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背靠背直流输电系统没有直流输电线路,可用于两个异步的交流电力系统之间的联网或送电。背靠背直流输电系统的整流侧和逆变侧通常布置在一个换流站内,可称为背靠背换流站[1-2]。图1为柔性直流背靠背系统示意图(对称单极接线为例)。
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柔性直流背靠背工程采用全控型功率器件,具有快速、独立的有功和无功控制能力,可作STATCOM运行等优点。随着电力系统联网运行要求的增多以及功率器件的快速发展,柔性直流背靠背技术将得到更广泛的应用。目前已投运的国内外工程如表1[3-4]所示。
表 1 已投运的柔性直流背靠背工程(2022年统计)
Table 1. Back-to-back VSC-HVDC projects (statistics for 2022)
工程名称 国别 功率/
MW直流电压/
kV投运年份 Eagle Pass B2B 美国
墨西哥36 ±15.9 2000 Mackinac B2B 美国 200 ±70 2014 Clovis Tres Amigas SuperStation 美国
墨西哥750 ±300 2014 云南电网与南网主网
背靠背异步联网工程中国 1000 ±350 2016 渝鄂直流背靠背联网工程 中国 1250 ±420 2018 广东电网直流背靠背广州工程 中国 1500 ±300 2022 广东电网直流背靠背东莞工程 中国 1500 ±300 2022 -
每个背靠背换流站建设2个1500 MW柔性背靠背直流单元,每个柔直背靠背换流单元采用对称单极接线。换流器阀组采用半桥型模块化多电平拓扑结构,柔直变压器采用单相双绕组型式,接线组别为YNyn0。启动回路设置在柔直变压器阀侧,启动电阻与隔离开关并联后,一端接至换流阀侧,另一端与柔直变压器相连。直流直流极线上不设置断路器,正负极母线均装设直流电压电流测量装置、避雷器、隔离开关等设备。电气接线如图2所示。
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本工程的主要运行方式有3种,分别为:直流正向运行方式、反向输送运行方式、STATCOM运行方式。换流站两侧均能够调节无功输出,实现对换流站内无功的就地补偿和近区电网的动态无功补偿。
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本工程研发了基于压接型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)的高可靠、高性能柔性直流换流阀,具体参数如表2所示。
表 2 柔性直流换流阀参数
Table 2. Parameters of VSC valve
参数 数值 额定直流电压/kV ±300 直流电流/A 2500 直流模式无功支撑能力/Mvar ±450 STATCOM模式无功支撑能力/Mvar ±600 功率器件额定电压/V 4500 功率器件额定电流/A 3000 功率模块额定运行电压/V 2100 每桥臂功率模块数(含冗余/不含冗余) 310/286 功率模块电容容值/mF 15 -
柔性直流变压器采用单相双绕组型式,接线组别为YNyn0,具体参数如表3所示。
表 3 变压器参数
Table 3. Parameters of transformer
参数 数值 柔直变压器容量(单相双绕组)/MVA 575 柔直变压器短路阻抗Uk 18% 柔直变压器网侧绕组额定(线)电压/kV 525 柔直变压器阀侧绕组额定(线)电压/kV 300 柔直变压器分接开关级数/档 +6/−6 分接开关的间隔 1.25% -
本工程桥臂电抗器为干式空心,半户内布置,自然风冷。设计上考虑了与柔性直流变压器漏抗的配合、桥臂环流限制、最大无功输出能力和电流迅速跟踪能力,电感取值为60 mH。
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控制保护是直流输电系统的“大脑”,直接决定了工程运行的功能、性能和安全。控制保护系统的总体结构设计需要综合考虑可靠性、灵活性等因素,为了提高直流运行的可靠性,限制任一环节故障造成的影响,通常采用分层分布式结构[5-7]。
直流控制系统用于:执行运行人员控制系统或远方调度中心的控制指令;产生闭环参考波调节信号,完成解锁、闭锁和变压器分接开关控制;实现交、直流开关场的顺序控制、联锁和同期控制;对交、直流回路开关及辅助设备的状态及测量参数进行监视和传输。
背靠背直流系统的控制设备根据功能划分为:远动通信系统、运行人员控制系统、交流站控系统、单元控制系统和就地控制系统等,各子系统间通过标准接口通信,实现完整的控制功能。
直流保护系统应满足可靠性、选择性、灵敏性、速动性的基本要求,并据此进行保护原理的设计与合理的冗余配置;任一单一元件故障都不应引起保护误动或拒动;在任何运行工况下都不应使某一设备或区域失去保护。
直流保护范围包括联接变压器及其阀侧交流引线、启动回路、换流器、直流场等。直流保护必须对保护区域的所有相关的直流设备进行保护。相邻保护区域之间应重叠,不存在保护死区。
保护采用三重化配置,“三取二”逻辑出口。每重保护能独立地对所保护设备或区域进行全面、正确的保护。各重保护之间在物理上和电气上完全独立,即有各自独立的电源回路,测量回路,信号输入/输出回路,跳闸回路、通信回路,主机,以及相关通道和接口。任意一重保护因故障、检修或其他原因而完全退出时,不应影响其他各重保护,并对整个直流系统的正常运行没有影响。
New Generation High-Performance VSC-HVDC Back-to-Back Technology and Application in Project
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摘要:
目的 广东电网区域由于负荷密集,网架结构复杂,电气联系紧密,长期存在大面积停电风险、交直流相互影响、短路电流超标三大问题,难以满足未来电源负荷发展和系统灵活调控的需求。 方法 为解决上述问题,在广东电网核心区域建设高性能柔性直流背靠背工程,研究并采用新一代高性能柔性直流背靠背技术。在复杂电网柔性直流互联控制,高可靠、高性能换流阀研发,绿色高效换流站设计等方面开展了深入研究,实现了柔性直流背靠背技术升级。 结果 工程成功实现了异同步潮流自动控制,大幅降低了控制保护系统链路延时,研制出了高性能、高可靠性柔性直流换流阀,并在换流站降噪、降损、节水等方面做了优化设计,建成换流站全景感知系统,实现了智慧运维。目前该工程运行良好。 结论 广东电网直流背靠背工程解决了多直流馈入受端电网长期以来面临的三大稳定问题,增强了粤港澳大湾区电力长期安全可靠供应能力。 Abstract:Introduction Due to the dense load, complex grid structure, and close electrical connections in the Guangdong power grid area, there are three major problems for a long time: the risk of large-scale power outages, the interaction between AC and DC, and the excessive short-circuit current, making it difficult to meet the needs of future power load development and flexible system regulation. Method To address the above issues, a high-performance VSC-HVDC (Voltage Source Converter-based High Voltage Direct Current) back-to-back project was constructed in the core area of Guangdong Power Grid, and a new generation of high-performance VSC-HVDC back-to-back technology was studied