鄧明鋒，王　康，郭曉君，鄭凌娟

(國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州　350007)

廈門±320 kV柔性直流輸電示范工程關(guān)鍵技術(shù)

鄧明鋒，王康，郭曉君，鄭凌娟

(國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州350007)

摘要：廈門±320 kV柔性直流輸電科技示范工程作為電壓等級最高、容量最大、采用真雙極接線的面向城市供電的柔性直流輸電工程一直備受矚目。介紹了該工程的概況，對其運行模式及切換方法、系統(tǒng)控制策略等關(guān)鍵技術(shù)，以及STATCOM模式和HVDC模式下的運行特性進行了詳細分析。錄波結(jié)果顯示，示范工程各個指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，展示了柔性直流輸電技術(shù)在高壓大容量輸電領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：±320 kV多電平換流器；真雙極接線；STATCOM模式；HVDC模式

2013年初研制的1000 MW/±320 kV柔性直流換流閥及閥控設(shè)備，先后通過荷蘭KEMA見證試驗和國家能源局的產(chǎn)品鑒定，并在廈門組織建設(shè)了適用于城市輸電的±320 kV廈門柔性直流輸電科技示范工程。該工程面向城市大負荷供電，其輸送電壓等級為±320 kV，輸送容量為雙極1 000 MVA。工程建成后能極大緩解廈門島內(nèi)既有電網(wǎng)的運行壓力，有效支撐電網(wǎng)電壓，提高廈門島內(nèi)的供電能力和可靠性，滿足島內(nèi)日益增長的用電需求，對國家電網(wǎng)公司全面掌握大功率、高電壓柔性直流輸電技術(shù)，推動柔性直流輸電技術(shù)國產(chǎn)化、增強科技創(chuàng)新能力、加強對外示范展示均具有十分重要的意義。同時，柔性直流輸電還可以作為重要負荷的黑啟動電源，對在電網(wǎng)在故障和緊急情況下的快速啟動及恢復(fù)有十分重要的作用，對廈門島內(nèi)的電網(wǎng)運行可靠性支撐具有重要的意義。

本文簡述了示范工程的控制方案及其策略，并結(jié)合工程調(diào)試分析了STATCOM運行模式和HVDC運行模式下的運行特性。

1廈門柔性直流輸電示范工程

1.1工程概況

廈門柔性直流科技示范工程直流輸送容量為單極500 MVA，雙極1 000 MVA，直流電壓±320 kV，直流電流1 600 A，新建模塊化多電平柔性直流換流站兩座，分別為浦園換流站和鷺島換流站。新建浦園—鷺島±320 kV直流輸電線路1回，全線路由陸纜鋪設(shè)，線路全長10.7 km。

該工程的核心換流閥采用模塊化多電平(MMC)拓撲結(jié)構(gòu)[1-3]。每座換流站由兩極2 592個功率單元構(gòu)成，每極1 296個功率單元，每個橋臂由216個功率單元構(gòu)成。其中，每個橋臂由3個雙聯(lián)閥塔構(gòu)成，每個閥塔由上下3層，每層24個功率單元。

1.2系統(tǒng)運行方式

由于廈門柔性直流輸電科技示范工程是真雙極接線系統(tǒng)，與偽雙極接線系統(tǒng)和直接接線系統(tǒng)相比有著巨大的優(yōu)勢。采用真雙極接線時，其過電壓水平相對較低、極線設(shè)備的造價降低，空氣凈距小；在真雙極接線時，直流側(cè)零電位點設(shè)置簡單，可直接接地；與偽雙極接線相比，供電可靠性提高一倍。采用真雙極接線時，系統(tǒng)運行方式也多種多樣，主要有6種運行方式。

(1)雙極帶金屬返回線單端接地運行，此模式為雙極正常運行時的模式，接線圖如圖1所示。

圖1　雙極帶金屬返回線單端接地運行

(2)極1單極帶金屬返回線單端接地運行，在在極2檢修或者故障時可切換至此運行模式，接線圖如圖2所示。

圖2　極1單極帶金屬返回線單端接地運行

(4)極2單極帶金屬返回線單端接地運行，在極1檢修或者故障時可切換至此運行模式，接線圖如圖3所示。

圖3　極2單極帶金屬返回線單端接地運行

(4)雙極不帶金屬返回線雙端接地運行，在切換運行方式時出現(xiàn)這種情況，(臨時運行方式)，接線圖如圖4所示。

圖4　雙極不帶金屬返回線雙端接地運行

(5)浦園換流站作為STATCOM運行模式，包括(a)極1極2雙換流器作為STATCOM運行，(b)極1換流器作為STATCOM運行，(c)極2換流器作為STATCOM運行。當(dāng)系統(tǒng)需要緊急無功支撐或鷺島站雙極都出現(xiàn)故障時可切換至此運行模式，接線圖如圖5所示。

