±320kV厦门双极柔性直流输电工程系统设计
厦门双极柔性直流输电工程系统设计
研究背景基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流系统由于谐波畸变小且开关损耗低，是高电压大容量直流输电的重要发展方向。
目前，世界X围内基于MMC的柔性直流工程发展迅猛;国内已有5项MMC工程投运，同时还有多项高压乃至特高压MMC工程处于规划之中，并可能成为我国未来大区域电网互联的重要手段。
与交流输变电工程不同，柔性直流工程需要根据送受端交流系统条件、输电距离、投资和占地等条件开展定制化的系统设计。
（来源：电力系统自动化ID：AEPS-1977）±320kV/1000MWXX柔性直流输电工程(以下简称XX工程)是世界X围内第一个采用双极接线的柔性直流工程，也是额定直流电压和输送容量均达到世界之最的柔性直流工程，两端换流站鸟瞰示意图如图1所示。
与以往对称单极柔性直流工程相比，首次采用的双极接线和大传输容量对工程的系统设计提出了新的要求。
本文对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，研究结论在XX工程得到成功应用，验证了设计方案和技术参数的正确性。
(a) 彭厝换流站(b) 湖边换流站图1 XX工程换流站鸟瞰示意图1 主接线及运行方式当高压大容量柔性直流工程采用对称单极接线，存在如下问题：1)与同容量双极柔性系统相比，可靠性较低。
2)换流单元采用三台单相双绕组变压器，导致变压器容量大，运输困难。
3)换流站设备的绝缘水平要求较高。
考虑到上述因素，XX工程采用双极带金属回线的主接线，主接线设计如图2所示。
图2 双极柔性直流换流站接线示意图根据主接线设计特点和转换开关配置方案，XX工程存在以下3种运行方式：方式1：双极带金属回线单端接地运行(见图3(a))。
其中，接地点仅起钳制电位的作用，不提供直流电流通路。
双极不平衡电流通过金属回线返回。
方式2：单极带金属回线单端接地运行(见图3(b))。
接地点的作用同方式1，且单极极线电流通过金属回线返回。
厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能简介
厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能简介摘要：柔性直流输电在国家能源结构调整、区域能源互联发展中具有重要的作用，是一种具有广泛应用前景的先进输电技术。
换流阀是柔性直流换流站中的核心设备。
目前常用的拓扑结构为模块化多电平换流器（MMC）的拓扑构造。
其中构成换流阀的基本原件即子模块。
本文针对厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能做一个简要介绍。
引言厦门柔直是世界首个采用对称双极接线方案的柔性直流工程，电压等级为±320kV，直流电流1600A，输送容量达1000MW。
换流阀是其核心设备，常用的电压源换流器主要有两电平、三电平和模块化多电平三种。
厦门柔直采用的是模块化多电平换流器，其制造难度和损耗较低，波形质量高。
什么是模块化多电平换流器呢？就是将IGBT换流阀子模块一个一个串联起来，每一个子模块可以等效为一个电容，其额定运行电压为1.6kV，厦门柔直每个桥臂有200个子模块处于工作状态，通过控制投入和退出子模块的数量来实现阶梯正弦波。
下面简单介绍构成厦门柔直工程换流阀的基本元件子模块的结构。
1、换流阀换流阀是柔性直流输电工程中的核心设备，输电过程中的整流和逆变过程均通过换流阀完成。
厦门工程换流阀采用模块化、积木式设计。
每极换流阀A、B、C三相分上下桥臂共6桥臂18个阀塔构成，每个阀塔由12个阀模块构成，每个阀模块包含6个子模块。
2、子模块组成及结构IGBT子模块是换流阀的最小电气单元，采用半桥结构，见下图2-1。
由以下8个部分组成：旁路开关K、晶闸管T、直流电容器C、均压电阻R、直流取能电源、子模块控制器（CLC+GDU）、散热器和IGBT模块（IGBT-二极管反并联对：S1、S2）。
