国内首例柔性直流输电示范工程简介

国内首例柔性直流输电示范工程简介

shanghaihvdctransport上海南汇风电场灵活直流供电示范工程是中国第一个柔性直供电工程。工程新建书柔换流站、南风换流站和两站间的一回柔性直流线路。柔性直流输电额定电压为±30kV,直流额定电流300A,输送功率18MVA。直流电缆长8.6km。两站均为地下一层+地上三层结构。柔性直流输电技术的工程应用,对于智能电网的建设具有重要的意义。柔性直流换流阀采用的IGBT元件是一种可自关断器件,因此,换流站有功功率和无功功率的流向可以独立控制;并且,柔性直流输电系统不需要交流系统提供换相容量,可以向无源负荷供电;同时,柔性直流输电系统中的换流阀的开关频率相对较高,换流站的输出电压谐波量较小。因此,柔性直流输电技术在孤岛供电、城市电网供电、分布式能源并网等方面具有很高的应用价值。1运行模式转换柔性直流的系统接入方案如图1所示。风机发出的电能经过变压器升压后送入35kV南汇风电场站的10kV母线,再由南汇风电场站升压至35kV。南汇风电场原有两回交流线路和35kV大治站相连。改造后,南汇风电场35kVI母上的交流线路开断,接入南风换流站,经过换流变、换流阀等设备实现交/直流变换,然后通过直流输电线路传输到对侧的书柔换流站,通过直/交流变换后接入大治站母线。柔性直流换流站可以选择2种运行模式,分别为单站静止无功补偿器(STATCOM)模式和两站直流输电(HVDC)模式,通过柔性直流换流站运行模式的转换以及电网中相关变电站的状态调整,可以形成柔性直流输电系统的5种运行方式:运行方式1:柔性直流系统独立带风机负荷运行。南汇风电场经南风换流站、南柔线以及书柔换流站接入大治站,治风3992线备用,为今后的风电并网运行提供技术支撑和相关运行经验。运行方式2:交直流并列运行。南柔线和治风3992线并列运行,为以后的交直流电网并列运行提供技术支撑和相关运行经验。运行方式3:两站STATCOM运行。治风3992线运行,南柔线备用,但是两端换流站均参与交流系统电压/无功调节,此时南风站和书柔站以STATCOM方式运行,为今后的电网无功控制提供技术支撑和相关运行经验。运行方式4:柔性直流单送负荷。南汇风电场和南治3955线退出运行,电能流向为大治站一段母线—柔性直流系统—南汇风电场35kVI母—南汇风电场35kVII母—治风3992线—大治站二段母线,柔性直流输电线路直接对负荷供电,为以后的孤岛电网供电提供技术支撑和相关运行经验。运行方式5:交流线路独立运行。南汇风电场经治风3992接入大治站35kVII母,柔性直流输电线路备用。此为柔性直流输电系统检修或故障停运时的系统运行方式。2功调节范围及无功功率输出柔性直流可以独立地控制有功和无功的流向,本示范工程的有功调节范围为:-18～+18MW,无功调节范围为-13～+9Mvar,有功和无功可以独立调节,有功功率输出极限值为±18MW,此时输出无功的范围为±2Mvar,当有功输出在±12MW之间时,无功输出为-13Mvar～+9Mvar之间。在有功绝对值在12～18MW之间时,无功输出极限值按照斜率递减。3柔性直流输电系统kv为-交/直流互联换流站,柔性直流换流站的一次系统结构示意图如图2所示。35kV交流系统通过主开关连接至换流变,将交流侧电压变换为换流阀输入所需要的电压(31kV),然后通过启动电阻、桥臂电抗器连接至换流阀,实现交/直流的变换,然后通过直流线路连接至对侧换流站,直流侧的电压为±30kV。柔性直流输电系统的结构和传统直流输电系统相比,存在较大的差异,其中一个明显的特点是柔性直流输电系统没有交流滤波器这一环节,其占地面积大大减小,换流站结构也相对简单,便于进行运行管理和维护。此外,启动电阻,桥臂电抗器、电压源型换流阀都是柔性直流输电系统所特有的。3.1流量交换阀3.1.1子模块控制器组成换流阀是换流站的核心设备。本工程采用了基于模块化多电平(MMC)技术的电压源型换流阀,其核心元件为大功率的IGBT元件。子模块是组成换流阀的基本元件。其结构如图3所示,每个子模块由IGBT元件,子模块控制器(SMC)、保护晶闸管、旁路开关、电容、取能模块、水冷管道等组成。