柔性直流输电的并网建设与故障分析

2023-01-06徐宏碧

通信电源技术 2022年17期

徐宏碧

（广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东肇庆 526000）

1 柔性直流输电系统及其特点概述

1.1 柔性直流输电系统概述

柔性直流输电技术原理如图1所示。以电压源换流器、自关断器件和脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）为基础的新型直流输电技术。柔性直流输电系统主要包括联结变压器、直流开关设备、输电线路、直流电容、桥臂电抗器、电压源换流器以及控制与保护装置等。国际大电网会议（International Council on Large Electric systems，CIGRE）和电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）将柔性直流输电技术命名为电压源换流器高压直流输电（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Transmission，VSC-HVDC）。ABB—HVDC Light为轻型直流输电，注册商标；SIEMENS—HVDC（Power Link Universal System，PLUS）为新型直流输电，注册商标；国内的HVDC Flexible为柔性直流输电。

图1 柔性直流输电技术原理

1.2 柔性直流输电的特点

1.2.1 优势

和传统高压直流输电技术相比，柔性直流输电技术具有以下典型优势。

（1）在柔性直流输电应用中不需要交流侧提供无功功率，因此不存在换相失败的问题。因为传统高压直流输电技术应用中换流站需要吸收无功功率，所以无功补偿装置必须在系统中增设。同时，传统直流输电需要依赖交流系统电压支撑实现换相，如果交流系统具有较弱的电压支撑，会导致系统出现换相失败问题，而柔性直流输电技术的应用规避了换相失败问题发生[1]。

（2）柔性直流输电技术能够应用于四象限，并且可以实现无功功率和有功功率的动力控制，保证无源网络的有效供电。柔性电流输电能够当作静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）用于交流侧无功功率的有效补偿，有效稳定系统中的交流电压。传统的直流输电技术只能应用于二象限，且不能实现无功功率和有功功率的独立控制。

（3）柔性直流输电中的谐波较少，因此不需要配备相应的滤波装置。其原因是柔性直流输电中具有较高的开关频率，从而保证其谐波较少。

1.2.2 局限性

柔性直流输电技术因为元件拓扑结构和制造工艺水平的制约，导致其存在局限性，下面就局限性进行分析。

（1）基于柔性直流的输电工程输送容量有限。换流期间具有一定结温及容量限制，因此其通流能力相对较低，柔性直流输电受到直流电缆电压的限制。

（2）柔性直流输电的可靠性相对偏低，且其故障承受能力也较弱。柔性直流输电技术中应用的直流断路器不能实现系统电流的开关；柔性直流输电在拓扑结构中还不能够实现故障电流的有效阻断，直流侧若出现故障不能实现自清除，影响了其可靠性和故障承受能力。

（3）柔性直流输电和传统直流输电相比，因较高的开关频率导致损耗较大。

2 柔性直流输电的发展及应用

2.1 大规模送电和交直流系统联网

我国东西部地区能源分布不均，东部地区能源含量相对匮乏，而西部地区能源含量比较充足。但是，东部地区用电负荷较多，西部地区用电负荷较少，这就出现负荷分布和电能储备之间的不平衡状况。为保证系统远距离、大容量输电，必须加强特高压直流输电工程建设，进一步提升其布局水平[2]。

2.2 分布式电源并网

分布式电源作为一种新兴能源方式，其具有分散性、容量小的特征，且极易受到气候以及水文条件因素的影响，具有一定间歇性和波动性。柔性直流输电在分布式电源并网中具有很好的适应性。

2.3 电网增容改造与进行直流供电

柔性直流输电具备谐波含量少的优势，因此能够及时迅速地实现系统功率控制，提升系统电能质量。另外，柔性直流输电占地面积相对较少，从而提升了土地资源利用率，避免了不必要浪费。在交流侧电流控制中系统能够根据实际需求进行电流调节。

2.4 向弱系统或孤岛供电

柔性直流输电在应用过程中，换相电压不需要外部提供，在无源逆变状态下能够实现系统的运行。无源网络可以当作受端系统，从而实现了偏远地区的有效供电[3]。

3 多端柔性直流输电系统的新能源并网建设与控制控制

3.1 采集、处理多端柔性直流输电系统协调控制信号

本文为实现直流输电系统协调控制信号的完整、及时采集，引入了馈线终端装置，利用该装置采集信号之后，该信号在通信网络系统中传递回控制主站，主站对数据和电压信号等进行分析，最终确定并网下柔性直流输电系统的协调控制区段。柔性直流输电对协同控制要求较高，需要保证其准确性和精确度，因此需要进一步提升信号采集水平。在柔性直流输电系统中引入误差传感器，实现控制辐射功率的最小化，以此准确、高精度的实现对系统的降噪和除杂。引入目标函数R，其计算公式为

式中：n为数集，系统协调控制信号；i为系统中涉及到的控制点个数；P为初级声源声压；PH为次级生源声压。将式（1）作为同步信号。

3.2 计算多端柔性直流输电系统协调控制频率

通过上述分析进行协调信号的采集，实现协调控制频率的精确计算。在计算中需要为柔性直流输电系统确定数值，然后进行运算，规定时间之后改变该值，用于相系统协调频率的计算。将柔性直流输电系统中的协调频率计算公式为