and adopted. The VSC-HVDC interconnection control of complex power grids, the development of highly reliable and high-performance converter valves, and the design of green and efficient converter stations were deeply studied. The upgrade of VSC-HVDC back-to-back technology was achieved. Result The project successfully achieved automatic control of asynchronous power flow, significantly reducing the link delay of the control and protection system, developed high-performance and highly reliable VSC-HVDC converter valves, and optimized the design in terms of noise reduction, loss reduction, water conservation, and other aspects of the converter station. A comprehensive perception system for the converter station was built, achieving intelligent operation and maintenance. At present, the project is running well. Conclusion The VSC-HVDC back-to-back project of Guangdong Power Grid has solved the three major stability problems faced by the multi DC feeder receiving end grid for a long time and enhanced the long-term safe and reliable power supply capacity of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area. -
Key words:
- VSC-HVDC /
- back-to-back /
- high performance /
- high reliability /
- noise reduction /
- loss reduction /
- water saving /
- digital operation and maintenance
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表 1 已投运的柔性直流背靠背工程(2022年统计)
Tab. 1. Back-to-back VSC-HVDC projects (statistics for 2022)
工程名称 国别 功率/
MW直流电压/
kV投运年份 Eagle Pass B2B 美国
墨西哥36 ±15.9 2000 Mackinac B2B 美国 200 ±70 2014 Clovis Tres Amigas SuperStation 美国
墨西哥750 ±300 2014 云南电网与南网主网
背靠背异步联网工程中国 1000 ±350 2016 渝鄂直流背靠背联网工程 中国 1250 ±420 2018 广东电网直流背靠背广州工程 中国 1500 ±300 2022 广东电网直流背靠背东莞工程 中国 1500 ±300 2022 表 2 柔性直流换流阀参数
Tab. 2. Parameters of VSC valve
参数 数值 额定直流电压/kV ±300 直流电流/A 2500 直流模式无功支撑能力/Mvar ±450 STATCOM模式无功支撑能力/Mvar ±600 功率器件额定电压/V 4500 功率器件额定电流/A 3000 功率模块额定运行电压/V 2100 每桥臂功率模块数(含冗余/不含冗余) 310/286 功率模块电容容值/mF 15 表 3 变压器参数
Tab. 3. Parameters of transformer
参数 数值 柔直变压器容量(单相双绕组)/MVA 575 柔直变压器短路阻抗Uk 18% 柔直变压器网侧绕组额定(线)电压/kV 525 柔直变压器阀侧绕组额定(线)电压/kV 300 柔直变压器分接开关级数/档 +6/−6 分接开关的间隔 1.25% -
[1] 汤广福. 基于电压源换流器的高压直流输电技术 [M]. 北京: 中国电力出版社, 2010 TANG G F. High-voltage direct current technology based on voltage source converter [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010 [2] 赵婉君. 高压直流输电工程技术 [M]. 北京: 中国电力出版社, 2004. ZHAO W J. High-voltage direct current engineering technology [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2004. [3] 饶宏. 柔性直流输电 [M]. 北京: 科学出版社, 2022. RAO H. Voltage-sourced converter based high voltage direct current transmission [M]. Beijing: Science Press, 2022. [4] 翟博龙. 直流背靠背联网技术在云南电网应用研究 [D]. 北京: 华北电力大学(北京), 2011. ZHAI B L. Application research on DC back-to-back networking technology in Yunnan power grid [D]. Beijing: North China Electric Power University (Beijing), 2011. [5] 胡静, 赵成勇, 赵国亮, 等. 换流站通用集成控制保护平台体系结构 [J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(22): 133-140. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.2012.22.019. HU J, ZHAO C Y, ZHAO G L, et al. System architecture of a universal integrated control and protection platform for converter station [J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(22): 133-140. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.2012.22.019. [6] 周君文, 刘涛, 李少华. 云广特高压工程控制系统功能分布研究 [J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37(10): 70-75. DOI: 10.3969/j.issn.1674-3415.2009.10.015. ZHOU J W, LIU T, LI S H. Research on control functions in UHVDC system [J]. Power system protection and control, 2009, 37(10): 70-75. DOI: 10.3969/j.issn.1674-3415.2009.10.015. [7] 刘涛, 李婧靓, 李明, 等. 