柔性直流输电技术及应用

输电技术的发展经历了从直流到交流,再到交直流共存的技术演变。随着电力电子技术的进步,柔性直流作为新一代直流输电技术,可使当前交直流输电技术面临的诸多问题迎刃而解,为输电方式变革和构建未来电网提供了一个崭新的解决方案。

它实际上是通过控制电压源换流器中全控型电力电子器件的开通和关断,改变输出电压的相角和幅值,可实现对交流侧有功功率和无功功率的控制,达到功率输送和稳定电网等目的。国际大电网会议(CIGRE)和美国电气与电子工程于2004年将其正式命名为“VSC-HVDC”(voltagesourcedconverterbasedhighvoltagedirectioncurrent)。ABB,Siemens和Alstom公司则分别将该项输电技术命名为HVDCLight,HVDCPlus和HVDCMaxSine,在中国则通常称之为柔性直流输电(HVDCFlexible)。

模块化多电平换流器(modularmulti-levelconverter,MMC)技术的提出和应用,是柔性直流输电工程技术发展史上的一个重要里程碑,提升了柔性直流输电工程的运行效益,极大地促进了柔性直流输电技术的发展及工程推广应用。

1、柔性直流输电系统主接线

采用两电平、三电平换流器的柔性直流输电系统一般采用在直流侧中性点的接地方式,而模块化多电平柔性直流输电系统则一般采用交流侧接地方式。无论是采用直流侧中性点接地的两电平、三电平换流器还是采用交流侧接地的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统均为单极对称系统。正常运行时接地不会有工作电流流过,不需要设置专门的接地极,而当直流线路或换流器发生故障后,整个系统将不能继续运行。此外,通过大地或金属回线还可构成单极不对称结构,类似于传统高压直流输电系统的一极。在相同系统参数下,相比于单极对称系统,单极不对称系统换流阀所耐受的电压水平是单极对称系统的2倍,且直流侧的不对称还将造成换流器交流侧电压水平的提升。

为了提升柔性直流输电系统的功率容量和电压等级,满足特高压、远距离大功率输送的要求,单极换流站内换流器还可以由若干容量较小换流器单元串并联组合构成。如图1所示,两个单极不对称系统串联还可以构成与传统高压直流输电类似的双极对称系统。

　　图1典型两端柔性直流输电系统

采用双极系统的变压器需要承受由于直流电压不对称造成的变压器直流偏置电压,与常规直流变压器不同的是,此时变压器不需要承受换流站产生的谐波分量。目前柔性直流输电系统采用单极结构的最主要原因在于柔性直流输电工程为了降低直流侧故障的发生率,大都采用电缆作为传输回路。这样,采用单个换流器的可靠性相对更高一些,而且降低了工程成本。

对于多端柔性直流输电系统,系统连接方式一般为并联形式,以保证换流器工作在相同的直流电压水平。并联型多端柔性直流网络又可分为星形和环形两种基本结构。其他复杂结构都可以看成这两种结构的扩展和组合。图2分别为4种拓扑结构。

　　图2多端直流输电系统典型接线方式

并联式的换流站之间以同等级直流电压运行,功率分配通过改变各换流站的电流来实现;串联式的换流站之间以同等级直流电流运行,功率分配通过改变直流电压来实现;既有并联又有串联的混合式则增加了多端直流接线方式的灵活性。与串联式相比,并联式具有更小的线路损耗、更大的调节范围、更易实现的绝缘配合、更灵活的扩建方式以及突出的经济性,因此目前已运行的多端直流输电工程均采用并联式接线方式。

2、柔性直流输电换流器技术

根据桥臂的等效特性,柔性直流输电的换流器技术可以分为可控开关型和可控电源型两类。可控开关型换流器的换流桥臂等效为可控开关,通过适当的脉宽调制技术控制桥臂的开通与关断,将直流侧电压投递到交流侧。可控电源型换流器储能电容分散于各桥臂中,其换流桥臂等效为可控电压源,通过改变桥臂的等效电压,间接改变交流侧输出电压。

模块化多电平换流器是可控电源型换流器的典型代表。桥臂的等效输出电压是通过改变投入桥臂内的串联子模块个数来实现的。如图3所示,根据子模块所采用的类型,又可分为半桥型、全桥型以及钳位双子模块型等多种形式。此外,级联两电平换流器(cascadedtwolevel,CTL)由半桥电路级联而成,其本质上也属于可控电源型换流器。

