配網柔性直流背靠背互聯接線方案

蘇 成，簡翔浩，倫振堅

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

隨著電力系統的發展，大量分布式能源及更大規模的電力負荷接入系統，使配網的運行特點和結構發生了巨大變化。傳統的配網正面臨供電負荷不均衡、供電容量與負荷需求不匹配、電能質量以及供電可靠性不能滿足接入負荷的需求等問題[1-2]。柔性直流技術不存在無功補償問題和換相失敗問題，可以為無源系統供電，具有有功和無功可獨立調節控制、諧波水平低、占地面積小等優點，廣泛應用于工程建設[3]。相關研究表明，基于柔性直流技術的配電系統可提升電能質量和提高供電可靠性，正受到越來越多的關注，已有多個工程投產運行[4-6]。

配網柔性互聯的主要形態包括基于背靠背的柔性互聯形態、含直流母線的點對點柔性互聯形態和交直流混合柔性互聯形態3種[1]。系統的接線方案直接影響整個系統的可靠性和工程造價。文章基于配網柔性直流背靠背互聯形態對其接線進行研究，提出可靠性高、技術經濟合理的接線方案。

1 系統接線方式

柔性直流系統的接線方式主要有不對稱單極接線、對稱單極接線以及對稱雙極接線3種。

與傳統直流輸電類似，不對稱單極接線方式只有一條極線，然后通過大地或金屬回線構成一個完整的回路。雖然不對稱單極接線只有一個換流器，接線簡單，造價較低，但系統可靠性較差，極線電壓即為極間電壓，對極線設備絕緣水平要求較高。

對稱單極接線方式也只有一個換流器，包含2個極線。它的極線電壓只有極間電壓的1/2，降低了極線設備的絕緣水平。正常運行情況下，聯接變閥側交流設備不承受較大的直流偏置電壓，設備制造更容易。相對于不對稱單極接線，對稱單極接線輸送容量更大，可靠性更高。目前，已投產的配網柔性直流項目均采用此接線方式。

對稱雙極接線有2個換流器，極線電壓與對稱單極接線相同。相對于對稱單極接線，這種接線的運行方式多，輸送容量大，可靠性也高，但聯接變閥側交流設備需承受由直流電壓不對稱造成的直流偏置電壓，提高了對聯接變壓器及相關設備的絕緣要求。

配網柔性直流背靠背互聯系統傳輸容量相對較小，從降低項目投資的角度出發，結合現有工程經驗，推薦采用對稱單極接線方式。

2 聯接變壓器配置方式

2.1 配置聯接變壓器的電氣接線

柔性直流系統中，聯接變壓器的主要作用如下[7]。第一，提供電壓匹配，變換交流系統的電壓，使柔性直流換流閥工作在最佳的電壓范圍內，減少輸出電壓和電流的諧波分量。第二，提供部分聯接電抗，以抑制諧波分量和故障電流。第三，隔離兩側交流系統，使其互不影響，特別是隔斷零序電流在兩側交流系統之間的通路。

配置聯接變壓器時，兩側交流系統經聯接變壓器連接模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC），經MMC變換到直流后互聯，接線方式如圖1所示。

圖1 對稱單極接線

配網中壓系統一般采用非有效接地方式，聯接變壓器網側采用三角形接線，聯接變壓器閥側采用星型接線，中性點采用經電阻接地形式為柔直系統提供可靠的零電位參考。同時，△/Y接線形式可阻斷聯接變網側至閥側系統的零序通路，有效阻斷3n（n∈R）次諧波及零序分量在交、直流系統間乃至互聯的兩側交流系統之間的傳遞。

柔性直流互聯容量一般在10 MVA級別，聯接變壓器一般采用油浸式，設備體積和重量較大，占地面積多，含油量較大，消防問題突出。一般情況下為戶外使用，戶內使用時對空間要求較大，在土地資源緊張地區使用不具優勢。

2.2 配置直流變壓器的電氣接線

設計系統時，參數設計可實現交流饋線電壓與柔性直流換流閥交流側電壓的匹配，而聯接電抗可通過設計合理的橋臂電抗器電抗值來實現。因此，可考慮取消聯接變壓器的方案，減小柔直背靠背互聯系統整體的體積、重量以及占地面積。

系統設計可以滿足取消聯接變壓器后的前兩種功能。為了實現常規聯接變壓器的第3種功能，可采用直流變壓器。直流變壓器是一種電力電子變壓器，通常由電力電子電路和高頻變壓器組成，具有類似于傳統工頻變壓器電壓等級變換和電氣隔離功能[8]。配置直流變壓器的電氣接線，如圖2所示。

圖2 配置直流變壓器的電氣接線

與傳統的聯接變壓器相比，直流變壓器具有調節電能質量的能力和多端口運行功能，方便其他設施以直流型接入，靈活性更高。兩端換流器均可以構造直流母線段，方便遠期擴展。同時，直流變壓器為全干式結構，無絕緣油。

