刘会勇

（国网舟山供电公司，浙江 舟山 316000）

多端柔性直流输电系统主接线方案的应用分析

刘会勇

（国网舟山供电公司，浙江 舟山 316000）

本文主要介绍了柔性直流输电的特点以及目前世界上柔性直流输电工程的应用现状，并结合世界上首个五端柔性直流输电工程—舟山多端柔性直流输电示范工程的实际特点，从工程应用可行性、经济性的角度对基于 MMC换流器技术原理的多端柔性直流输电系统的主接线结构进行了分析，给出了基于 MMC换流器技术原理的多端柔性直流输电系统主接线方案并指出了该型方案在应用中可能面临的问题及相应的解决措施，可为今后多端柔性直流输电工程的应用设计提供参考。

多端柔性直流输电；舟山；应用；MMC；系统主接线

近年来，由于能源紧缺和环境污染问题日益严峻，风能、太阳能等可再生能源的分布式利用规模不断扩大以及海上风电场直流并网技术的日趋成熟，柔性直流输电技术受到了越来越多的关注[1-5]。柔性直流输电是应用基于可关断电力电子器件IGBT（绝缘栅双极晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor）组成的电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的新一代直流输电技术。电压源换流器可以独立的改变其输出电压的相位和幅值从而快速地调节其输出的有功和无功功率的技术特点，使得柔性直流输电克服了传统HVDC的固有缺陷，主要适用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域，为直流输电技术的发展开辟了一个崭新的方向。

1 目前国内外柔性直流输电工程应用现状

柔性直流输电工程可分为两端柔性直流输电和多端柔性直流输电两类。世界上第一条柔性直流输电工程于1999年投运，目前世界范围内已投运的柔性直流输电工程均为点对点两端柔性直流输电系统，尚无多端柔性直流输电工程投入商业运行。多端柔性直流输电系统是由3个或3个以上基于电压源换流器的换流站及连接换流站的高压直流输电线路组成，能够实现多电源供电、多落点受电的直流输电系统，与两端柔性直流输电相比其运行方式更加灵活、便捷，是今后直流输电的发展方向[6-9]。

目前世界上在建的多端柔性直流输电工程有美国的 Tres Amigas Superstation工程、瑞典-挪威的South West Link工程、中国国家电网公司的舟山多端柔性直流输电示范工和南方电网公司的南澳风电场多端直流输电示范工程，工程汇总情况如表1所示。

表1 世界上在建的多端柔性直流输电工程汇总

2 舟山多端柔性直流输电示范工程换流站拓扑结构

作为目前世界上应用端数最多的柔性直流输电工程，舟山多端柔性直流输电工程五端换流站通过海底直流电缆将舟山本岛（定海）、岱山岛、衢山岛、洋山岛和泗礁岛五个电力系统相连，工程接线如图1所示。该工程作为系统联网通道投运后主要的运行方式是定海站作为送电端，其他四站作为受电端，当定海站退出运行时，考虑到舟山本岛与岱山岛间通过交流220kV连接，岱山站将作为送电端，其他三站作为受电端。

图1 舟山多端柔性直流输电工程接线示意图

舟山多端柔性直流输电工程各换流站采用基于模块化多电平换流器（MMC）的柔性直流输电技术，其拓扑结构如图2所示。

图2 基于MMC的舟山多端柔性直流换流站系统拓扑

基于MMC 的柔性直流输电技术属于相对较新的拓扑结构，迄今为止国内外基于该技术原理的柔性直流系统应用并不多，仅有两个且均为两端柔性直流输电系统，因此，有必要对基于 MMC技术原理的多端柔性直流输电系统的主接线结构关键部分进行工程应用方面的分析研究。