　　图3模块化多电平子模块拓扑

当其桥臂中的子模块超过一定数量时,换流器输出波形为近似正弦的阶梯波,无需加装滤波装置。与两电平换流器相比,模块化多电平突出优势表现在:①模块化设计,易于电压等级的提升和容量的升级;②器件的开关频率和开关应力显著降低;③输出电压谐波含量和总电压畸变率大大减少,交流侧无需滤波装置。

相比于两电平换流器,模块化多电平换流器的不足主要在于:①由于每个桥臂中串联的子模块数量较多,因此阀控系统在每个周期内所需处理的数据量非常大,对控制系统要求很高;②分布式储能电容增加子模块电容电压的均衡控制;③各桥臂间能量分配不均,将破坏子模块内部的稳定性,导致电流波形发生畸变。

在目前投入工程应用的换流器技术中,无论是两电平还是半桥型模块化多电平换流器,均存在一个突出问题,即无法在直流故障下实现交直流系统的隔离。但全桥式和钳位双子模块型模块化多电平换流器,由于可以使桥臂等效输出电压为负,在直流电压急剧降低时,仍然可以支撑交流电压,从而实现对交流侧短路电流的抑制作用。

3、柔性直流输电控制与保护

柔性直流控制保护系统是系统能够正常运行的核心,用于实现系统正常运行的控制功能和故障下的保护功能。控制保护系统包括换流站级控制保护系统和换流阀级控制保护系统。

但与常规直流输电不同的是,柔性直流输电中的阀级控制保护系统远为复杂。尤其是在模块化多电平柔性直流输电系统中,换流站级控制器(简称极控或者站控)只承担一部分控制和保护功能,对阀体的控制保护更多依赖阀级控制器完成。包括根据换流站级控制信号的要求产生换流阀子模块的控制信号,进行数据处理和汇总,以及实现换流阀的保护等功能(如图4所示)。因此,柔性直流控制保护系统通常需要实现纳秒级的高速同步控制,以满足柔性直流输电控制系统高实时性的要求。

　　图4站控及阀控系统

柔性直流换流站级控制系统除实现系统的正常启动、停运操作外,还包括稳态的功率控制和调节,其功率控制器包括有功类功率控制器和无功类功率控制器,有功类控制器包括有功功率控制和直流电压控制;无功类控制器包括无功功率控制和交流电压控制。一般来说,双端柔性直流系统的正常运行需要一站控制直流电压,另一端控制有功功率,而两站的无功调节相互独立,可以自由选择控制无功还是交流电压。在控制策略上,无论采用两电平还是模块化多电平换流器技术,其交流侧具有类似的等效数学模型,因此均可采用相同的站级控制策略。在众多的站级控制策略中,直接电流矢量控制策略以较高的电流响应速度和精确的电流控制效果已成为电压源型换流器的主流控制技术。

模块化多电平换流器与常规直流输电和两电平柔性直流输电控制系统的区别主要在阀级。柔性直流输电中的阀基控制器(valvebasecontroller,VBC)是实现站级控制系统与底层子模块控制的中间接口,用于实现阀臂的控制、保护、监测及与站控系统以及换流阀的通信,同时实现子模块电容电压平衡功能以及环流控制功能,这是保证模块化多电平柔性直流系统正常运行的关键。由于高压大容量系统的阀臂往往由数百个子模块组成,为保证各个子模块之间的电压平衡,VBC对子模块数据的处理速度要求极高,往往在100μs以下,这种大规模子模块的高速控制平衡技术,对阀控设计提出了很大的挑战。同时,模块化多电平技术所特有的环流现象会引起换流阀电流应力以及损耗水平的上升,严重时会造成系统失稳无法运行,因此环流控制策略的设计也成为阀控中的关键环节。

柔性直流输电保护系统的主要功能是保护输电系统中所有设备的安全正常运行,在故障工况下,能够迅速切除系统中故障或不正常的运行设备,以保证剩余健全系统的安全运行。高压直流输电系统的保护配置需满足可靠性、灵敏性、选择性、快速性、可控性、安全性和可维修性等原则。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统其故障特性与两电平换流器系统保护策略两者主要的区别在于具体的保护分区和保护算法设计。但总体而言在保护总体配置上相差不大。

4、柔性直流输电工程的应用

鉴于柔性直流输电技术特点,由其构成的系统广泛应用于可再生能源接入、孤岛供电、城市供电、电网互联等领域。

采用柔性直流输电技术来进行风电、太阳能等功率输出波动较大的可再生能源接入,可以缓解由可再生能源输出功率波动引起的电压波动,改善电能质量。当交流系统发生短路故障时,柔性直流输电系统能够有效地隔离故障,保证风电场的稳定运行。据CIGRE测算,在距离大陆60km以上的海上风电场,柔性直流输电系统是唯一技术上可实现、经济上可接受的解决方案。

