串聯多端直流輸電系統接地極拓撲研究

鄒 強， 馬云龍， 楊建明， 王永平， 趙文強， 俞 翔

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇 南京 211102；2. 國家電網有限公司直流建設分公司， 北京 100052)

0 引言

隨著直流輸電技術的發展，國內外已經開始著手多端直流輸電系統技術的研究。文獻[1]仿真研究了并聯四端直流輸電系統；文獻[2]給出了串聯多端直流輸電系統的拓撲；文獻[3]闡述了多端直流輸電系統的監視功能；文獻[4]闡述了多端直流輸電技術的應用前景；文獻[5]闡述了多端直流輸電系統的絕緣配合；文獻[6]分析了多端直流輸電對系統穩定性的影響；文獻[7]提出了電流源換流器(LCC)和電壓源換流器(VSC)混合的多端直流輸電技術；文獻[8—14]研究了多端直流輸電技術的控制保護策略。然而，目前的研究很少涉及含有串聯換流器的接地極拓撲結構。而串聯多端直流輸電系統自身特點(串聯站在正常運行時不能接地)決定了在隔離線路故障和換流站故障時都依賴于接地極的投退。因此開展串聯多端直流輸電系統接地極拓撲的研究工作十分必要。

1 串聯多端直流輸電系統拓撲

1.1 純串聯多端直流輸電系統

圖1為四端純串聯多端直流輸電系統，可以看出整個系統只有送端1和受端2具有接地極，而串聯在線路之中的送端2、受端1沒有接地極，其換流閥串聯在輸電線路上。

圖1 純串聯多端直流輸電系統Fig.1 Pure series multi-terminal HVDC system

1.2 串并聯混合多端直流輸電系統

圖2為送端采用LCC、受端采用多個VSC并聯再與LCC串聯的串并聯混合多端直流輸電系統。中日韓聯網工程和落點江蘇多個負荷中心的白鶴灘工程也擬采用類似結構。

圖2 串并聯混合多端直流輸電系統Fig.2 Series and parallel hybrid multi-terminal HVDC system

1.3 包含串聯換流器拓撲的缺陷與優點

多端直流輸電系統在運行過程中，并聯在輸電線路上的換流器及首端和末端換流器都須有接地極投入運行，而串聯在線路上的換流器則不能有接地點。如圖2中的蒙古站、山東站、韓國站及日本站須有接地極投入運行，而串聯在線路中的天津站則不能接地。并聯換流站檢修時可直接退出運行并不會影響整個系統的功率傳輸回路，而串聯換流站由于換流器自身就是整個系統功率傳輸回路的一部分，如退出運行將導致部分甚至整個系統停電。

如圖1所示，當極一線路1、極一線路2、極一線路3、極二線路1、極二線路2、極二線路3、送端1、送端2、受端1、受端2任意一個環節需要檢修時，四端串聯多端直流輸電系統的相應極需要停電。當送端1接地極或者受端2接地極檢修時，四端串聯多端直流輸電系統的兩極都需要停電。圖2中如果天津站不設置接地極，當蒙古站或者蒙古—天津線路檢修時天津站將處于開路狀態，整個系統也必須退出運行。另外當天津站檢修時，如果沒有旁路措施蒙古站也必須退出運行。綜上所述，包含串聯換流器的拓撲其可靠性不如純并聯換流器拓撲。

雖然包含串聯換流器的拓撲可靠性較差，但也有優點。由于目前投入工程應用的直流電纜其最高電壓等級只能達到500 kV，圖2所示的系統把天津站串聯在輸電線路上，直接將天津站至日本站的電壓等級降低到+400 kV，這為實現中國、韓國、日本聯網提供了可能性。另外，當多端直流輸電系統中有VSC時，為了降低VSC的電壓等級，包含串聯換流器的拓撲也是一個不錯的選擇。