图2-1子模块电器结构示意图3、旁路开关3.1旁路开关结构：旁路开关主要由本体、操动机构、控制板三个部分组成。
3.2主要作用：由图2-1可以看到旁路开关与下管IGBT（S2）并联运行，其主要作用为隔离故障子模块，使其从主电路中完全隔离出来，而使故障子模块不影响整个系统的正常运行。
浅析柔性直流输电技术特点、应用及挑战
浅析柔性直流输电技术特点、应用及挑战摘要：柔性直流输电在国家能源结构调整、区域能源互联发展中具有重要的作用，是一种具有广泛应用前景的先进输电技术。
本文分析了柔性直流输电技术的特点及发展现状，总结了柔性直流输电技术的使用范围，简要介绍了厦门柔性直流工程的技术特点，并对柔性直流发电技能发展前景及挑战进行了展望分析。
关键词：柔性直流；技术特点；应用前景引言McGill大学的Boon-TeckOoi等专家在1990年初次提出依据电压源换流器（VSC）的直流输电概念，标志着第三代直流输电技能的诞生。
其技能创新点在于选用大功率绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的换流器，经过使用脉宽调制技能（PWM），可完成有功功率和无功功率的独立控制，有利于提高系统稳定性、增加动态无功容量、改进电能质量，在新能源并网、孤岛供电、异步电网互联、城市电网供电等方面具有广阔的使用前景。
国际权威电力学术组织将其学术名称定义为“VSC-HVDC”，即“基于电压源换流器的高压直流输电”。
我国为了简化、形象地描述此技术，将该技术简称为“柔性直流输电（HVDC Flexible）”，以区别于采用晶闸管的常规直流输电技术。
1柔性直流技术的发展历程前期由ABB公司建造投产的换流器拓扑主要为两电平VSC以及二极管钳位型三电平VSC。
两电平及三电平换流器电路构造简单、所需电子器材电容器数量少，但因为输出电平数少，须选用高频PWM调制，对开关器材的一致性和均压性要求较高，而且损耗较大，变成制约VSC-HVDC发展的首要问题。
2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学R.Marquart和A.Lesnicar提出了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑构造。
MMC经过子模块（SM）级联而成，选用阶梯波的方法逼近正弦波，使得IGBT的开关频率从lkHz以上下降至100~300Hz左右，具有损耗低、输出波形质量高、制作难度下降、故障处理能力强的特点，极大地提升了柔性直流输电工程的运转效益。
柔性直流输电【范本模板】
柔性直流输电一、概述（一）柔性直流输电的定义高压直流（HVDC）输电技术始于1920年代，到目前为止，经历了3次技术上的革新，其主要推动力是组成换流器的基本元件发生了革命性的重大突破。
第一代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是6脉动Graetz桥，其主要应用年代是1970年代以前。
图1。
1：汞弧阀图1.2：6脉动Graetz桥第二代直流输电技术采用的换流元件是晶闸管,所用的换流器拓扑仍然是6脉动Graetz桥，因而其换流理论与第一代直流输电技术相同，其应用年代是1970年代初直到今后一段时间。
图1.3：电触发晶闸管图1。
4：光触发晶闸管通常我们将基于Graetz桥式换流器的第一代和第二代直流输电技术称为传统直流输电技术,其运行原理是电网换相换流理论。
因此我们也将传统直流输电所采用的Graetz桥式换流器称为“电网换相换流器”，英文是“Line Commutated Converter”，缩写是“LCC”。
这里必须明确一个概念，有人将电流源换流器（CSC)与电网换相换流器（LCC）混淆起来,这是不对的.LCC属于CSC，但CSC的范围要比LCC宽广得多,基于IGBT构成的CSC目前也是业界研究的一个热点。
1990年，基于电压源换流器的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon—Teck Ooi等提出。
