摘要：±800 kV/5 000 MW特高壓大容量柔性直流是直流輸電技術(shù)的重要發(fā)展方向，結(jié)合柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，綜合對比了對稱單極接線和對稱雙極接線的技術(shù)優(yōu)缺點。針對±800 kV/5 000 MW柔性直流輸電技術(shù)，對比分析了對稱雙極接線方式下單閥組和高低閥組兩種方案的設(shè)備特性和運行特性，結(jié)果分析表明高低閥組接線方案更適用于特高壓、大容量、遠(yuǎn)距離柔性直流輸電技術(shù)，其運行方式更靈活，能量可用率更高。
關(guān)鍵詞：直流輸電；模塊化多電平換流器；對稱單極；對稱雙極；單閥組；高低閥組
由于能源資源和負(fù)荷需求的逆向分布，我國實施了西電東送戰(zhàn)略以進(jìn)行全國范圍內(nèi)資源的優(yōu)化配置，形成了珠三角、長三角等多直流饋入的受端電網(wǎng)。傳統(tǒng)直流依賴電網(wǎng)換相、具有在電網(wǎng)受擾條件下易發(fā)生換相失敗的特性，使得多直流饋入的受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行風(fēng)險突出[1 - 2]。柔性直流輸電不依賴電網(wǎng)換相、不存在換相失敗的問題，同時能夠提供動態(tài)無功支撐，是支持可再生能源基地電力外送、提高交流電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)手段[3 - 5]。
近十年柔性直流輸電技術(shù)快速發(fā)展，世界范圍內(nèi)已投運和正在建設(shè)的柔性直流輸電工程有30余項，已投運柔性直流工程的最高電壓為±500 kV、最大容量為1 000 MW[6 - 7]，在建柔性直流工程的最高電壓為±525 kV，最大容量為1 400 MW[8 - 9]。在滿足更遠(yuǎn)距離、更大容量可再生能源輸送方面，現(xiàn)有柔性直流輸電規(guī)模還無法與傳統(tǒng)直流輸電相比，需要在電壓等級和容量上取得突破。
隨著3 000 A絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)大功率器件的出現(xiàn)，±800 kV/5 000 MW等級特高壓大容量直流輸電將是柔性直流輸電的重要發(fā)展方向[10 - 11]。研究將柔性直流輸電電壓等級提升至±800 kV的換流閥閥組接線技術(shù)，將是一個重要內(nèi)容。綜合國內(nèi)外柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，柔性直流換流站接線主要有對稱單極接線和對稱雙極接線兩種形式[12 - 15]。本文將對上述兩種接線方式詳細(xì)分析，重點探討對稱雙極接線方案的具體實現(xiàn)方案，分析其設(shè)備特性和運行特性，論證提出適合±800 kV/5 000 MW特高壓柔性直流輸電的閥組接線方式。
對稱單極接線是現(xiàn)階段柔性直流輸電應(yīng)用較為廣泛的一種主回路方式，對稱單極接線如圖1所示。該接線方式下，整個換流站僅包含1個換流器單元。為了向直流系統(tǒng)提供地電位參考，換流站一般采取變壓器閥側(cè)繞組中性點經(jīng)大電阻接地方式(圖1中接地方式1)，或者采用變壓器閥側(cè)經(jīng)大電抗接地方式(圖1中接地方式2)。對稱單極接線的主要優(yōu)點如下：
1)柔性直流變壓器采用電力變壓器即可，正常運行過程中換流閥交流側(cè)的設(shè)備不需要承受直流偏置電壓；
2)換流站接地采用站內(nèi)接地即可，無需設(shè)置專門的接地極及接地極線路。
對稱單極接線的主要缺點如下：
1)直流系統(tǒng)故障將損失全部直流功率，在相同的設(shè)備可靠性前提下，系統(tǒng)能量可用率較低；
2)直流線路的絕緣水平較高，當(dāng)直流線路發(fā)生單極接地故障時，健全極需要承受全部直流電壓；
3)柔性直流變壓器一般為三相雙繞組或者單相雙繞組接線方式，當(dāng)送電容量較大時，需要多臺變壓器并聯(lián)運行。
圖1 對稱單極接線示意圖
Fig.1 Diagram of symmetrical monopole
以±800 kV/5 000 MW柔性直流換流站為例，當(dāng)采用對稱單極接線時，每相柔性直流變壓器的容量需要達(dá)到1 700 MVA左右，在現(xiàn)有變壓器制造水平下至少需要3臺并聯(lián)運行；變壓器閥側(cè)電壓也要達(dá)到1 000 kV等級；直流線路的絕緣水平也將突破現(xiàn)有±800 kV特高壓直流的絕緣水平。
鑒于上述特性，從設(shè)備選型、絕緣水平設(shè)計、功率損失對交流系統(tǒng)的影響等角度考慮，對稱單極接線一般適用于直流電壓在±400 kV等級以內(nèi)、輸送容量在1 200 MW以內(nèi)的應(yīng)用場景。在該場景下，直流功率全部損失后引發(fā)的系統(tǒng)安全穩(wěn)定風(fēng)險較低，換流站絕緣水平不會造成設(shè)備造價大幅度上升。
而對于±500 kV、±800 kV這樣的高壓/特高壓直流，綜合考慮設(shè)備能力、可靠性、經(jīng)濟性等因素，對稱雙極接線是更好的選擇。
在對稱雙極接線方案下，根據(jù)換流站每極換流單元的數(shù)量，柔性直流的閥組接線可以分為單閥組和高低閥組兩種。本節(jié)對此兩種接線分別予以介紹。
2.1 單閥組接線
