多端柔性直流系統(tǒng)的運行狀態(tài)分析

高 強，董 立，林 燁，葉仁杰

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力調(diào)度控制中心，浙江 杭州 310007；2.國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司，浙江 臺州 317000)

0 引言

高壓柔性直流輸電(VSC-HVDC)是新一代直流輸電技術(shù)，具有無功和有功獨立控制、潮流反轉(zhuǎn)快捷方便、運行方式變換靈活等優(yōu)點，可向無源電網(wǎng)(孤島)供電，在風(fēng)電并網(wǎng)、電網(wǎng)互聯(lián)、孤島和弱電網(wǎng)供電、城市供電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其中，多端柔性直流(VSC multi-term inal direct current，VSC-MTDC)輸電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點受電；與傳統(tǒng)兩端柔性直流輸電系統(tǒng)相比，能更好發(fā)揮直流輸電的經(jīng)濟性和靈活性。

多端柔性直流輸電系統(tǒng)由3個或3個以上換流站及連接換流站的高壓直流輸電線路組成，通過串、并聯(lián)或混聯(lián)方式連接，能夠?qū)崿F(xiàn)多個電源向多個負(fù)荷中心供電，在以下場合應(yīng)用優(yōu)勢明顯：

(1) 風(fēng)電等新能源發(fā)電并網(wǎng)；

(2) 從能源基地輸送大量電力到遠(yuǎn)方的幾個負(fù)荷中心，向大城市或工業(yè)中心供電。

(3) 直流線路中途分支接入電源或負(fù)荷；

(4) 大陸向多個分散海島供電；

(5) 幾個孤立交流電網(wǎng)非同步互聯(lián)。

目前，已投運的浙江舟山柔性直流輸電工程是世界上首個建成的5端直流輸電工程。

1 舟山柔性直流輸電工程概述

舟山柔性直流輸電工程承擔(dān)增強舟山北部諸島電網(wǎng)的供電能力，提高供電可靠性，促進舟山群島新區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的任務(wù)，具有電力工程技術(shù)創(chuàng)新的示范效應(yīng)和重要的社會、經(jīng)濟意義。它由舟定、舟岱、舟衢、舟泗、舟洋等5個直流換流站和多段直流電纜構(gòu)成，直流電壓等級為±200 kV。各換流站采用模塊化多電平換流器，容量分別為舟定站400 MW、舟岱站300 MW、舟衢站100 MW、舟泗站100 MW、舟洋站100 MW。舟定和周岱換流站通過220 kV單線分別接入220 kV云頂變和蓬萊變，舟衢、舟泗和舟洋換流站通過110 kV單線分別接入110 kV大衢變、嵊泗變和沈家灣變，其系統(tǒng)接線如圖1所示。

舟山柔性直流換流站一次設(shè)備主要包括交流線路、直流線路、直流母線、聯(lián)結(jié)變、換流閥組等，其一次接線如圖2所示。

該工程投入運行后，舟山電網(wǎng)將發(fā)展為一個同時包含多端柔性直流、傳統(tǒng)交流和風(fēng)電場的復(fù)雜交直流混聯(lián)電網(wǎng)，電能可同時通過交流和直流通道送達各島，運行方式復(fù)雜多變，在世界上尚屬首例。

2 運行方式

舟山柔性直流輸電系統(tǒng)可采用交直流并聯(lián)、單換流站直流孤島、多換流站直流孤島、單換流站STATCOM(靜止無功補償器)等4種運行方式。其中，交直流并聯(lián)方式屬于有源HVDC，單換流站直流孤島方式和多換流站直流孤島方式屬于無源HVDC。