在此基础上，ABB公司于1997年3月在瑞典中部的Hellsjon和Grangesberg之间进行了首次工业性试验(3 MW，±10kV)，标志着第三代直流输电技术的诞生.这种以可关断器件和脉冲宽度调制(PWM)技术为基础的第三代直流输电技术，国际权威学术组织国际大电网会议（CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（IEEE)，将其正式命名为“VSC—HVDC"，即“电压源换流器型直流输电”.2006年5月，由中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”，会上，与会专家一致建议国内将基于电压源换流器技术的直流输电（第三代直流输电技术）统一命名为“柔性直流输电”.(二）柔性直流与传统直流的优缺点对比不管是两电平、三电平或MMC换流器，由于都属于电压源换流器,其基波频率下的外特性是完全一致的。
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展摘要：柔性直流输电作为新一代直流输电技术，在世界范围内已经得到广泛发展和应用。
文中针对柔性直流输电在工程技术、工程应用与未来发展３个方面分别进行了总结和分析。
针对柔性直流输电系统主接线、换流器拓扑结构、控制和保护技术、柔性直流电缆、换流阀试验等多方面进行了全面的技术分析，并指出其技术难点以及未来发展的目标和方向。
介绍了国内外柔性直流输电工程应用领域及现状，并结合未来电网发展特点及需求，分析了柔性直流输电工程应用的趋势，表明了柔性直流输电技术对促进未来电网的发展具有极其重要的作用。
关键词：柔性直流输电；两电平换流器；模块化多电平换流器；直流电网前言：早期的柔性直流输电都是采用两电平或三电平换流器技术，但是一直存在谐波含量高、开关损耗大等缺陷。
随着工程对于电压等级和容量需求的不断提升，这些缺陷体现得越来越明显，成为两电平或三电平技术本身难以逾越的瓶颈。
因此，未来两电平或三电平技术将会主要用于较小功率传输或一些特殊应用场合该技术的出现，提升了柔性直流输电工程的运行效益，极大地促进了柔性直流输电技术的发展及其工程推广应用。
本文从工程技术、工程应用与未来发展３个层面出发，首先分析了柔性直流输电工程现阶段技术发展所面临的挑战，未来相关技术的发展方向及预期的技术目标；然后总结了世界柔性直流输电工程的发展和应用情况，介绍了国外和国内典型柔性直流输电工程，指出其技术和应用上的特点；最后分析了未来国内外在柔性直流输电工程应用领域可能的发展趋势和前景。
一，柔性直流输电工程技术（一）柔性直流输电系统主接线采用两电平、三电平换流器的柔性直流输电系统一般采用在直流侧中性点接地的方式，而模块化多电平柔性直流输电系统则一般采用交流侧接地的方式。
无论是采用直流侧中性点接地的两电平、三电平换流器还是采用交流侧接地的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统均为单极对称系统。
正常运行时接地点不会有工作电流流过，不需要设置专门的接地极，而当直流线路或换流器发生故障后，整个系统将不能继续运行。
海岛迎来大工程
海岛迎来大工程12月17日，世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程，厦门±320千伏柔性直流输电科技示范工程正式投运标志着我国全面掌握了高压大容量柔性直流输电关键技术和工程成套能力，实现了柔性直流输电技术领域的国际引领。
额定电压±320千伏输送容量1000兆瓦两站一线±320千伏岛外浦园换流站（送端）±320千伏鹭岛换流站（受端）±320千伏彭厝—湖边柔性直流线路线路总长10.7千米，全部为陆缆采用1800平方毫米大截面绝缘直流电缆敷设通过厦门翔安海底遂道与两座换流站连接Q为什么要在厦门建设柔性直流工程呢？？A厦门是国际性海岛城市，岛内缺乏电厂厂址资源、没有大型电源，厦门岛所有电力负荷均须由岛外电网送入。
使用柔性直流，采用直流电缆，可利用现有的隧道进岛；柔性直流占地面积小，非常适合寸土寸金的厦门。
