接地电阻接地。

当采用直流极线经大电阻或电容接地方式时,在系统正常运行时大电阻或大电容需要长期工作,额外消耗能量;采用换流变压器阀侧经接地电抗器接地方式时,接地电抗器需要吸收大量无功,影响系统的无功调控性能;采用换流变阀侧绕组中性点经接地电阻接地方式时,需要换流变压器的阀侧绕组采用Yn接线,即Δ/Yn接线的双绕组换流变,Y0/Yn/Δ接线的三绕组换流变压器,其中Δ绕组为零序分量屏蔽绕组,该方式下换流变需要承受直流故障下的复杂电磁过程,增加了换流变压器的制造难度。

对称单极接线形式结构简单,在系统正常运行时,联结变压器的阀侧绕组承受的是正常的交流电压,设备制造容易。但是采用对称单极接线形式的换流站在柔性直流系统发生直流短路故障后需要整体退出运行,导致故障恢复过程缓慢;另外受到制造能力限制,换流子模块器件的通流能力还不能做到太高,正常运行电流只能做到1 600 A左右,因此对称单极接线形式并不能适用于大容量柔性直流换流站。

2.3 非对称单极接线形式

非对称单极接线形式如图3所示,该接线形式的换流桥直流侧一端直接接地,另一端采用大地回线或者金属回流线并接地。

图3 非对称单极接线形式示意

3 柔性直流换流站主接线形式选择分析

3.1 高压柔性直流换流站主接线形式

高压柔性直流换流站目前应用较多的是对称单极接线和对称双极接线两种主接线形式,其选择主要取决于系统要求、设备制造能力与工程投资[1- 2]。

按照系统结构要求,对于两端柔性直流输电系统与背靠背柔性直流系统,其输送容量相对较小,系统结构简单,优先考虑采用对称单极接线形式;对于多端柔性直流输电系统,其输送容量较大,且系统结构复杂,若其具备单极运行能力,将大幅提高其灵活性和可靠性,优先考虑采用双极接线。

同时需要考虑不同换流器子模块对柔性直流换流站主接线的影响,半桥型子模块换流器不具有故障自清除能力,需要与直流断路器配合来实现故障清除;全桥型子模块换流器具有故障自清除能力,可以与高速机械开关配合实现柔直电网故障清除。多端柔直系统结构复杂,运行形式多样,控制保护难度高,多采用半桥型子模块换流器加直流断路器的方式,同时半桥型子模块换流器的功率损耗也大大低于全桥型子模块。

受制于换流阀的制造能力,±500 k V、±800 k V等特高压柔性直流工程需采用对称双极接线形式来为降低换流阀组直流绝缘耐受电压,减少换流阀组的制造难度。

对称双极接线形式的换流站相比于对称单极接线形式的换流站,在占地面积、投资和建设周期上均有提高,更适用于大容量、远距离的柔性直流输电工程。

3.2 中低压柔性直流换流站主接线形式

中低压柔性直流系统多应用于配电领域,对称单极接线形式应用较多,非对称单极接线形式在少量工程中有所应用[34]。

中低压直流配电系统中对称单极接线形式采用两电平换流器或者多电平换流器,并在直流侧需设置中性点提供系统运行控制的电压参考点,减少正常运行时载波频率次谐波,保证正常运行和故障恢复后正、负极电压的对称,同时减少绝缘投资。

对称单极接线形式的直流侧中性点接地方式可以分为电容直接接地、经电阻接地2种。交流侧中性点运行方式包括不接地运行和经电阻接地运行。采用交流侧中性点不接地运行时,直流侧采用经电阻接地,能限制短路电流和加速故障恢复;交流侧中性点直接接地运行时,需通过联接变压器与换流器连接,并且需要增加接地电阻来限制短路电流。

中低压柔性直流配电系统按电网结构,分为环网直流配电网、放射状直流配电网、两端配电直流配电网等,中低压柔直换流站中都配置直流断路器用于断开直流侧故障,以适应不同的中低压柔直配电网络结构。

目前,国内已投运的部分柔性直流换流站工程的主接线形式[56]如表1所示。

表1 国内投运的部分柔性直流换流站的主接线形式

4 结论

对于高压两端柔性直流输电系统与背靠背柔性直流输电系统,其输送容量相对较小,系统结构简单,在综合投资对比分析后,优先考虑采用对称单极接线;对于高压多端柔性直流输电系统,其输送容量较大,且系统结构复杂,在综合经济技术分析后,优先考虑采用对称双极接线。考虑到多端柔直系统结构复杂,运行形式多样,控制保护难度高,因此多采用半桥型子模块换流器加直流断路器的方式。对于中低压柔性直流配电系统多采用对称单极接线形式,非对称单极接线形式在特殊工程中也可以应用。