柔性直流输电系统的设计与优化

第40卷 第8期：2490-2496 高电压技术 Vol.40, No.8: 2490-2496 2014年8月31日 High Voltage Engineering August 31, 2014

DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.08.033 舟山多端柔性直流输电工程系统设计 李亚男，蒋维勇，余世峰，邹 欣 （国网北京经济技术研究院，北京102209） 摘 要：为了解决舟山群岛供电、海上风电送出等问题，规划设计了舟山5端柔性直流工程。舟山多端柔性直流输电重大科技示范工程是目前世界上在建的端数最多的柔性直流工程。为了满足柔性直流换流站启动、运行与控制、检修的需要，研究提出了柔性直流换流站的主接线方案。开展了柔性直流系统主回路参数研究，确定了换流站主设备和直流电缆的选型及主要技术参数、换流站运行功率范围。通过交、直流过电压研究提出了换流站过电压保护及绝缘配合方案。提出的柔性直流换流站主回路参数确定方法、绝缘配合方案、运行控制策略等形成了完整的柔性直流系统整体技术方案。提出了柔性直流系统设计的完整技术思路、设计方法及工具，为我国多端柔性直流技术发展及工程应用提供了有力支撑。 关键词：柔性直流输电；系统设计；主接线方案；主回路参数；绝缘配合；主设备参数 System Design of Zhoushan Multi-terminal VSC-HVDC Transmission Project LI Yanan, JIANG Weiyong, YU Shifeng, ZOU Xin (State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China) Abstract：We designed a five-terminal VSC-HVDC system to realize and secure the power supply and oversea wind power transmission in Zhoushan islands. This pilot project is the multi-terminal VSC-HVDC with the most terminals un-der construction in the world. To meet the requirements of the start, control, and maintenance of VSC converter station, we studied and proposed the arrangement of the station’s main circuit. Then through studying the parameters of this main circuit, we determined the types and parameters of main devices, the technical requirements of DC cable, and the opera-tion parameters of each station. We also obtained the scheme of overvoltage protection and insulation coordination by analyzing the overvoltage in both AC and DC sides of the system. The proposed method and procedure of main circuit parameter’s determination, the insulation coordination solution, and the control strategy constitutes the complete design solution of multi-terminal VSC-HVDC system. The presented integrated design method, including the tools required, provides a solid guidance in designing and promoting the multi-terminal VSC-HVDC systems. Key words：VSC-HVDC transmission; system design; main circuit scheme; main circuit parameters; insulation coordi-nation; main equipment parameters 0 引言 根据浙江舟山群岛新区发展规划，地区负荷增长潜力大，但受海岛地理条件限制，负荷相对分散。除舟山本岛有火电电源外，其余岛屿仅能通过舟山本岛或与上海联网供电。舟山本岛通过2回220 kV线路、3回110 kV线路与浙江主网联系，但岛间相互联系较弱，供电可靠性面临较大风险。建设浙江舟山北部主要岛屿与舟山本岛间的多端柔性直流输电工程，有利于保障舟山群岛新区发展的供电可靠性，提高电网供电能力及抗灾能力[1]。2014年6月，舟山多端柔性直流工程已完成调试，正式投入试 运行。 柔性直流输电(VSC-HVDC)系统基于电压源换相换流器(VSC)，具有可控性高的优点，目前主要用于海上风电并网、城市区域供电、交流系统互联、孤岛供电等[2-7]。舟山柔性直流换流器件采用基于模块化的多电平换流器(MMC)，与以往的2电平和3电平柔性直流系统相比，由于开关频率降低，所以系统损耗小，单位造价低，能够达到较高的直流电压等级，进一步提高直流容量[8-9]。为满足柔性直流换流站启动、运行与控制、检修的需要，本文提出李亚男，蒋维勇，余世峰，等：舟山多端柔性直流输电工程系统设计 2491

“十二五”柔性直流输电应用预计大量增加

随着中国柔性直流输电技术研究及设备制造瓶颈全部被突破，“十二五”期间，柔性直流输电的应用预计将大大增加。

11月29日，中国电力科学研究院研制的我国首套柔性直流关键设备，通过上海市电力公司组织的出厂试验验收，即将运往上海南汇风电场柔性直流输电示范工程现场。在新能源发展日益加快的背景下，柔性直流输电前景广阔。

中国电科院的贺之渊博士拿着一张图表，准备向笔者介绍柔性直流输电。

奇怪的是，这张图表似乎与柔性直流输电无关。图表上画着中国地图，地图上的江苏、甘肃等地标为蓝色，写着“风电场”;浙江、福建等地标为紫色，写着“海岛供电”;上海、大连等地标为橙色，写着“城市供电”。

这些都是柔性直流输电能够做的事情，贺之渊说。随着中国柔性直流输电技术研究及设备制造瓶颈全部被突破，“十二五”期间，柔性直流输电的应用预计将大大增加。

发展新能源 需要柔性直流输电

对于国内所有研究柔性直流输电技术的人来说，12月是令人兴奋的一个月。一个原因是，上海南汇风电场柔性直流输电示范工程建设接近尾声，意味着拥有自主知识产权的技术和设备即将成功应用;另一个原因，也是更为重要的原因是，“十二五”新能源的大发展，将带“火”柔性直流输电。

