廣州換流站柔性化改造設(shè)計(jì)方案研究

簡(jiǎn)翔浩，盧毓欣，郝為瀚，彭冠炎

（1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510633；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州510080）

常規(guī)直流輸電在大容量遠(yuǎn)距離輸電以及異步電網(wǎng)背靠背互聯(lián)等場(chǎng)合有成熟的應(yīng)用，但存在著的逆變站換相失敗、無(wú)法對(duì)弱交流系統(tǒng)供電、運(yùn)行過(guò)程中需要消耗大量無(wú)功功率等缺陷，制約其進(jìn)一步發(fā)展。

柔性直流輸電系統(tǒng)基于IGBT（絕緣柵雙極晶體管）電壓源換流器VSC，因此不存在逆變站的換相失敗問(wèn)題，能抑制甚至避免常規(guī)直流多饋入系統(tǒng)的繼發(fā)性換相失敗問(wèn)題，不需要考慮直流系統(tǒng)的潮流反向功能。

混合直流輸電系統(tǒng)的一端采用基于晶閘管的電網(wǎng)換相換流器LCC，另一端采用VSC，技術(shù)綜合了兩種直流輸電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用VSC 快速啟動(dòng)LCC，參與電網(wǎng)大停電后的恢復(fù)，可以顯著改善恢復(fù)過(guò)程中的波動(dòng)幅度并減小暫態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間［1-2］，控制高度靈活且成本相對(duì)較低，在可再生能源發(fā)電的能量匯聚、異步電網(wǎng)互聯(lián)以及遠(yuǎn)距離輸電方面有很好的應(yīng)用前景［3］。

天廣直流2001 年6 月投產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)第2 條投產(chǎn)的高壓直流輸電工程，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)；受端廣州換流站位于珠江三角洲負(fù)荷中心，額定電壓±500 kV，容量1.8 GW，容量較小。為避免廣州換流站逆變器換相失敗問(wèn)題，提高輸電的可靠性，為電網(wǎng)提供無(wú)功功率支撐，提高交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，同時(shí)增大輸送容量，研究將天廣直流改造為送端為常規(guī)直流，受端為柔性直流的高壓混合直流輸電系統(tǒng)的可行性。

受端廣州換流站柔性化改造設(shè)計(jì)方案綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式、設(shè)備研發(fā)水平，以及充分利用現(xiàn)有設(shè)備及建筑，減少改造的難度和費(fèi)用。

1 換流閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

天廣直流為長(zhǎng)架空線送電，輸送距離960 km，為提高運(yùn)行穩(wěn)定性、供電可靠性，采用對(duì)稱雙極接線。柔性化改造仍采用對(duì)稱雙極接線，單極容量1.5 GW，直流額定電壓±500 kV。輸電結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

換流閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為每極1個(gè)1.5 GW 換流閥和每極2個(gè)750 MW換流閥兩種方案。

1.1 每極1個(gè)1.5 GW換流閥

換流閥單極由1 個(gè)1.5 GW 柔性直流單元組成，直流額定電流為3 kA，換流閥需采用額定電流3 kA的功率模塊，單極換流閥組可布置于1 個(gè)閥廳內(nèi)，如圖2所示。

1.2 每極2個(gè)750 MW換流閥

換流閥單極由2 個(gè)750 MW 的柔性直流單元并聯(lián)組成，每單元直流額定電流為1.5 kA，單極換流閥組需布置于2個(gè)閥廳內(nèi)，如圖3所示。

1.3 方案比較

常用的高壓IGBT 器件的標(biāo)稱電壓等級(jí)主要有3.3 kV、4.5 kV 和6.5 kV。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓，以及直流電容電壓上存在的波動(dòng)，在選擇器件電壓等級(jí)時(shí)需要考慮1.5～2.0倍的裕量。IGBT器件所標(biāo)稱的電流值通常是指所能持續(xù)流過(guò)的有效值電流，這個(gè)電流主要受到器件發(fā)熱的限制，一般在使用IGBT 器件時(shí)也會(huì)考慮到使其電流承受能力有1.5倍～2.0倍裕量。

兩種換流閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮器件的可選性，開(kāi)關(guān)器件參數(shù)如表1所示。

由于采用換流閥并聯(lián)的方案直流電壓并沒(méi)有降低，仍為±500 kV，而功率模塊的數(shù)量主要是根據(jù)直流電壓的要求而選擇，因此采用換流閥并聯(lián)的方案對(duì)于換流閥來(lái)說(shuō)額定電流小了一半，但功率模塊的數(shù)量增加了一倍，而兩種開(kāi)關(guān)器件的尺寸相差少，因此兩種方案的單個(gè)閥廳占地面積相差很少，并聯(lián)方案閥廳總面積增加約一倍。

表1 開(kāi)關(guān)器件參數(shù)Tab. 1 Switching device parameters

4.5 kV/2 kA 的功率器件已在多個(gè)工程成熟應(yīng)用，而額定電流3 kA的功率器件在張北柔性直流工程和昆柳龍工程中應(yīng)用，中車的壓接式IGBT 也試點(diǎn)應(yīng)用在上述2個(gè)工程中，已應(yīng)用2 370只，目前在投項(xiàng)目運(yùn)行良好。