圖5　浦園站作為STATCOM運行模式

(6)鷺島換流站作為STATCOM運行模式，包括(a)極1極2雙換流器作為STATCOM運行，(b)極1換流器作為STATCOM運行，(c)極2換流器作為STATCOM運行。在當(dāng)系統(tǒng)需要緊急無功支撐或浦園站雙極都出現(xiàn)故障時可切換至此運行模式，接線圖如圖6所示。

圖6　鷺島站作為STATCOM運行模式

由于存在多種運行方式，示范工程的運行切換模式也多樣化，主要有6中運行切換方式。

切換方式1：雙極金屬回線運行轉(zhuǎn)單極金屬回線運行

切換方式2：單極金屬回線運行轉(zhuǎn)雙極金屬回線運行

切換方式3：雙極金屬回線運行轉(zhuǎn)雙極雙端接地運行

切換方式4：雙極雙端接地運行轉(zhuǎn)雙極金屬回線運行

切換方式5：單極金屬回線運行轉(zhuǎn)雙極無金屬回線運行

切換方式6：雙極無金屬回線運行轉(zhuǎn)單極金屬回線運行

這些運行方式和切換方式為今后的工程檢修、倒閘操作提供了一定的技術(shù)參考。也為今后的柔性直流輸電工程提供一定的技術(shù)支持和相關(guān)運行經(jīng)驗。

1.3換流器控制設(shè)計

換流器的控制是整個柔性直流工程控制系統(tǒng)的核心，基于電壓源換流器的控制主要有間接電流控制和直接電流控制兩種。間接電流控制為開環(huán)控制，通過系統(tǒng)的交流側(cè)基波電流、電壓計算換流器逆變出的電壓幅值、相角等參數(shù)，得出調(diào)制波的控制信號，實現(xiàn)換流閥的控制[4]。這種控制方法，響應(yīng)速度慢、對系統(tǒng)參數(shù)敏感，并不適合本工程。直接電流控制通過直流側(cè)電流反饋的閉環(huán)控制來控制它的交流電流，這種控制方法響應(yīng)速度快、魯棒性強，同時還具有一定的限流能力[5]，廈門±320 kV柔性直流輸電示范工程采用直接電流控制，其采用雙閉環(huán)控制的直接電流控制，通過外環(huán)的功率控制和內(nèi)環(huán)的電流解耦控制從而得到換流閥的期望輸出交流電壓參考值[6]。示范工程換流閥的核心控制框圖如圖7所示。主要由VBC閥控制器、內(nèi)環(huán)電流控制器、外環(huán)功率控制器、鎖相同步控制器等構(gòu)成。

圖7　換流器核心控制框圖

外環(huán)功率控制器接收上級控制器給定的設(shè)定值，通過PI控制來修正輸入量與參考量的偏差，得到與有功功率有關(guān)的d軸電流分量和無功功率相關(guān)的q軸電流分量，再將其輸入到內(nèi)環(huán)解耦控制器中，并通過坐標(biāo)反變換得出其控制量的參考電壓波，再通過VBC閥控模塊驅(qū)動換流閥，實現(xiàn)對換流閥的精確控制。

從圖8可以看到，兩個換流站的換流閥外環(huán)控制都可以有交流電壓控制、無功功率控制、直流電壓控制、有功功率控制。但是為了保證有功功率平衡，在HVDC運行模式下兩站間必須有一個是直流電壓控制、一個是有功功率控制。其具體控制為：

在STATCOM模式下，浦園和鷺島站屬于獨立控制，不在進行有功功率交換，僅參與各自的無功功率交換。此時，浦園和鷺島站的控制模式有定直流電壓控制、定交流電壓控制或定無功功率控制。

在HVDC模式下，為了保證有功功率的傳輸平衡，浦園和鷺島站只能一個是定直流電壓控制，一個是定有功功率控制，當(dāng)浦園站為定直流電壓控制、定交流電壓或定無功功率控制時鷺島站只能是定有功功率控制、定交流電壓或定無功功率控制，反之亦然。因此，示范工程的在各運行方式下的控制方案如表1所示。

在得到控制量的參考電壓波后，傳輸至VBC閥控模塊，從而驅(qū)動換流閥的運行，最終完成它的觸發(fā)工作?？梢哉fVBC閥控模塊是整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元。其具備鎖相技術(shù)、電容電壓平衡控制、電流控制等功能。圖8為示范工程的VBC閥控模塊的結(jié)構(gòu)圖，主要包括供電單元、電流控制器、橋臂控制器及各種監(jiān)測單元等幾個部分，實現(xiàn)換流閥的控制、保護、監(jiān)測及與外界通信的功能。