这样一个大工程，背后的功臣可不少！国网福建电力针对柔直工程设备技术新、安装调试要求高、工期安排紧凑等特点，克服高温天气、施工极为复杂等困难，国网福建电力科学施工，确保了工程按期完工、一次投运成功、安全运行。
施工现场。
施工人员加紧安装设备国网福建电科院调试人员在进行阀冷系统调试。
施工人员加紧安装防火墙确保换流变带电联调（陈今摄）南瑞集团&智研院柔直换流阀是厦门柔直工程的核心部件，由南瑞集团旗下普瑞工程公司和国网智研院直流所共同合作研制。
特高压换流阀是特高压直流输电的核心装备，生产厂房近5000平米，空气洁净度非常高。
生产柔性直流换流阀的零件是个精细活。
换流阀阀塔，像不像变形金刚？柔直阀塔。
含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制方法
含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制方法宋少群【摘要】提出了一种含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制方法,根据厦门柔性直流输电工程现场运行特点,分析了福建电网不同运行方式下柔性直流输电通道与相关交流输电通道之间的潮流耦合关系,建立了交直流通道的传输功率约束,在保障电网安全的前提下,尽可能地降低电网的有功损耗.该方法在福建省调EMS系统中得到应用,能够实现对含柔性直流输电系统的电网潮流优化控制,提高电网运行安全性、经济性.【期刊名称】《能源工程》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】5页(P25-29)【关键词】柔性直流输电系统;EMS系统;潮流优化控制【作者】宋少群【作者单位】福建电力调度控制中心,福建福州350003【正文语种】中文【中图分类】TM7610 引言柔性直流输电系统(以下简称柔直系统)可独立控制有功和无功功率，具有可控性好、运行方式灵活的特点[1-3]，使其在城市电网互联[4-5]、新能源并网[6-7]、无功补偿[8]以及无源负荷供电[9]等领域有着极其广泛的应用前景，也为电网调度运行提供了灵活、高效的控制手段[10-11]。
文献[4]通过对比多端直流输电系统与传统交流输电系统，并通过仿真指出前者在城市供电中能更好地解决电能质量和接地故障的问题，而文献[5]也进一步说明多端柔直系统能够给予城市电网互联中的敏感负荷以更大的稳定保证。
面对新能源并网问题，文献[6]和文献[7]分别以两个实际工程案例，展示了柔直系统在海上风电输送与利用方面的作用。
2015年建成投运的福建厦门柔直系统采用模块化多电平电压源换流器，直流额定电压±320 kV，输送容量1000 MVA，是世界上首个采用真双极接线的柔性直流工程，电压等级和输送容量均达到国际前列。
厦门柔直系统与现有厦门地区220 kV交流电网形成环网运行。
在电网实际运行控制中为充分发挥柔直工程优点，需要解决的问题有：(1)由于环网中不同输电通道潮流具有非同向性特点，调节柔直系统有功功率在减轻某些通道负载的同时，势必会加重其他通道负载，需要从均衡全网负载的角度对柔直系统有功功率进行优化控制；(2)柔直系统无功控制能力有利于电网电压控制和降低网损，但柔直系统无功调节能力受有功功率、换流变档位、调制比等因素制约。
简要分析柔性直流输电技术的发展和应用
简要分析柔性直流输电技术的发展和应用摘要：本文首先就柔性直流输电技术特点与发展情况进行了分析，而后探讨了该技术在国内外应用的现状，进而就其未来应用前景进行了展望。
关键词：柔性直流输电技术；发展；应用1 LCC-HVDC直流输电技术的特点从高压直流输电的发展来看，1954年世界上第一个直流输电工程投入商业运行，标志着第一代直流输电技术的产生，其采用的是汞弧阀换流技术。
20世纪70年代，基于晶闸管的换流阀在直流输电领域得到应用，标志着第二代直流输电技术产生。