IGBT为其中核心元件,每个子模块有2个IGBT元件,子模块控制器用于给子模块触发信号,电容为储能元件,保护晶闸管用于子模块的过电流保护,快速旁路开关用于子模块故障时,将子模块旁路,不会因子模块故障影响系统的正常运行。柔性直流换流阀的阀塔的结构如图4所示。每个阀塔由2个半塔交叉接线组成。每个半塔有4层,每层包括7个子模块。即每个阀塔由56个子模块串联而成,其中48个子模块为运行模块,其余8个模块为冗余模块。站内共有6个阀塔,分别对应ABC三相的上下桥臂。3.1.2桥臂电压不平衡换流阀的主电路拓扑结构如图5所示。图5中每相的上、下半桥臂均由48个子模块及一个电抗器串联而成。在充电完成后,子模块间的电压不平衡低于10%。每个工频周波内,上下桥臂总共开通48个子模块,以维持直流电压Udc恒定。此外,只要有规律地触发各相上、下半桥臂中的子模块,调整上下桥臂开通的子模块个数,就可以对交流uao、ubo、uco输出电压进行独立地调节和控制。图6为一个11电平模块化多电平换流器波形生成示意图,在49电平的情况下,交流侧输出电压谐波进一步减小。3.2mmc电容充电电路采用MMC结构的换流阀,在系统启动之前,各子模块电压为零,换流阀中IGBT处于关断状态,并且IGBT缺少触发所需能量不能开通。并且,在MMC启动之初,只能通过各子模块IGBT上的反并联二极管对子模块电容充电。MMC电容充电电路如图7所示。在MMC起动时,合闸瞬间会产生较大的电流冲击。当电容电压为零时,初始的合闸冲击电流最大,同时当AB线电压达到峰值时合闸,冲击电流是最大的,可以认为接近于换流阀出口三相短路电流。在柔性直流输电系统的启动过程中,需要加装一个缓冲电路。通常考虑在主回路上并联一个启动电阻,这个电阻可以降低电容的充电电流,减小柔性直流系统上电时对交流系统造成的扰动和对换流阀上二极管的应力。具体的电路示意如图8所示。当系统进行启动时,闸刀K分开,启动电阻串入直流系统主回路对换流阀充电,经过一定的延迟时间后(目前设置为90s),阀充电完成,此时再合上闸刀K,此时电阻就被旁路掉了,直流充电过程结束。3.3电抗器的作用阀电抗器是柔性直流换流站的一个关键部分,它是电压源变流器与交流系统之间传输功率的纽带,具有如下功能:(1)决定了变流器的功率输送能力。电抗器两侧的电压幅值差决定了系统无功功率的输出,电抗器两侧的电压相位差决定了系统有功功率的输出。(2)桥臂电抗器能抑制变流器输出的电流和电压中的开关频率谐波量,以获得期望的基波电流和基波电压;(3)当系统发生扰动或短路时,可以抑制电流上升率和限制短路电流的峰值。柔性直流输电工程中,电抗器可以使用常用的规格设计,没有特殊要求。但为了减少传送到系统侧的谐波,其杂散电容越小越好。示范工程中,采用干式空芯电抗器,并放置于室内。4运行模式的转换试验成果在柔性直流输电系统建设完成后,进行了单站及两站的启动和调试试验。调试内容包括:柔性直流输电系统的启动试验;柔性直流输电系统在STATCOM及HVDC模式下的暂态和稳态性能试验;各种运行方式的转换试验。目前,已经取得的调试成果如下:(1)实现了柔性直流换流站单站STATCOM模式运行以及两站HVDC模式的顺利启动和运行;(2)完成了2种运行模式下,采用不同功率控制方式时柔性直流输电系统的稳态和暂态性能试验,从调试结果上来看,柔性直流输电系统能输出高质量的交流电压和交流电流,各种控制方式也实现了预期的目标;(3)实现了柔性直流各种运行方式的运行和方式转换。5研究和改进的方向作为一种新型的输电技术,柔性直流输电系统还很不成熟,需要进行进一步的研究完善。(1)研究柔性直流输电系统和分布式能源系统的接口改进启动和方式调整流程,以自动流程代替手动操作流程,使柔性直流输电系统启动更加智能化;研究柔性直流输电系统和分布式能源系统的接口问题,使柔性直流输电系统具备更广泛的分布式能源并网能力;研究柔性直流输电系统独立启动的方法,实现柔性直流直接向无源网络供电。(2)中性点接地故障的处理进一步进行柔性直流系统交直流故障调试试验。例如交流单相(两相)接地故障、直流单极接地故障等,以便明确柔性直流输电系统的典型故障象征,为事故处理提供经验。(3)系统的运行监控系统总结和提炼调试及运行中遇到的问题