2 串聯多端直流輸電系統對接地極的要求

串聯多端直流輸電系統存在多種運行方式，不同運行方式對接地極拓撲的要求也不一樣[15]。下面以圖1所示的四端串聯直流輸電系統為例說明運行方式對接地極拓撲的要求。

2.1 單極大地回線運行方式

單極大地回線運行方式下，當四端串聯直流輸電系統的送端1因故障退出運行時，為最大程度保障系統運行，需要將送端1旁路，并將極一線路1跨過送端1換流器直接與送端1的接地極相連。

為了保證送端換流器運行數目與受端換流器運行數目一致，受端1和受端2換流器必須要有旁路設備。當送端1和受端1(也可以是受端2)被旁路時，送端2和受端2構成的兩端直流輸電系統仍然可以正常送電，如圖3所示。

圖3 采用送端1接地極的兩端單極大地回線運行方式Fig.3 Two-terminal monopole ground return operation mode with the sending end 1 electrode

送端1接地極或線路1檢修時，考慮到單極大地回線運行時接地極電流很大，為保證輸電系統正常運行，只能在送端2配置一個能通過大電流的接地極，且旁路送端1和受端1換流站，如圖4所示。

圖4 采用送端2接地極的兩端大地回線運行方式Fig.4 Two-terminal monopole ground return operation mode with the sending end 2 electrode

2.2 金屬回線運行方式

金屬回線運行方式下，當送端1、送端2、受端1或受端2任意一個換流器檢修時，為保證剩余系統繼續運行，對接地極拓撲的要求與大地回線相同。當受端2接地極或者線路3檢修時，為保證系統持續運行，要在受端1配置接地點，如圖5所示。

圖5 采用受端1接地點的金屬回線運行方式Fig.5 Metallic return operation mode with the receiving end 1 grounding point

2.3 雙極大地運行方式

按站外接地極是否流過電流可以分為雙極平衡運行和雙極不平衡運行兩種情況。

2.3.1 雙極大地平衡運行方式

在雙極平衡運行方式下，接地極沒有持續的運行電流流過。當送端1極一換流器故障時可以采用與單極大地回線類似的處理方法，即隔離送端1換流器和受端1換流器，如圖6所示。

圖6 采用送端1接地極的雙極大地回線平衡運行方式Fig.6 Bipolar ground return balance operation mode with sending ending 1 electrode

當送端1接地極或者線路1故障時，如果在送端2增設一接地點，則可以將送端1及其接地極全部退出運行，具體運行方式如圖7所示。

圖7 采用送端2接地點的雙極大地回線平衡運行方式Fig.7 Bipolar ground return balance operation mode with sending ending 2 grounding point

2.3.2 雙極大地不平衡運行方式

雙極大地不平衡運行時，在送端1極一換流器檢修時，其剩余系統的投入運行情況與圖6相同。

在送端1接地極故障時，剩余系統的投入運行情況與圖7相同。此時要求送端2的接地點能通過大電流，或者將傳輸電流大的那一極電流減小至與另一極電流相等再投入運行。

當極一線路1(或極二線路1)故障時，為了保證剩余系統繼續不平衡運行。應將送端1的極一換流器和極二換流器全部退出運行，并將極二換流器(或極一換流器)旁路。送端2極一換流器的陽極與極二換流器的陰極連接，連接線通過極二線路1(或極一線路1)接入送端1接地極，如圖8所示。

圖8 雙極大地回線不平衡運行方式Fig.8 Bipolar ground return unbalance operation mode

3 串聯多端直流輸電系統接地極拓撲研究

3.1 串聯多端直流輸電系統接地極拓撲

隨著運行方式的改變，串聯多端系統在換流器、直流線路或者接地極檢修時，未檢修站繼續運行對接地極拓撲提出的要求不盡相同。綜合所有的運行方式，串聯多端直流輸電系統接地極拓撲應具備以下功能：接地極拓撲能旁路任意換流站，每個換流站配置能流過大電流的站外接地極，并且能將送端2和受端1的極一換流器陽極(陰極)或者極二換流器陰極(陽極)連接后再與相應的接地點連接。另外接地極拓撲能把送端2(受端1)通過線路1(線路3)與送端1(受端2)的接地極連接。