式中：k为运行过程中柔性直流输电系统的比例系数；f(x)为采样偏差；j为系统控制误差比例参数。

3.3 实现多端柔性直流输电系统协调控制

得到柔性直流输电系统的协调控制频率后，借助计算机技术、自动化技术进行系统控制，最终得到不同控制点位的具体控制数据。引入变量数据对柔性直流输电系统的协调控制数据进行处理，得到映射并最终得到区域性映射，利用系统进行数据计算和转换，得到具体参数控制。用户将得到的参数输入系统中进行自动检测和校验，判别是否需要更改控制参数。系统中的控制信息和控制数据利用计算机端口进行存储，并且能够将存储的信息输入到映射区域中，然后给出词义和控制语义，执行计算最终获得正确控制结果，用于指导柔性直流输电系统协调控制[4,5]。

4 柔性直流输电并网中常见故障和处理措施

4.1 发电机线圈损坏及处理措施

柔性直流输电系统中发电机若长时间运行，可能会直接影响定子线圈的绝缘性，情况严重时会导致绝缘击穿。发电机中的绝缘部位是线圈保护的核心，若其出现损坏可能引发严重事故。如果发电机线圈发生了损坏，则需要进行及时修复，但修复需要时间较长且成本较高。柔性直流输电系统中的线圈若烧毁严重，会导致转子线圈损坏，影响发电机正常运行。

具体应对措施如下。一是在柔性直流输电系统发电机等相关零部件生产中，工作人员须进一步提高重视意识，不仅需要做好线圈清洁工作，而且需要做好绝缘层处理工作，有效阻止杂物等进入电机中带来负面影响。二是生产中应该保证电机线圈完整涂漆、完全覆盖，从而有限避免绝缘层烧毁或击穿。三是柔性直流输电系统运行，尤其是长期运行期间，必须做好发电机等零部件的运维保养工作。柔性直流输电系统长期运行会导致发电机等零部件不断摩擦，必然导致磨损问题，严重的磨损可能产生高温烧毁线圈。在日常运行过程中，必须做好日常保养维护工作，尤其关注轴承润滑和冷却系统，有效避免如上问题。

4.2 发电机组故障及处理措施

工作人员在工作中应着重关注发电机的各项内容和参数，包括外观、各项数据、运行指标等，着重关注发电机组故障易发生部位和数据参数。首先工作人员须掌握发电机的各项参数，并且进行记录。若发现故障，需要对故障信息和详细参数进行记录。其次将这些数据传输至运维人员，包括保养情况、设备运行情况以及故障参数。运维人员收到这些参数之后，须对故障进行具体分析，得到故障诱因，并结合诱因制定科学的运维计划。在排除故障之后还需要给出保养计划，给工作人员的实际工作提供指导。实际发电机长期运行状况下故障诱因较多，其中问题最多的是密封系统和冷却系统，故障多、影响大。在实际工作中，须做好详细的检测和记录，同时对接工作中的工作人员和运维人员必须认真细致，执行有效的方法和策略，判断故障、排除故障、做好进一步运维。另外，发电机在柔性直流输电系统应用时间较长之后，会出现老化故障问题，针对这种问题需要及时进行设备的更换和升级换代。

4.3 借助专业的设施来诊断仪器设备

为有效了解把握柔性直流输电系统的运行情况，就须要借助专业、先进的诊断仪器设备，如超声波设备、红外线等设备监测发电机等相关设备的运行情况，同时在故障情况下能够利用这些设备对发电机问题进行分析和判别，从而得到引发故障的主要原因，针对原因制定有效、科学的应对措施。目前，科学技术、信息技术得到了不断的发展，各种新型技术和新型设备衍生出来，这些诊断设备和检测仪器不断完善和创新，我国也实现了与国际接轨，甚至很多技术设备处于世界领先水平。这些新设备及新技术的应用，能够进一步提升故障诊断准确性，从而容易、快捷地找到发电机组等设备故障所在，也能更精确地分析故障原因，对于故障的针对性处理具有显著作用。

4.4 绝缘线圈老化及处理措施

柔性直流输电系统的长期运行，发电机等设备和仪器的绝缘线圈会因高强度运行产生一定的问题，老化问题尤其严重，进而诱发各种问题。其中很多电气元件在高强度运行中无法满足标准要求，严重的会出现电压击穿情况。对于柔性直流输电系统进行分析发现绝缘线圈老化的诱因主要集中在以下几点。一是我国很多地区中的发电机组使用年限较长，部分超过了10年，长期的使用加上最终设备生产中采用材料和技术方面的缺陷，导致其绝缘材料会发生老化，直接影响设备的绝缘性能。在强电场的作用下，线圈可能会直接被击穿。二是绝缘脱壳是绝缘线圈老化，若发电机线圈中的绝缘漆发生了脱壳，在发电机启动时会出现升压困难情况，较长时间才能达到正常水平。这个过程中设备和传动系统的摩擦，极易诱发安全事故。因此，在实际工作中如果发现这些问题或者潜在问题，需要及时进行运维或者更换，保证绝缘线圈的安全性。