單閥組接線示意圖如圖2所示。該接線方式下，換流站的1個極為1個換流器單元，換流站地電位由接地極提供。柔性直流變壓器閥側(cè)繞組一般采取Y或者△接線，起到隔離零序電流通路的作用。
圖2 對稱雙極單閥組接線示意圖
Fig.2 Diagram of symmetrical bipole wiring with single converter
以±800 kV/5 000 MW柔性直流換流站為例，當(dāng)采用對稱雙極單閥組接線時，每相柔性直流變壓器的容量需要達(dá)到900 MVA等級，在現(xiàn)有變壓器制造水平下至少需要2臺并聯(lián)運行；變壓器閥側(cè)電壓也要達(dá)到500 kV等級。
2.2 高低閥組接線
高低閥組接線示意圖如圖3所示。該接線方式下，換流站的1個極為2個換流器單元，換流站地電位由接地極提供。柔性直流變壓器閥側(cè)繞組一般采取Y或者△接線，起到隔離零序電流通路的作用。
圖3 對稱雙極單閥組接線示意圖
Fig.3 Diagram of symmetrical bipole wiring with double converter
以±800 kV/5 000 MW柔性直流換流站為例，當(dāng)采用對稱雙極高低閥組接線時，每相柔性直流變壓器的容量需要達(dá)到500 MVA等級，在現(xiàn)有變壓器制造水平下，單臺即可滿足運行要求；變壓器閥側(cè)電壓為250 kV等級。
本節(jié)重點針對±800 kV/5 000 MW特高壓柔性直流分析對稱雙極接線下單閥組和高低閥組兩種方案的設(shè)備特性和運行特性。方案對比基于以下前提條件：1)啟動電阻網(wǎng)側(cè)布置；2)橋臂電抗器布置在橋臂內(nèi)的直流側(cè)，且戶外布置。
3.1 設(shè)備特性
在設(shè)備方面，換流閥、變壓器、控制保護(hù)和套管是影響設(shè)備造價的主要因素，下面對此重點分析。設(shè)備特性綜合對比如表1所示。
由表1可知：
1)兩種方案的換流閥功率模塊數(shù)量相等，閥冷需求一致，但是高低閥組方案中有50%的閥塔其絕緣水平為400 kV等級，主要原因是對地支撐絕緣子的高度降低(占整個換流閥成本較低)；
2)兩種方案所需變壓器臺數(shù)相差1臺備用變壓器，變壓器容量一致，但是高低閥組方案中有50%數(shù)量的變壓器絕緣水平為400 kV等級，設(shè)備造價大為降低；
表1 單閥組和高低閥組方案全站主要設(shè)備特性對比
Tab.1 Comparison of main device between single valve group scheme and high/low voltage valve groups scheme
對比項單閥組高低閥組啟動電阻數(shù)量3臺6臺換流閥模塊數(shù)量絕緣水平冷卻系統(tǒng)約5000個800kV級4套約5000個高端閥組800kV級低端閥組400kV級4套控制保護(hù)(不含冗余)站控極控閥組控制測量1套2套2套約80路1套4套4套約110路變壓器數(shù)量單臺容量閥側(cè)絕緣水平共12臺,2臺并聯(lián)構(gòu)成1相,備用1臺。約1000MVA800kV等級共12臺,備用2臺約500MVA6臺800kV等級6臺400kV等級橋臂電抗器數(shù)量24臺,可2臺一組疊裝24臺800kV穿墻套管數(shù)量66400kV穿墻套管數(shù)量012中性線穿墻套管數(shù)量66
3)在控制保護(hù)方面，高低閥組方案需要多1套極控和閥組控制。此外，由于換流器單元數(shù)量變多，變壓器閥側(cè)電壓和電流、橋臂電流等測點數(shù)量變多；
4)兩種方案下，橋臂電抗器每相總的電感值基本相當(dāng)。但是單閥組方案每個極的每相由2個橋臂構(gòu)成，而高低閥組方案每個極的每相由4個橋臂構(gòu)成(分布在兩個換流器單元中)，因此單閥組方案的橋臂電抗器電感值較大，需要2臺串聯(lián)；
5)在穿墻套管方面，高低閥組需要多出12根400 kV穿墻套管。
綜合上述分析，兩種方案在設(shè)備能力上均是可以實現(xiàn)的，設(shè)備造價的差別主要體現(xiàn)在變壓器、控制保護(hù)和400 kV穿墻套管上。總體來看，兩種方案的設(shè)備投資基本相當(dāng)。
3.2 運行特性
運行特性綜合對比詳見表2所示?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。
表2 單閥組和高低閥組方案運行特性對比
Tab.2 Comparison of operation performance between single valve group scheme and high/low voltage valve groups scheme
對比項單閥組高低閥組運行方式雙極運行支持支持單極大地支持支持單極金屬支持支持降壓運行支持支持閥組投退不支持支持控制特性控制模式一致一致穩(wěn)態(tài)特性一致一致暫態(tài)特性暫態(tài)響應(yīng)受到高低閥組參數(shù)差異影響附加控制控制參數(shù)需要適應(yīng)變壓器退出工況需要增加閥組間電壓平衡控制