此前不久，国家明确了七大战略性新兴产业，其中包括新能源。这标志着在“十二五”期间，风电、太阳能光伏发电等新能源产业的发展，将获得更多财税金融等政策性支持，迎来加速发展的契机。

以风电为例。10月13日发布的《中国风电发展报告2010》显示，2009年全国新增风电装机容量1380万千瓦，全球排名第一，累计装机容量世界第二;2010年，全球每3台新安装的风电机组，就有一台在中国;未来几年，我国风电仍有可能以每年1000万千瓦以上的新增装机速度发展，并于2015年达到9000万~1亿千瓦。

但是，新能源发电往往表现出不稳定性、分散性、小型化、远离负荷中心等特点，使得采用一般输电技术联网极不经济。据中国电科院副总工程师、直流输电专家汤广福介绍，制约新能源发展的瓶颈主要是并网问题，风能、太阳能发电明显的间歇性和不确定性，容易引发谐波污染、电压闪变等，导致电能质量低，无法保证电网安全。

技术与应用　

一种适用于远距离输电的柔性直流输电系统　

林呈辉　刘宝诚２　张海涛２郝宝泉２　

（１．贵州电力试验研究院，贵阳　５５００００；　

２．荣信电力电子股份有限公司，北京　１０００８４）　

摘要基于柔性直流输电在工程项目的运用及设计实例，分析了现有的柔性直流输电系统的　

拓扑结构，阐述了其工作原理、控制策略设计。　设计柔性直流输电系统采用正负直流母线双极供　

电模式，系统可在“双极模式”与“单极模式”之间安全切换，且发生“单极故障”可带电维修，　

大大提高系统了系统运行的可靠性。通过对控制系统、功率组件设计等论证柔性直流输电技术在　

海上平台的应用，为孤岛多端直流输电系统的应用奠定了坚实基础。　

关键词：柔性直流输电；双极供电模式；海上平台；孤岛电网　

Ｔｈｅ　Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ＨＶＤＣ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｆａｒ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　

Ｌｉｎ　Ｃｈｅｎｇｈｕｉｉ　Ｌｉｕ　Ｂａｏｃｈｅｎｇ２　Ｚｈａｎｇ　Ｈａｉｔａｏ２　Ｈａｏ　Ｂａｏｑｕａｎ２　

（１．Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５００００；　

２．Ｒｏｎｇｘｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００８４）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ｏｆ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ＨＶＤＣ　ｉｎ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔ，　

ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓ￣ｍｅｇｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＨＶＤＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　

Ｐｌｕｓ－ｍｉｎｕｓ　ＤＣ　ｂｕｓ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ＨＶＤＣ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．　

浅谈柔性直流输电系统频率控制

摘要：建立了基于同步旋转坐标系下向无源网络供电的VSC-HVDC暂态数学模型，研究了两种不同频率控制对柔性直流输电系统（VSC-HVDC）中扰动下电压穿越能力的影响。基于PSCAD/EMTDC软件对电网故障下两种频率控制方式的电压工况进行了仿真验证，研究表明，使用可变频率控制后，在三相电网故障中系统不会发生电压崩溃或电压过量下垂。

一、VSC-MTDC互联系统?

VSC-MTDC系统是包含3个及以上的电压源型换流站的直流系统。与双端直流输电系统只有一条直流传输线不同，VSC-MTDC系统需要多条直流传输线。根据运行条件和设计要求的不同，VSC-MTDC输电系统主要有串联型、并联型和混合型3种接线方式。其中并联型VSC-MTDC系统具有扩展性强、运行灵活性高、线路损耗小等特点，在多数工程中被广泛接受。直流输电线电阻较小且没有电抗的特点使得并联型直流网络中各节点的电压近似相等。本文研究对象是如图1所示并联放射形3端VSC-MTDC互联系统。

图中S1～S3为有源交流系统，装机容量分别为384、288和288MW；VSC1与VSC2为整流站，VSC3为逆变站，额定容量分别为60、60和120MW；额定正负极直流电压Udcref为200kV；取Udcref的±7.5%作为直流电压波动的限定值。换流站有功功率以注入交流侧为正方向。图2给出了交流系统偏离正常频率的限制时间图。该图表明，在49.8～50.2Hz的频带内可持续运行；而在49.8Hz以下和50.2Hz以上的虚线面积是限时运行区；其他区域是禁止运行区。

对于图1所示互联系统，假设一侧交流系统出现负荷变化，由于换流站之间没有通讯，定功率站的功率指令不能及时改变，即其他交流系统无法通过VSC-MTDC进行功率支援。负荷变化量全部由事故端系统承担，只能依靠自身的调频作用和负荷的功频特性达到发电机组输出与系统有功需求的平衡。倘若事故端系统没有良好的一次频率响应特性，会导致事故后系统的准稳态频率过低(过高)，甚至进入禁止运行区，从而使低周减载(高周切机)装置动作，不利于系统的可靠运行。可见，VSC-MTDC系统采用定有功功率控制时，在隔绝各交流系统之间的相互影响方面有一定的优越性；与此同时，直流系统因对交流侧系统频率不敏感性，无法在交流系统发生事故时提供同步功率，牺牲了各交流系统相互支援的能力。倘若能让VSC-MTDC各交流侧系统都参与事故端系统的频率调整，则整个系统的频率稳定性将进一步得到改善。