圖1 舟山5端柔性直流輸電工程系統(tǒng)接線

(1) 交直流并聯(lián)方式(有源HVDC)是指柔性直流系統(tǒng)通過直流和交流線路聯(lián)網(wǎng)運行，共同向電網(wǎng)供電的運行方式。正常情況下，舟山柔性直流選擇交直流并聯(lián)方式，此時舟定站作為整流站運行，舟岱、舟衢、舟泗和舟洋站作為逆變站運行，形成5端柔性直流輸電系統(tǒng)。

(2) 單換流站直流孤島方式(無源HVDC)是指柔性直流換流站的交流側(cè)電網(wǎng)與交流主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線斷開，僅通過單個柔性直流換流站對局部孤立電網(wǎng)供電的運行方式。由圖1可知：當(dāng)大嵊1931線檢修時，舟泗站可采用單換流站直流孤島方式；當(dāng)上海同盛-沈家灣線檢修時，舟洋站可采用單換流站直流孤島方式；當(dāng)云昌2R39和朗云2R41雙線檢修時，舟定站可采用單換流站直流孤島方式。單換流站直流孤島方式下，該換流站承擔(dān)局部電網(wǎng)的調(diào)頻和調(diào)壓任務(wù)。

(3) 多換流站直流孤島方式(無源HVDC)是指柔性直流換流站的交流側(cè)電網(wǎng)與交流主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線斷開，通過多個柔性直流換流站對局部孤立電網(wǎng)供電的運行方式。由圖1可知：當(dāng)蓬大1943和蓬衢1950雙線同時檢修時，舟衢站和舟洋站可采用多換流站直流孤島方式；當(dāng)蓬洲2R48和朗蓬2R42雙線同時檢修時，舟岱站、舟衢站和舟洋站可采用多換流站直流孤島方式。

(4) STATCOM方式是指柔性直流換流站與交流系統(tǒng)通過電氣連接，而與其他換流站通過直流線路電氣連接斷開的運行方式。

3 控制模式

舟山柔性直流輸電系統(tǒng)各換流站控制模式可分為有功類控制和無功類控制2大類。

3.1 有功類控制

有功類控制的主要功能是通過換流站直接控制注入到交流系統(tǒng)的有功功率或間接調(diào)節(jié)與有功功率相關(guān)的物理量，主要包括定直流電壓控制、定有功功率控制、定頻率控制等，其選取原則如下。

圖2 換流站一次接線

(1) 定直流電壓控制。直流電壓的有效控制是柔性直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。正常運行時，直流聯(lián)網(wǎng)換流站有且只有1個換流站采用定直流電壓控制。根據(jù)舟山電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和換流站容量，承擔(dān)定直流電壓控制的換流站優(yōu)先順序為舟定站、舟岱站、舟衢站、舟泗站和舟洋站。采用STATCOM方式的換流站，其有功類控制亦選擇定直流電壓控制。正常情況下，舟山柔性直流以額定直流電壓±200 kV運行，不考慮降壓運行。

(2) 定有功功率控制。正常運行時，非定直流電壓控制的換流站一般采用定有功功率控制模式。

(3) 定頻率控制。當(dāng)單換流站(或多換流站)直流孤島供電區(qū)域與交流主網(wǎng)失去聯(lián)絡(luò)時，承擔(dān)局部電網(wǎng)調(diào)頻任務(wù)的換流站采用定頻率控制模式。在多換流站直流孤島方式下，定頻率控制換流站的優(yōu)先順序為舟岱站、舟衢站、舟泗站、舟洋站。

3.2 無功類控制

無功類控制的主要功能是通過換流站直接控制注入到交流系統(tǒng)的無功功率或間接調(diào)節(jié)與無功功率相關(guān)的物理量，主要包括定無功功率控制、定交流電壓控制等，其選取原則如下。

(1) 正常運行情況下，各換流站無功類控制可選擇定無功功率控制和定交流電壓控制模式。

(2) 采用STATCOM運行方式的換流站，可選擇定無功功率控制和定交流電壓控制模式。

(3) 當(dāng)單換流站和多換流站直流孤島供電區(qū)域與主網(wǎng)失去交流聯(lián)絡(luò)時，承擔(dān)局部電網(wǎng)調(diào)壓任務(wù)的換流站采用定交流電壓控制。