3 基于MMC换流器技术的多端柔性直流输电系统主接线方案分析

柔性直流输电系统的接线方式主要包括联接变压器、换流器以及避雷器的接线方式。

3.1 换流站主电路结构应用选择分析

柔性直流换流站常见的主电路拓扑结构有模块化多电平半桥形式（HB-MMC）、模块化多电平全桥形式（FB-MMC）、级联两电平形式（CTL-VSC）三种，其技术性能比较如表2所示。

表2 柔性直流换流站常见拓扑结构性能对比

从表2的比较可以看出，全桥式结构技术性能最优，能够有效抑制双极短路故障下的故障电流；半桥式结构在谐波抑制方面优于级联两电平。

从工程应用可实施性及可控性方面考虑，其他两种拓扑结构与 HB-MMC拓扑结构的情况对比如表3所示。

表3 换流站拓扑结构基于工程可实施性及可控性对比情况

通过以上对比可以看出，全桥结构虽能够有效抑制双极短路故障下的故障电流，并且快速恢复系统运行，能够有效保持系统运行的暂态稳定性，但需要一定的研发内容投资相对较大，工程建设可控性相对较低。半桥式结构造价相对低，模块化结构扩展灵活，容易实现冗余控制，运行可靠，维护方便，并且已有工程投运，技术研发难度和工程建设时间可控，综合考虑技术性能、工程工期和造价问题，舟山工程采用基于半桥式模块化多电平结构的换流器。

3.2 直流输电系统结构方式选择

多端直流输电系统的结构方式可分为并联、串联以及混合接线三种方式。

串联式接线方式在常规直流输电系统中应用较多，换流站之间以同等级直流电流运行，通过改变直流电压极性可实现潮流翻转，然而系统不同部分对地电压会随运行工况的变化而大幅变化，故其系统绝缘配合复杂；当其中直流线路发生永久性故障时整个系统要停运；另外，由于要改变整个系统的直流电压水平或改变各站的运行电流，串联式系统扩建问题比较复杂。

混合式输电系统换流站之间既有串联又有并联接线，运行方式灵活，但控制策略比较复杂，同时存在绝缘配合、故障穿越能力低、扩建性差等问题。

并联式接线系统，各换流站相对独立以同等直流电压运行，通过改变各换流站的电流来实现功率分配，相比其他两种接线方式具有更小的线路损耗，更大的调节范围，更易实现绝缘配合，更强的运行可靠性，更灵活的扩建方式以及突出的经济性。

对于多端柔性直流输电系统，换流站采用电压源换流器，其运行需要稳定的直流电压，要求换流站中必须有一个充当电压调节器以控制直流电网电压，其余换流站通过调节电流大小及方向实现功率分配。基于此特点，考虑联网供电通道的需要以及满足风电接入灵活简便的潮流控制能力的需要，舟山多端柔性直流输电系统采用并联树枝式，此方式可保证系统中单个换流站故障的情况下，其他换流站仍能保持稳定运行。

3.3 联接变压器及换流站系统接地方式分析

联接变压器作为柔性直流输电的关键设备之一，承担着将交流系统电压变换到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关调制度不至于过小，减小输出电压和电流的谐波量；提供部分换相电抗；隔离交流系统不对称故障产生的零序分量；为控制系统提供参考地电位的重要作用。

基于MMC技术的柔性直流输电工程控制的是直流极线间的电压，为了使正常运行时双极对称，需要保证两极线中点的电位为零，因此需要在换流站合适的地方设置接地点。换流站接地方式主要有通过直流电阻接地、通过联结变Y绕组经接地电阻接地、通过电抗器形成中性点经电阻接地三种方式。

通过直流电阻接地是在直流两条极线与大地之间分别并联两个等阻值的电阻接地，该接地方式的优点是简单有效且成本较低。缺点是直流线路侧正常运行时电阻是一个长期负载，功率损耗较大；运行时电阻器偏差会导致直流极线电压偏差。