传统电网换相高压直流输电（Line Commutated Converterbased High Voltage Direct Current，LCC-HVDC）技术自问世以来已经过了60多年的发展，与传统的交流输电网络相比，LCC-HVDC具有下列优势：（1）不存在稳定性问题，可在大功率系统中应用；（2）电力电子器件响应快速，可以对有功功率实现灵活控制；（3）输电线路损耗小，在远距离、大容量功率传输应用中有很高的经济性；（4）可实现不同频率或非同步的区域性特大电网互联。
尽管LCC-HVDC技术在高电压、大容量、远距离直流输电领域正发挥着巨大作用，但其自身也存在着诸如无功功率控制能力较弱并且自身需要大量无功补偿、不便于构造多端直流电网以及换流器依靠交流电网换相易发生换相失败等本质缺陷，这也使得LCC-HVDC 逐渐无法满足当今复杂的输配电网络对直流输电系统坚强、灵活、完全可控的需求。
2 VSC-HVDC直流输电技术的特点电力电子技术的不断发展和进步，新型全控性开关器件的相继问世，为新型输电方式的创建和电网结构的优化与提升开辟了崭新的途径。
加拿大学者Boon-Teck等人于1990年首次提出了基于电压源型换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电技术，使得LCC-HVDC输电技术存在的固有缺陷迎刃而解。
几年后在ABB公司主导的Hallsjon项目中被顺利运用，促进了该项技术在理论研究和工程领域的全面发展。
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研究背景
基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流系统由于谐波畸变小且开关损耗低，是高电压大容量直流输电的重要发展方向。
目前，世界范围内基于MMC的柔性直流工程发展迅猛;国内已有5项MMC工程投运，同时还有多项高压乃至特高压MMC工程处于规划之中，并可能成为我国未来大区域电网互联的重要手段。
与交流输变电工程不同，柔性直流工程需要根据送受端交流系统条件、输电距离、投资和占地等条件开展定制化的系统设计。
（来源：电力系统自动化ID：AEPS-1977）
±320kV/1000MW厦门柔性直流输电工程(以下简称厦门工程)是世界范围内第一个采用双极接线的柔性直流工程，也是额定直流电压和输送容量均达到世界之最的柔性直流工程，两端换流站鸟瞰示意图如图1所示。
与以往对称单极柔性直流工程相比，首次采用的双极接线和大传输容量对工程的系统设计提出了新的要求。
本文对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，研究结论在厦门工程得到成功应用，验证了设计方案和技术参数的正确性。
(a) 彭厝换流站
(b) 湖边换流站
图1 厦门工程换流站鸟瞰示意图
1 主接线及运行方式
当高压大容量柔性直流工程采用对称单极接线，存在如下问题：
1)与同容量双极柔性系统相比，可靠性较低。
2)换流单元采用三台单相双绕组变压器，导致变压器容量大，运输困难。
3)换流站设备的绝缘水平要求较高。
考虑到上述因素，厦门工程采用双极带金属回线的主接线，主接线设计如图2所示。
图2 双极柔性直流换流站接线示意图
根据主接线设计特点和转换开关配置方案，厦门工程存在以下3种运行方式：
方式1：双极带金属回线单端接地运行(见图3(a))。
其中，接地点仅起钳制电位的作用，不提供直流电流通路。
双极不平衡电流通过金属回线返回。
方式2：单极带金属回线单端接地运行(见图3(b))。
接地点的作用同方式1，且单极极线电流通过金属回线返回。
方式3：双极不带金属回线双端接地运行(见图3(c))。
双极不平衡电流通过大地回路返回。
该方式为运行方式转换过程中出现的临时方式，且必须保证直流系统处于双极对称状态。
图3 厦门工程三种典型运行方式
2 主回路参数计算
2.1 主设备参数计算
与小容量柔性直流工程相比，高压大容量柔性直流工程中可供选择的可关断器件有限。
这样，可关断器件的过压、过流裕度极小。
此时，需要精确核算可关断器件的电压选型、电流选型以及子模块电容器的容值等。