4 設(shè)備運行狀態(tài)和啟停操作流程

舟山柔性直流輸電系統(tǒng)包含元件眾多，運行狀態(tài)復(fù)雜多樣，換流站的啟停操作缺乏借鑒經(jīng)驗，換流站各主要元件的運行狀態(tài)和啟停操作流程如下。

4.1 直流線路

(1) 檢修。直流線路正負(fù)極閘刀在拉開位置，線路接地閘刀在合上位置。

(2) 冷備用。安全措施解除，直流線路正負(fù)極閘刀及線路接地閘刀在拉開位置。

(3) 運行。安全措施解除，直流線路正負(fù)極閘刀在合上位置，線路接地閘刀在拉開位置。

4.2 直流母線

(1) 檢修。直流母線上所有閘刀在拉開位置，直流母線接地閘刀在合上位置。

(2) 冷備用。直流母線上所有閘刀在拉開位置，直流母線接地閘刀在拉開位置。

(3) 運行。直流母線上任一閘刀在合上位置，直流母線接地閘刀在拉開位置。

4.3 聯(lián)結(jié)變

(1) 檢修。聯(lián)結(jié)變各側(cè)閘刀在拉開位置，交流線路開關(guān)和兩側(cè)閘刀在拉開位置，聯(lián)結(jié)變各側(cè)接地閘刀在合上位置。

(2) 冷備用。聯(lián)結(jié)變各側(cè)閘刀在拉開位置，交流線路開關(guān)和兩側(cè)閘刀在拉開位置，聯(lián)結(jié)變各側(cè)接地閘刀在拉開位置。

(3) 熱備用。聯(lián)結(jié)變各側(cè)閘刀在合上位置，交流線路開關(guān)兩側(cè)閘刀在合上位置，交流線路開關(guān)在拉開位置，聯(lián)結(jié)變各側(cè)接地閘刀在拉開位置。

(4) 運行。聯(lián)結(jié)變各側(cè)閘刀在合上位置，交流線路開關(guān)及兩側(cè)閘刀在合上位置，聯(lián)結(jié)變各側(cè)接地閘刀在拉開位置。

4.4 換流閥

(1) 檢修。啟動電阻旁路閘刀拉開位置，換流器正負(fù)極閘刀拉開位置，換流閥相關(guān)接地閘刀在合上位置。

(2) 冷備用。安全措施解除，啟動電阻旁路閘刀拉開位置，換流器正負(fù)極閘刀拉開位置，換流閥相關(guān)接地閘刀在拉開位置。

(3) 極連接。啟動電阻旁路閘刀拉開位置，換流器正負(fù)極閘刀合上位置，換流閥相關(guān)接地閘刀在拉開位置，閥閉鎖。

(4) HVDC充電。啟動電阻旁路閘刀合上位置，換流器正負(fù)極閘刀合上位置，換流閥相關(guān)接地閘刀在拉開位置，閥閉鎖。

(5) STATCOM充電。啟動電阻旁路閘刀合上位置，換流器正負(fù)極閘刀拉開位置，換流閥相關(guān)接地閘刀在拉開位置，閥閉鎖。

(6) 有源HVDC運行。啟動電阻旁路閘刀合上位置，換流器正負(fù)極閘刀合上位置，換流閥相關(guān)接地閘刀在拉開位置，閥以有源HVDC控制方式觸發(fā)導(dǎo)通。

(7) 無源HVDC運行。啟動電阻旁路閘刀合上位置，換流器正負(fù)極閘刀合上位置，換流閥相關(guān)接地閘刀在拉開位置，閥以無源HVDC控制方式觸發(fā)導(dǎo)通。