通过联结变Y绕组经接地电阻接地是直接利用变压器Y绕组中性点接地，接地设备少；其缺点是完全依靠变压器Y绕组承受故障下直流电压和故障电流，对变压器要求较高，当变压器整体容量较大时其设计制造相对较困难。而且这种接地方式需要网侧采用不接地的绕组型式才能起到隔离交直流的作用。

通过电抗器形成中性点经电阻接地是在阀侧绕组通过三个电抗器星接形成一个中性点经接地电阻接地。其优点是电抗器可起到限制并分担短路电流的作用，使得联结变压器的压力较低，不足之处是对于高电压等级并联电抗器本身吸收的无功较大，会对系统电压会造成一定影响，对于无功出力较小的换流站不宜采用该方式。

以舟山多端柔性直流输电系统为例，如果采用电抗器接地的方式，则对容量小的3个换流站电压波动较大，且成本较高；如果采用直流极线接地电阻，则损耗较大，且电阻值的不平衡对直流电压影响较大，阻值偏移后，中性点很难还原；如果采用变压器 Y绕组接地的方式，则两个容量较大的换流站的连接变压器成本较高，且网侧失去了中性点。

定海换流站、岱山换流站采用经电抗器接地的方案，这种方式能提供稳定可靠的中性点接地方式，且能降低变压器成本。洋山换流站可采用经联接变压器Y绕组接地的方案。此时，在定海和岱山换流站均退出的情况下，洋山站也可以作为系统接地点的备用，保证剩下的换流站正常运行。

衢山、泗礁换流站作为受端，不考虑充电运行的方式，因此在整个直流系统中完全可以由其他换流站提供接地点，这两个换流站不需要设置接地点。

3.4 避雷器保护配置分析

工程应用时避雷器配置应满足“交流侧的过电压应尽可能由装在交流侧的避雷器保护，直流侧的过电压应由装在换流变压器直流侧的避雷器组合加以限制。换流设备的关键部件应由与该部件紧密相连的避雷器直接保护。母线或设备可直接由连接于被保护设备两端点之间或设备对地之间的避雷器保护”。

为了限制网侧交流系统由于各种原因产生的过电压，满足网侧交流母线设备的保护需求，须在联接变网侧配置交流避雷器 A；为了对联接变阀侧绕组、阀侧交流母线提供保护以及保护星形电抗接地支路的相关设备，要在联接变阀侧配置交流避雷器AV；在联接变阀侧交流母线接地故障或直流线路极间短路故障时，会在桥臂电抗器上产生较大过电压，为了限制过电压、满足故障情况下桥臂电抗器的保护需求，桥臂电抗器阀侧须配置避雷器LV；传统直流极母线过电压最严重的工况是由直流线路侵入的雷电波或由于直流场屏蔽失效遭受的雷击，对于柔性直流输电工程，由于采用海底电缆连接或隧道敷设，因此无需考虑雷击影响，但当换流站直流部分发生接地故障时，将在直流极线上产生很高的过电压会对直流母线及其他设备绝缘产生危害，为此要在直流平波电抗器阀侧和线路侧分别避雷器 DB和避雷器DL，其中避雷器DB主要用于保护换流器高压母线、穿墙套管，避雷器 DL主要用于保护直流极线及开关设备。

综上所述，柔性直流输电各采用基于模块化多电平换流器（MMC）技术的多端柔性直流输电工程换流站可应用图3所示的典型系统主接线。

图3 基于MMC的多端柔性直流换流站系统主接线图

3.5 该主接线的柔性直流输电系统在工程应用中的优点

图3所示的系统接线方式扩展灵活，容易实现，运行可靠，维护方便，目前在建的多端柔性直流工程都采用与之相同的系统结构。同时并联树枝式结构的直流网络，可实现单点或多点电源向局部电网供电，增加运行方式组合的灵活性，更好地发挥柔性直流输电系统有功和无功四象限运行的优势。