2.3 方案比較

通過分析可知，配置聯接變壓器的電氣接線與配置直流變壓器的電氣接線2種接線方式的比較如表1所示。配置直流變壓器的方案在運行靈活性、消防安全、設備體積和重量以及占地面積方面有一定的優勢，有著較好的應用前景。它的造價目前較常規聯接變方案高，但隨著功率半導體器件、直流電容等關鍵元器件的工藝技術越來越成熟，以及關鍵器件的國產化，造價將越來越低。因此，對于在土地資源緊張的高負荷密度地區，配網柔性直流背靠背互聯系統推薦采用配置直流變壓器的方式。

表1 2種接線方式比較

3 柔直互聯系統接線方式

3.1 系統運行方式

柔性直流背靠背互聯系統有3種運行方式。第一，背靠背運行方式。柔性直流背靠背互聯系統均正常工作，系統指令控制兩側交流系統的功率交換，可以靈活分配負荷，提高供電效率和設備利用率。第二，不間斷電源供電模式。柔直互聯系統一側交流母線發生故障時，交流系統切除交流母線區域，柔直互聯接系統另一側交流線路經互聯系統提供緊急支援供電。第三，STATCOM運行方式。STATCOM方式運行時，背靠背系統兩側的柔直換流器獨立運行在STATCOM模式，為兩側交流系統提供無功支撐。

3.2 換流器及直流變壓器拓撲選擇

從系統運行方式需求來看，直流側故障時需要快速隔離故障區域，保證系統的可用率。因此，需采取措施清除直流側故障。常用的措施有采用交流斷路器清除、采用直流斷路器清除以及采用換流器自清除等[9]。

采用交流斷路器清除時，需斷開柔直互聯系統兩側的交流斷路器。此時，柔直互聯系統完全被切除，無法繼續為交流系統提供無功支撐，限制了柔直互聯系統的運行方式。

采用直流斷路器清除時，需要裝設直流斷路器。由于直流電流無自然過零點，需要增加額外的電路來制造電流過零點以實現開斷。目前，裝設的直流斷路器主要有機械式直流斷路器、固態直流斷路器和混合式直流斷路器3種。由于結構復雜，目前的設備價格仍較高。

采用換流器自清除方式是換流器采用具有故障自清除能力的拓撲，利用換流器的特性清除故障電流。換流器多采用“全橋+半橋”的混合拓撲。對于配網柔直互聯系統，由于直流電壓等級較低，換流器橋臂子模塊數量少，部分子模塊采用全橋型對整體的造價影響不大。此方式無須增加其他設備，且能有效隔離故障區域，縮小故障影響范圍，也不影響柔直互聯系統的運行方式。半橋和全橋子模塊接線如圖3所示。

圖3 半橋和全橋子模塊接線

文章推薦換流器及直流變壓器采用具有故障自清除能力的“全橋+半橋”混合拓撲結構，同時直流變壓器采用基于雙主動全橋中頻功率模塊的模塊化設計方案，有效隔離背靠背互聯系統兩側零序通路。

3.3 系統接地方式

對于傳統的柔直背靠背互聯系統，配置聯接變壓器時通常有4種接地方式。方式1為在直流極線上并聯2個阻值相等的電阻接地。此方式簡單、直接、有效，且成本較低。但是，在直流系統正常運行時，電阻是一個長期負荷，功率損耗較大，因此接地電阻阻值選擇不宜太小。方式2為從直流極線間集中支撐電容的中點引出進行接地。此方式較簡單，但對于采用電壓源型換流器的柔性直流系統，直流電容分布在換流器的各個子模塊中，一般不在直流側單獨設置集中的支撐電容。方式3為當聯接變閥側繞組采用Y接線時，由于存在中性點，可采用中性點直接經電阻接地。方式4為當聯接變閥側繞組為Δ接線時，可以采用配置星型電抗經電阻接地方式。在不配置聯接變壓器時，方式3和方式4不適用。柔直互聯系統需利用交流系統原有接地點，在交流系統故障、接地設備退出時，直流系統將無參考點位。柔性直流換流器是電壓源型換流器，含有大量的直流電容器，因此方式2不適宜用于柔性直流系統。經分析，接地方式推薦采用方式1，即在直流側采用經電阻接地的方式，如圖4所示。

圖4 直流側經電阻接地

4 結 論

研究配網柔性直流背靠背互聯系統接線方案，得出以下結論：（1）系統接線推薦采用結構簡單、可靠性相對較高且應用較多的對稱單極接線；（2）相對于傳統的配置聯接變壓器的方案，采用直流變壓器方案可減小整個系統的體積和重量，且無消防問題，在土地資源緊張的區域具有較大的應用優勢；（3）結合系統運行方式，推薦換流器及直流變壓器采用具有故障自清除能力的“全橋+半橋”的混合拓撲，而系統接地方式采用直流側經電阻接地的方式。