兩方案的對(duì)比如表2所示。

表2 換流閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比Tab. 2 Comparison of topological of converter valve

由于在原換流站進(jìn)行改造，為盡量增大容量，而少增加用地，且改造過(guò)程盡量利用原站設(shè)備，并對(duì)站內(nèi)已有設(shè)備影響小，同時(shí)在造價(jià)、控制策略上有優(yōu)勢(shì)，開(kāi)關(guān)器件國(guó)產(chǎn)化也已取得較好的成果，推薦每極1個(gè)1.5 GW換流閥的換流閥拓?fù)浞桨浮?/p>

2 功率模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于原常規(guī)直流出線是遠(yuǎn)距離架空線出線，線路較容易發(fā)生故障，受端換流站改造為柔性直流后需考慮直流短路電流的限制方案。目前限制直流短路電流的方案主要是通過(guò)采用新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率模塊（如全橋結(jié)構(gòu)、鉗位雙子模塊等）或加裝直流線路開(kāi)斷設(shè)備（如直路斷路器等），由此功率模塊可根據(jù)需求分為如下方案：

2.1 半橋結(jié)構(gòu)+直流斷路器

半橋結(jié)構(gòu)是柔性直流最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。國(guó)內(nèi)目前所有的柔性直流工程均采用該結(jié)構(gòu)，但應(yīng)用在長(zhǎng)距離架空送電時(shí)，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障，對(duì)于采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的換流閥，全控型開(kāi)關(guān)器件所反并聯(lián)的續(xù)流二極管容易構(gòu)成故障點(diǎn)，與交流系統(tǒng)直接連通的能量饋送回路，無(wú)法單純依靠換流閥動(dòng)作完成直流側(cè)故障電流的清除。因此，可額外通過(guò)在極線配置直流斷路器，形成“半橋結(jié)構(gòu)+直流斷路器”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)限制短路電流的目的［4］。

直流斷路器運(yùn)行較為靈活，功率模塊可保持半橋結(jié)構(gòu)不變，是目前在低電壓等級(jí)直流工程中限制直流短路電流的主流方案。隨著IGBT 功率器件的快速進(jìn)步和成熟應(yīng)用，高壓直流斷路也走向成熟，舟山柔性直流2016年12月加裝了±200 kV 混合式直流斷路器，南澳柔性直流2017年12月加裝了±160 kV機(jī)械式直流斷路器，張北四端柔直2020 年6 月投入±500 kV 混合式、負(fù)壓耦合式和機(jī)械式直流斷路器。

2.2 半橋-全橋混合結(jié)構(gòu)

全橋結(jié)構(gòu)的功率模塊在發(fā)生短路情況下，可產(chǎn)生反由于采用了全橋結(jié)構(gòu)，功率模塊中功率器件數(shù)量是半橋結(jié)構(gòu)的2 倍，且模塊內(nèi)需配置更大容量的直流電容器投資向電流用于限制短路電流，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

為降低造價(jià)和損耗，可部分采用半橋結(jié)構(gòu)，構(gòu)成半橋-全橋混合結(jié)構(gòu)［5-6］，該結(jié)構(gòu)成熟，可實(shí)施性高。在±800 kV 龍門換流站和±800 kV 柳北換流站中采用全橋功率模塊數(shù)量80%的半橋-全橋結(jié)構(gòu)混合型式。

2.3 鉗位雙子模塊結(jié)構(gòu)

鉗位雙子模塊是在全橋結(jié)構(gòu)上的一種優(yōu)化，在繼承了全橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)的情況下，還具備直流側(cè)故障自清除能力，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示。但相對(duì)全橋結(jié)構(gòu)的閥組占地面積和投資都有所增加，且目前該模塊還停留在技術(shù)理論階段，還沒(méi)有主流技術(shù)廠商以此為核心技術(shù)路線進(jìn)行研發(fā)工作，因此在未來(lái)幾年的應(yīng)用情況尚不明朗［7-8］。

2.4 比較

三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較如表3所示：

半橋-全橋混合結(jié)構(gòu)較為成熟，可實(shí)施性較高，因此推薦功率模塊采用半橋-全橋混合結(jié)構(gòu)。

表3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較表Tab. 3 Topology comparison table

3 啟動(dòng)回路設(shè)置

柔性直流系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要對(duì)電容器進(jìn)行預(yù)充電，啟動(dòng)回路設(shè)置啟動(dòng)電阻主要用于限制換流閥充電電流及電流上升率，從而減小對(duì)交流系統(tǒng)的沖擊，并限制充電啟動(dòng)瞬間橋臂電抗器上的瞬態(tài)過(guò)電壓，以及功率模塊電容器和IGBT續(xù)流二極管上的瞬態(tài)過(guò)電流。

啟動(dòng)回路設(shè)置位置有兩種：

1）設(shè)置在聯(lián)接變的閥側(cè)