以舟山并联型五端柔性直流输电系统为例，其运行方式可分为五端、四端、三端、二端及STATCOM五大类，理论上可实现27种方式运行。并且定海、岱山换流站均退出运行时，衢山、洋山、泗礁换流站任意一站均可切换至定电压控制确保直流系统继续运行。

3.6 该方案在应用中需注意的问题及解决措施

在应用该结构的主接线方案时需考虑以下两个问题。

1）由于直流断路器制造技术的制约，目前各直流输电应用工程均无直流断路器配置，这导致当直流输电线路或电（海）缆发生永久性故障时，无法有效隔离故障直流线路而必须通过隔离各站与交流系统的连接实现，这将导致整个多端直流系统全停，若仅采用联接变第三绕组为站用电电源，此时换流站将会失去站用电源，因此必须考虑配置站用电后备电源。

2）基于HB-MMC技术的换流器在发生直流系统故障时由于子模块续流二极管的存在无法实现换流阀隔离故障电流，而只能通过系统控制保护隔离本站与对侧交流系统的连接来间接切断对故障点故障电流的供应。因此须要制定专门的技术防护措施（如配置断路器失灵保护等），确保发在直流系统发生故障的同时出现交流断路器操作失灵的情况下仍有后备保护措施将换流站与交流系统可靠断开，避免损坏换流站关键设备。

3）受单个模块化多电平换流器技术特点的限制，不是真正意义上的双极，不具备单极运行能力，当换流器故障时，整个系统需停运。

4 结论

通过分析舟山多端柔性直流输电示范工程应用条件下的多端柔性直流输电系统网络拓扑结构，给出了一种基于 MMC换流器技术原理的多端柔性直流输电系统主接线拓扑结构，可供今后多端柔性直流输电工程应用参考。

[1] 刘钟淇，宋强，刘文华. 基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(2):53-58.

[2] 吴俊宏，艾芊. 多端柔性直流输电系统在风电场中的应用[J]. 电网技术, 2009, 33(4): 22-27.

[3] 陈霞，林卫星，孙海顺，等. 基于多端直流输电的风电并网技术[J]. 电工技术学报, 2011, 26(7): 60-67.

[4] 袁旭峰，程时杰. 多端直流输电技术及其发展[J]. 继电器, 2006, 34(19): 61-67, 70.

[5] 阮思烨，李国杰，孙元章. 多端电压源型直流输电系统的控制策略[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(12):57-60, 96.

[6] 张文亮，汤涌，曾南超. 多端高压直流输电技术及应用前景[J]. 电网技术, 2010, 34(9): 1-6.

[7] 方进，邓珂琳，温家良. 环网式三端直流输电系统及直流断路器应用的分析与仿真[J]. 电网技术, 2012,36(6): 244-249.

[8] 许烽，徐政，傅闯. 多端直流输电系统直流侧故障的控制保护策略[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(6):74-78.

[9] 王俊生，吴林平，郑玉平. 多端高压直流输电系统保护动作策略[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(10):101-106, 123.

Research on Topology for MMC Converter Stations of Multi-Terminal VSC-HVDC Transmission Project

Liu Huiyong
(Zhoushan Electric Power Company, Zhoushan, Zhejiang 316000)

This paper mainly introduces the features application status of multi-terminal VSC-HVDC transmission project in the world at present, and connecting with the world's first five side multi-terminal VSC-HVDC transmission project-zhoushan multi-terminal VSC-HVDC transmission project , from the angle of engineering application based on the principle of inverter technology of MMC multi-terminal VSC-HVDC system structure was analyzed, and the main wiring is given based on the principle of inverter technology of MMC multi-terminal VSC-HVDC system main wiring scheme and points out the type may face problems in the application, for the future application of multi-terminal VSC-HVDC project design to provide the reference.

multi-terminal VSC-HVDC; zhoushan; application; MMC; topology

刘会勇（1982-），男，河北石家庄人，工程师、技师，现在从事变电设备检修管理、继电保护管理等方面的工作。