由于与传统高压直流的原理不同，换流变压器和桥臂电抗器的主要参数设计考虑的因素不同，需要对此进行重新梳理和分析。
本文给出了可关断器件电压选型、电流选型以及子模块电容器的容值、换流变变压器和桥臂电抗器等主设备关键参数的计算方法和设计原则，如图4所示。
其中换流阀的实物图如5所示。
图4 主设备参数计算原则和流程
图5 换流阀实物图
2.2 PQ运行区间计算
PQ运行区间表征了换流器有功功率和无功功率输出能力，是系统设计的关键内容之一。
PQ运行区间的计算需要考虑换流变压器容量的约束、调制比的稳态范围约束、直流电缆的通流限制、桥臂热稳定电流约束、交流母线电压的稳态运行范围以及直流端口电压的稳态运行范围。
图6为厦门工程中换流变压器配置分接头(On-Load Tap Changer，OLTC)前后换流站的PQ运行区间，本文通过优化分接头范围拓展了PQ运行区间。
(a)未配置OLTC
(b)配置OLTC
图6 配置OLTC前后换流站PQ运行区间
3 暂态电流和过电压计算
由于采用双极接线的柔性直流工程直流侧有零电位参考点，与对称单极接线相比各故障下的暂态电流和过电压的表现特征不同。
如表1所示，根据位置和类型不同本文将换流站内考虑的典型故障分为9大类23种故障，分析不同故障机理和特征，对比分析了采用对称单极接线和双极接线柔性直流工程的暂态电流特性和暂态过电压特性，分别如表2和表3所示。
从分析结果看，①双极接线的工程比单极接线的工程暂态电流严苛;②双极接线的工程比单极接线的工程暂态过电压较低，有利于降低绝缘水平。
表1 双极接线柔性直流工程换流站内的典型故障
表2 两种接线方式下各故障下的暂态电流比较
表3 两种接线方式下各故障下的暂态过电压比较
双极接线下直流侧单极接地故障类似于单极接线下的双极短路故障，故障发生后，工程中仅阀控过流保护来得及动作，是决定设备暂态电流应力的关键故障，本文对此故障机理和过程进行了重点分析，提出暂态电流精确解析计算方法。
从实际桥臂电流达到保护启动值，中间经过电流测量装置的阶跃延时和测量延时、阀控过流保护的判断时间、阀控到子模块的链路延时，直到子模块成功关断的总延时(以下简称换流阀闭锁总延时)约为百微秒级。
在这段时间内，子模块电容迅速放电，IGBT在极短时间内闭锁。
故障发生后，桥臂暂态电流主要由三部分组成：①子模块电容的放电电流。
由于短路故障发生时直流极母线为低电压，若IGBT管触发则子模块电容迅速放电;②由于故障发生到换流器闭锁的时间较短，子模块电容电压跌落很小且控制系统来不及响应，从而使得换流变压器阀侧电流和桥臂电流的基波分量依然按照正弦规律变化;③桥臂电流的初值。
由于桥臂电抗器的作用，故障发生时刻桥臂电流不能突变。
最苛刻故障的筛选需要考虑2个因素：①故障发生前换流器满功率整流运行且无功功率最大，使得稳态时IGBT管具有的最大电流初值;②由于子模块电容电压基本不变，故障发生最苛刻的时刻为阀控过流保护启动后，交流电流的分量剧烈变化的时刻。
在实际工程中，需要计算故障发生后，在阀控过流保护的电流启动定值和总延时时间下，桥臂实际暂态电流不能超过IGBT可关断的最大电流。
以送端站出口发生接地故障为例，阀控过流保护的动作定值取Iset=2.1kA，换流阀闭锁时的桥臂电流随换流阀闭锁总延时的变化如图7所示。
可见，解析计算结果和电磁暂态仿真结果几乎完全吻合。
图7 单极接地故障不同保护动作延时下换流阀闭锁电流
4 结论
本文以厦门工程为背景对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究，在如下方面取得了进展：
1)通过主接线优化设计使得采用双极接线的柔性直流工程具备3种运行方式，提高了系统的可靠性。
2)高压大容量柔性直流工程中设备裕度通常较小，通过对主回路参数开展精确计算从而实现小容量可关断器件支撑工程大功率传输。
3)柔性直流工程采用双极接线时，暂态电流更苛刻。
通过提出暂态电流精确解析计算方法以及优化布置等方法，确保工程可关断器件的安全性。
4)柔性直流工程通过采用双极接线有效地降低了工程的绝缘水平。
本文所做工作对张北柔性直流电网工程及后续高压大容量柔性直流工程的系统设计具有较好的指导意义。