接線如圖7 所示，設(shè)置在閥側(cè)時(shí)能量要求較低。在已有的單極結(jié)構(gòu)中，聯(lián)接變閥側(cè)電壓通常較網(wǎng)測(cè)低，不需要承受直流偏置電壓［9-10］，因此，常采用該方式。但在對(duì)稱雙極結(jié)構(gòu)中，需承受直流偏置電壓，本次改造，閥側(cè)電壓為交流250 kV加直流偏置電壓250 kV，外絕緣的要求較高。

2）設(shè)置在聯(lián)接變的網(wǎng)側(cè)

接線如圖8 所示，設(shè)置網(wǎng)側(cè)時(shí)可降低勵(lì)磁涌流，但需承受勵(lì)磁涌流在其上產(chǎn)生的能量，能量要求相對(duì)較高［11］。本次改造，網(wǎng)側(cè)電壓為交流525 kV，外絕緣的要求較低。

雖然啟動(dòng)回路設(shè)置在閥側(cè)設(shè)備外絕緣稍高，但常規(guī)直流換流站無(wú)啟動(dòng)回路，一般換流變套管插入閥廳布置，網(wǎng)側(cè)接入交流配電裝置，改造為柔性直流換流站后，設(shè)置在閥側(cè)和網(wǎng)側(cè)均需加大位置，為減少換流變運(yùn)輸?shù)缆犯膭?dòng)對(duì)交流配電裝置的影響，廣州換流站柔性化改造后啟動(dòng)回路布置位置在閥側(cè)。

4 直流場(chǎng)電氣接線

現(xiàn)有的常規(guī)直流換流站直流場(chǎng)主接線方案需滿足長(zhǎng)距離、大容量輸電工程，柔直改造后仍需滿足原有的系統(tǒng)運(yùn)行方式，通過(guò)簡(jiǎn)單改造完成。改造后，直流側(cè)根據(jù)柔性直流的特點(diǎn)，取消了直流濾波器，增加了啟動(dòng)回路、橋臂電抗器，電氣主接線如圖9所示。

5 聯(lián)接變壓器型式

為提供與直流側(cè)電壓相匹配的交流二次側(cè)電壓，使換流閥工作在最佳的運(yùn)行范圍內(nèi)，柔性直流換流站需配置聯(lián)接變壓器。由于采用了對(duì)稱雙極接線，且有專門的接地極回路，因此換流變閥側(cè)不需設(shè)專門的接地點(diǎn)，換流變壓器交流側(cè)直接接地。

變壓器容量較大，但近年來(lái)，大容量換流變不斷出現(xiàn)，如烏東德±800 kV 聯(lián)接變換流變?nèi)萘?80 MVA，準(zhǔn)東-皖南±1 100 kV 直流換流變?nèi)萘?86 MVA，設(shè)備制造上有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。廣州換流站位于珠江三角洲平原地區(qū)，運(yùn)輸便利，因此換流變不考慮采用兩臺(tái)單相聯(lián)接變并聯(lián)的方式，采用單臺(tái)聯(lián)接變。

根據(jù)初步收集的資料，換流變外形結(jié)構(gòu)主要有2種，如圖10所示。

聯(lián)接變外形結(jié)構(gòu)1 和目前的換流變類似，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，達(dá)到21 m，寬度較窄。聯(lián)接變外形結(jié)構(gòu)2 和常規(guī)的交流變類似，長(zhǎng)度方向?yàn)?～8 m。

柔性直流換流站閥廳橫向尺寸達(dá)到70 多米，而對(duì)應(yīng)每閥廳僅有3 臺(tái)換流變，為節(jié)省縱向尺寸，因此采用聯(lián)接變形式2更能適應(yīng)場(chǎng)地尺寸。

6 結(jié)論

常規(guī)直流換流站改造為柔性直流換流站需滿足柔性直流輸電的各種運(yùn)行方式、設(shè)備研發(fā)水平，以及充分利用現(xiàn)有設(shè)備及建筑，減少改造的難度和費(fèi)用。

廣州換流站的柔性化改造設(shè)計(jì)方案主要結(jié)論如下：

1）為適應(yīng)長(zhǎng)距離架空送電，提高運(yùn)行穩(wěn)定性、供電可靠性，便于受端換流站改造，系統(tǒng)接線采用對(duì)稱雙極接線方案，每極采用1個(gè)1.5 GW換流閥。

2）半橋-全橋混合結(jié)構(gòu)較為成熟，可實(shí)施性較高，因此推薦功率模塊采用半橋-全橋結(jié)構(gòu)混合型式。

3）接線采用對(duì)稱雙極接線，啟動(dòng)回路設(shè)置在閥側(cè)，需承受直流偏置電壓，但可減少換流變運(yùn)輸?shù)缆返母膭?dòng)和對(duì)交流配電裝置的影響。

4）受端換流站運(yùn)輸條件良好，因此聯(lián)接變壓器采用單臺(tái)575 MVA 變壓器，變壓器需承受直流偏置電壓。為節(jié)省縱向尺寸，選用橫向尺寸大的聯(lián)接變壓器。