采用柔性直流输电技术向海岛、海上钻井平台等孤岛负荷供电时,可以充分发挥柔性直流系统可以自换相的技术优势。同时,直流线路在投资、运行费用、长距离传输不需要添加补偿设备等方面相对于交流线路具有优势。

采用柔性直流输电技术向城市中心供电,不仅可以快速控制有功功率和无功功率,解决电压闪变等电能质量问题;还能够提供系统阻尼,提高系统稳定性,并在严重故障时提供“黑启动功能”。另外,柔性直流输电采用地埋式直流电缆,无交变电磁场、无油污染,可以在无电磁干扰及不影响城市市容的情况下,完成城市电网的增容改造,满足城市中心负荷的需求和环保节能的要求。

采用柔性直流输电技术实现电网互联,不仅可以完成电网间功率交换的功能,而且还可以凭借其快速独立调节无功功率、“黑启动”、不提供短路电流等技术特性,解决大规模电网中的动态稳定性、电网黑启动以及短路电流超标等问题。而且,柔性直流换流站占地面积较同等容量的常规直流换流站小,因此可以在更靠近负荷中心的位置建设换流站。

在欧洲、美洲、亚洲、大洋洲、非洲很多国家都有柔性直流输电工程投运,其中有用于风电接入、有用于电网互联、有用于大型城市供电、有用于海上钻井平台供电。

2006年开始,国内相关研究单位及时把握住了技术发展的趋势,与西门子公司几乎同步开展了基于MMC的柔性直流输电工程技术研究。在基础理论研究、关键技术攻关、核心设备研制、试验能力建设、工程系统集成等方面取得了一系列的自主创新成果,并于2011年7月在上海南汇投运了中国首条柔性直流输电示范工程,使中国在柔性直流输电技术与工程应用领域实现了飞跃式发展。

上海南汇柔性直流输电示范工程采用模块化多电平换流器结构,其容量为20MW,直流电压为±30kV,输送长度约为8km,南汇风电场通过该工程接入上海电网。

为了满足大连市区南部经济发展对电力需求的增加,避免自然灾害对市区供电产生的严重影响,消除电网的安全隐患,2012年大连市计划建设一个联接北部主网和市区南部港东地区的柔性直流输电工程。依托该工程的先期研究,开发成功了世界上首套1000MW/±320kV换流阀及阀基控制器,并通过了DNVKEMA的见证试验。这标志着中国在柔性直流输电换流阀领域已经达到世界最高水平。同时建成了世界上规模最大的400电平动模平台,该平台有效验证了大连阀控系统设计和各种功能的正确性。在工程设计的基础上,中国掌握了一整套高压大容量柔性直流系统成套设计技术、换流站施工技术以及系统运行维护技术,为中国柔性直流技术的进一步推广奠定了良好的基础。

在广东南澳风电基地,2013年底投运一个三端柔性直流输电工程。因为南澳岛周围安装了大量风力发电机,为实现可靠的风电接入,首先将两个风电场分别通过110kV变电站接入两端换流站,在汇总后通过柔性直流输电系统将电能输送到汕头电网。南澳工程的直流电压等级为±160kV,输送额定功率为200MW。

为提高舟山电网的供电可靠性和运行灵活性,并考虑对舟山诸岛丰富风力资源的消纳,国家电网公司在浙江舟山建设了一个5端柔性直流输电工程。该工程于2014年6月投运,包含5个换流站,系统总容量1000MW,其中最大的换流站容量为400MW,直流电压等级为±200kV。该工程是目前世界上端数最多的柔性直流输电工程,可满足舟山地区负荷增长需求,形成北部诸岛供电的第二电源,提高供电可靠性;提供动态无功补偿能力,提高舟山电网电能质量;缓解舟山群岛风电场并网难题,提高电网调度运行的灵活性。工程的建设和实施,也将为未来实现海岛供电、可再生能源并网、多端直流输电系统乃至直流电网构建等应用,提供技术和工程上的良好借鉴。

5、结语

柔性直流技术以其有功无功独立调节、无源供电能力以及易于构建直流电网等特点，越来越受到人们的关注。同时，可关断器件、直流电缆等设备技术水平的不断提高，有效增强了柔性直流的输送容量水平，使柔性直流输电成为电网可采用的主要输电方式之一。可以预见，随着未来可再生能源接入和电网改造升级等需求，世界范围内的柔性直流输电应用将会获得日益广阔的发展。