1)在運行方式方面，兩種方案的主要差異在于閥組的投入和退出。需要說明的是，對單閥組方案而言，其本身沒有閥組投入的工況，當(dāng)另一側(cè)換流站采取雙12脈動串聯(lián)的傳統(tǒng)直流技術(shù)時，如單閥組方案采取全橋型MMC或者混合型MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則單閥組方案可以通過50%降壓運行匹配對側(cè)換流站400 kV閥組的投入與退出。對于高低閥組方案而言，柔性直流換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅影響閥組投入和退出的具體過程，如果采取全橋型MMC或者混合型MMC，則高低閥組方案可以實現(xiàn)閥組的在線投入與退出；
2)在控制特性方面，兩種方案的控制模式、穩(wěn)態(tài)控制特性一致。但是高低閥組的暫態(tài)控制特性會受到兩個閥組主回路參數(shù)差異性的影響。附加控制中，高低閥組需要增加兩個閥組的電壓平衡控制，單閥組需要考慮控制參數(shù)對換流單元回路等效阻抗變化的適應(yīng)性(主要考慮1組變壓器退出運行)。
綜合上述分析，兩種方案的運行特性基本一致，僅在閥組投退方面存在較大差異，這使得高低閥組方案在實際應(yīng)用中具備更高的能量可用率和可靠性。
因此，綜合運行方式靈活性、經(jīng)濟性和可靠性等因素，高低閥組方案更適合特高壓柔性直流輸電。
本文綜合對比了對稱單極、對稱雙極單閥組和對稱雙極高低閥組3種閥組接線。針對±800 kV/5 000 MW特高壓柔性直流技術(shù)，詳細(xì)對比了對稱雙極接線方式下單閥組和高低閥組兩種方案的設(shè)備特性和運行特性，結(jié)論如下。
1)兩種方案在設(shè)備能力上均是可行的，在不同設(shè)備上各有優(yōu)劣?？傮w來看，兩種方案的設(shè)備投資基本相當(dāng)。
2)考慮運行方式靈活性、經(jīng)濟性和可靠性，高低閥組方案更具技術(shù)優(yōu)勢。
3)兩種方案的運行特性基本一致，僅在閥組投退方面存在差異。單閥組自身沒有閥組投退的工況，但是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)臈l件下可以匹配另一側(cè)換流站實現(xiàn)閥組投入和退出運行。高低閥組可以實現(xiàn)閥組投退，但是具體實現(xiàn)過程與換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如果采取全橋型MMC或者混合型MMC，則高低閥組方案可以實現(xiàn)閥組的在線投入與退出。
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Foundation item:Supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFB0901005).
Research on Main Circuit Scheme of VSC-UHVDC
RAO Hong, XU Shukai, ZHOU Yuebin, ZHU Zhe
(State Key Laboratory of HVDC, Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510663, China)
Abstract： Voltage sourced converter based high voltage direct current (VSC-HVDC) with ±800 kV/5 000 MW ultra-high voltage and large-capacity level is an important development direction of HVDC technology. Considering the development status of VSC-HVDC technology, the advantages and disadvantages of converter configurations with symmetrical monopole wiring and symmetrical bipolar wiring are compared. For the ±800 kV/5 000 MW VSC-HVDC technology, the device characteristics and operation performance of single converter scheme and double converter scheme under symmetrical bipolar wiring are compared and analyzed. The analysis results show that the double converter scheme is more suitable for the ultra-high voltage, large capacity and long distance VSC-HVDC technology because of its more flexible operation modes and higher energy availability.
Key words： HVDC; modular multilevel converter; symmetrical monopole; symmetrical bipole; single valve group; high/low voltage valve groups
基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0901005)。
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