(8) STATCOM運行。啟動電阻旁路閘刀合上位置，換流器正負(fù)極閘刀拉開位置，換流閥相關(guān)接地閘刀在拉開位置，閥以STATCOM控制方式觸發(fā)導(dǎo)通。

4.5 換流器

(1) 檢修。聯(lián)結(jié)變及換流閥檢修狀態(tài)。

(2) 冷備用。聯(lián)結(jié)變及換流閥冷備用狀態(tài)。

(3) 極隔離。聯(lián)結(jié)變熱備用，換流閥冷備用。

(4) 極連接。聯(lián)結(jié)變熱備用，換流閥極連接。

(5) 無源HVDC充電。聯(lián)結(jié)變熱備用，換流閥HVDC充電。

(6) 有源HVDC充電。聯(lián)結(jié)變運行，換流閥HVDC充電。

(7) STATCOM充電。聯(lián)結(jié)變運行，換流閥STATCOM充電。

(8) 有源HVDC運行。聯(lián)結(jié)變運行，換流閥有源HVDC運行。

(9) 無源HVDC運行。聯(lián)結(jié)變運行，換流閥無源HVDC運行。

(10) STATCOM運行。聯(lián)結(jié)變運行，換流閥STATCOM運行。

4.6 換流站啟停操作流程

各換流站運行方式包括：有源HVDC方式、無源HVDC方式和STATCOM方式，各運行方式的啟停操作流程如圖3～6所示。在操作中需要注意以下事項。

(1) 正常啟停操作時，各模式間的切換必須在極隔離或圖示狀態(tài)(包括冷備用和檢修狀態(tài))進行。

(2) 涉及換流站直流聯(lián)網(wǎng)運行個數(shù)改變的操作，均需在原運行方式下將每個換流站改為極隔離或圖示狀態(tài)(包括冷備用和檢修狀態(tài))后，方可啟動新的運行方式。

(3) 有源HVDC運行時，必須指定一站為定直流電壓控制站。在舟山柔性直流輸電系統(tǒng)啟動時，承擔(dān)定直流電壓控制的換流站必須首先投入運行；在其停運時，該站必須最后退出運行。

圖3 多站有源HVDC運行方式的啟動流程

圖4 多站有源HVDC運行方式的停運流程

圖5 有源站向無源站啟動流程

圖6 STATCOM站啟停流程

(4) 啟動操作有源HVDC運行方式時，應(yīng)待啟動的各直流聯(lián)網(wǎng)換流站改為極連接后方可進行改有源HVDC充電的操作；應(yīng)待啟動的各直流聯(lián)網(wǎng)換流站改為有源HVDC充電后，方可進行改運行的操作。

(5) 有源HVDC運行方式停運操作時，應(yīng)在各直流聯(lián)網(wǎng)換流站均改為無源HVDC充電后，方可進行改極隔離的操作。

(6) 1個或多個換流站以無源HVDC運行方式啟動操作時，至少有1個換流站應(yīng)以有源HVDC運行方式啟動；須在無源HVDC運行方式換流站改無源HVDC充電，有源HVDC運行方式換流站改極連接后，方可進行有源HVDC運行方式換流站改有源HVDC充電操作。

5 結(jié)語

舟山5端柔性直流輸電工程的建成，將加強舟山諸島之間的電氣聯(lián)系，增強網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高供電可靠性，為柔性直流輸電的大規(guī)模推廣起到良好示范作用。通過對舟山5端柔性直流輸電系統(tǒng)的運行方式、控制模式、主要設(shè)備運行狀態(tài)，以及各種運行方式的啟停操作流程和注意事項的分析、總結(jié)，有助于設(shè)備正常運行、調(diào)度發(fā)令以及現(xiàn)場倒閘操作，為舟山5端柔性直流輸電系統(tǒng)安全運行提供技術(shù)保障，為多端柔性直流技術(shù)的發(fā)展和實際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和參考經(jīng)驗。

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