表1　示范工程的控制方案

圖8　示范工程VBC閥控模塊的結(jié)構(gòu)圖

2.4示范工程的運行性能

廈門柔性直流輸電科技示范工程于9月中旬完成兩個站的安裝工程，10月中旬一次、二次設(shè)備交接試驗結(jié)束，緊隨著進入系統(tǒng)帶電調(diào)試。示范工程成功的進行了主設(shè)備和子系統(tǒng)的測試、換流閥空載啟動、空載輸出測試、定無功功率控制、定交流電壓控制等試驗項目，隨后完成兩站的STATCOM運行模式調(diào)試，在工程的最后階段完成了HVDC模式下的兩站聯(lián)調(diào)工作。通過對示范工程的兩種主要運行模式的運行性能進行調(diào)試分析及168h試運行試驗，證實示范工程已達到投運的條件。

圖9　STATCOM模式下鷺島站輸出波形圖

2.4.1STATCOM模式運行性能

當(dāng)示范工程處于STATCOM運行模式時，系統(tǒng)不參與有功功率交換，僅參與各自的無功功率交換。

圖9為在STATCOM運行模式下鷺島站輸出50Mvar無功功率時的錄波圖，其中圖(a)～(e)為鷺島站網(wǎng)側(cè)電流、閥側(cè)電流、網(wǎng)側(cè)電壓、無功功率、極線電壓輸出波形圖。

從圖9中可以看出，在STATCOM運行模式時，換流站輸出的無功功率維持在50 Mvar，幾乎沒有波動，極線電壓能維持在設(shè)定值。

2.4.2HVDC模式運行性能

在HVDC模式下，柔性直流輸電極線電纜和交流線路同時運行，也考驗HVDC模式下的長期運行的可靠性。工程調(diào)試時設(shè)定雙極總有功功率200 MW，極1有功功率100 MW，極2有功功率100 MW運行。圖10為HVDC模式下鷺島站輸出100 MW有功功率時交流側(cè)輸出錄波圖，其中圖10(a)～(c)為網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流、閥側(cè)電流輸出波形圖。圖11為HVDC模式下鷺島站直流側(cè)錄波圖，其中圖(a)～(b)極線電流和極線電壓波形圖。圖12(a)～(b)為鷺島站輸出100 MW有功功率時的有功和無功功率波形圖。

圖11　HVDC模式下的直流側(cè)波形圖

圖12　HVDC模式下輸出的功率波形圖

從波形圖中可以看出，在HVDC運行模式下，鷺島站設(shè)定輸出100 MW有功功率時，系統(tǒng)輸出的無功功率僅有3 Mvar左右，幾乎可以忽略不計，傳輸性能優(yōu)越。極線電壓也能維持在320 kV，表明廈門±320 kV柔性直流輸電工程具有良好的性能。

3結(jié)語

作為電壓等級最高，容量最大的柔性直流輸電式工程，廈門±320 kV柔性直流輸電工程采用模塊化多電平拓撲結(jié)構(gòu)，真雙極接線，具備多種運行方式，切換方便，供電可靠性高。采用外環(huán)功率控制和內(nèi)環(huán)電流控制相結(jié)合的直接電流控制方法，響應(yīng)速度快，魯棒性好[7-8]。示范工程主要的兩種運行模式分別為STATCOM運行模式和HVDC運行模式?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明在兩種運行模式下，換流站都能準確輸出所需的無功功率、有功功率，控制靈活、性能優(yōu)越，滿足工程設(shè)計的各種要求。

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(本文編輯：趙艷粉)

Key Technology for Xiamen ±320 kV Flexible HVDC Transmission Demonstration Project

DENG Ming-feng, WANG Kang，GUO Xiao-jun，ZHENG Ling-juan

(State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007, China)

Abstract:Xiamen ±320kV flexible HVDC technology demonstration project has attracted much attention of the world as a flexible HVDC project using true bipolar connection with the highest voltage level and largest capacity. This paper gives a brief introduction to the demonstration project, including operating modes, mode switching method, system control strategy and its performances in STATCOM operating mode and HVDC operating mode. The recorded waveforms show that the design requirements of demonstration projects are well satisfied. Xiamen demonstration project shows a bright future of flexible HVDC technology in high voltage and large capacity power transmission area.

Key words:±320 kV MMC; true bipolar connection; STATCOM mode; HVDC mode

DOI：10.11973/dlyny201603001

作者簡介：鄧明鋒(1988)，男，碩士，工程師，從事電網(wǎng)無功補償研究。

中圖分類號：TM721.1

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0269-05

收稿日期：2016-02-13