但是，送端2和受端1換流站在正常運行時不需要接地，只有當送端1或者受端2的接地極檢修等特殊場合時才投入使用。而站外接地極征地、選址非常困難，因此建議送端2和受端1只配置與站內接地網連接的接地點，不單獨配置站外接地極。在單極大地回線或者雙極不平衡運行時，如果送端1或者受端2的接地極檢修，可以將單極大地回線轉化成金屬回線運行、將雙極不平衡運行方式轉為雙極平衡運行方式。

根據上述要求并結合已有研究成果[16-17]，本文設計如圖9所示串聯多端直流輸電系統接地極拓撲。

圖9 串聯多端直流輸電系統接地極拓撲Fig.9 Electrode topology of series multi-terminal HVDC system

串聯多端直流輸電系統接地極拓撲包括送端1的開關S1、S2、S3、S4、S5；串聯在線路上的送端2、受端1的開關SR1、SR2、SR3、SI1、SI2、SI3、SL1、SL2、SL3、SL4及旁路開關SB；受端2的開關設備S1、S2、S3、S4、S5。其中送端1和受端2的接地采用能流過大電流的站外接地極，送端2和受端1的接地采用與站內接地網相連的方式。

3.2 串聯多端直流輸電系統接地極拓撲控制方法

針對串聯多端直流輸電系統不同運行方式說明圖9所示的接地極拓撲幾種典型的控制方法。

3.2.1 單極大地回線運行方式

在單極大地回線運行方式下，針對圖3所示的送端1換流器檢修時，接地極拓撲的控制方法如圖10所示。

圖10 單極大地回線接地極拓撲控制方法Fig.10 Electrode topology control method of monopole ground return operation mode

3.2.2 金屬回線運行方式

圖5所示的線路3檢修時，極一金屬回線運行方式下接地極拓撲的控制方法如圖11所示。送端2和受端2的組合、送端1和受端1的組合以及送端1與受端2的組合也可以通過控制開關的分合狀態來實現金屬回線的運行。

圖11 金屬回線接地極拓撲控制方法Fig.11 Electrode topology control method of metallic return operation mode

3.2.3 雙極大地回線運行方式

圖7所示的雙極大地平衡運行方式接地極拓撲的控制方法如圖12所示。送端2和受端1的組合、送端1和受端1的組合以及送端1與受端2的組合也可以通過控制開關的分合狀態來實現雙極大地平衡運行方式。圖8所示的雙極大地不平衡運行方式接地極拓撲的控制方法如圖13所示。

圖12 雙極平衡運行接地極拓撲控制方法Fig.12 Electrode topology control method of bipolar ground return balance operation mode

圖13 雙極不平衡運行接地極拓撲控制方法Fig.13 Electrode topology control method of bipolar ground return unbalance operation mode

4 結語

本文給出了串聯多端直流輸電系統兩種主要拓撲結構并分析了其優缺點，指出串聯多端直流輸電系統中，串聯在線路上的換流器在正常運行時不能接地，是影響整個系統可靠性的重要因素。分析了串聯多端直流輸電系統在不同運行方式下如果發生設備檢修，維持剩余系統繼續運行對接地極拓撲的具體要求。并根據這些要求，設計了一種串聯多端直流輸電系統接地極拓撲。給出串聯多端直流輸電系統接地極拓撲在直流不同運行方式下的控制方法，該接地極拓撲在串聯多端直流輸電系統任意一條線路、接地極或者換流站需要檢修時，都能最大程度地保證剩余串聯直流輸電系統在任意一種直流運行方式下正常運行。