南方电网鲁西背靠背直流异步联网工程控制保护系统设计方案 [J]. 南方电网技术, 2014, 8(6): 18-22. DOI: 10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2014.06.004. LIU T, LI J J, LI M, et al. Control and protection system design of Luxi back-to-back asynchronous interconnection HVDC project of China southern power grid [J]. Southern power system technology, 2014, 8(6): 18-22. DOI: 10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2014.06.004. [8] CORONADO L, LONGÁS C, RIVAS R, et al. INELFE: main description and operational experience over three years in service [C]//2019 AEIT HVDC International Conference (AEIT HVDC), Florence, Italy, May 9-10, 2019. Florencee, Italy: IEEE, 2019: 1-6. DOI: 10.1109/AEIT-HVDC.2019.8740447. [9] 李婧靓, 黄伟煌, 刘涛, 等. 特高压多端混合直流输电系统的控制策略研究 [J]. 南方电网技术, 2018, 12(2): 47-55. DOI: 10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2018.02.007. LI J J, HUANG W H, LIU T, et al. Research on control strategy of multi-terminal hybrid UHVDC transmission system [J]. Southern power system technology, 2018, 12(2): 47-55. DOI: 10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2018.02.007. [10] 黄伟煌, 李明, 刘涛, 等. 柔性直流输电受端交流侧故障下的控制策略 [J]. 南方电网技术, 2015, 9(5): 27-31. DOI: 10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2015.05.05. HUANG W H, LI M, LIU T, et al. Control strategy for VSCHVDC under AC system fault of receiving end [J]. Southern power system technology, 2015, 9(5): 27-31. DOI: 10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2015.05.05. [11] 胡兆庆, 田杰, 董云龙, 等. 模块化多电平柔性直流输电系统网侧故障控制策略及验证 [J]. 电力系统自动化, 2013, 37(15): 71-75,108. DOI: 10.7500/AEPS20130409008. HU Z Q, TIAN J, DONG Y L, et al. A control strategy for modular multilevel converter based HVDC flexible systems under system faults and its verification [J]. Automation of electric power systems, 2013, 37(15): 71-75,108. DOI: 10.7500/AEPS20130409008. [12] YANG L, XU Y, YU Q, et al. Study on characteristics and application of bypass-protected thyristor in VSC valve [C]//2022 Annual Meeting of CSEE Study Committee of HVDC and Power Electronics, Guangzhou, China, December 18-21, 2022. Hertfordshire, UK: IET, 2022: 72-77. DOI: 10.1049/icp.2023.0163. [13] 龙海洋, 李辉, 王晓, 等. 纳米银烧结压接封装IGBT的长期可靠性研究 [J]. 中国电机工程学报, 2020, 40(18): 5779-5786. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.200660. LONG H Y, LI H, WANG X, et al. Study on the long term reliability of nanosilver sintered press pack IGBT [J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(18): 5779-5786. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.200660. [14] B. 贾扬. 巴利加. 功率半导体器件基础 [M]. 韩郑生, 陆江, 宋李梅, 译. 北京: 电子工业出版社, 2013: 510-515. BALIGA B J. Fundamentals of power semiconductor devices [M]. HAN Z S, LU J, SONG L M, trans.. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2013: 510-515. [15] 陈才明. 金属化薄膜电容器的最新发展动态 [J]. 电力电容器与无功补偿, 2011, 32(4): 1-4. DOI: 10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2011.04.002. CHEN C M. Development trend of metalized film capacitor [J]. Power capacitor & reactive power compensation, 2011, 32(4): 1-4. DOI: 10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2011.04.002. [16] 郑媚媚. 金属化膜电容器失效物理建模及柔直换流阀组件可靠性评估 [D]. 重庆: 重庆大学, 2019. DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.000787. ZHENG M M. Failure-physics modeling of metallized film capacitor and reliability evaluation of flexible converter valve module [D]. Chongqing: Chongqing University, 2019. DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.000787. [17] 朱永利, 郑瑞宏, 虞礼辉. 海上风力发电水冷干式变压器冷却系统设计 [J]. 变压器, 2015, 52(7): 7-10. DOI: 10.19487/j.cnki.1001-8425.2015.07.002. ZHU Y L, ZHENG R H, YU L H. Water-cooling system design for dry-type transformer in offshore wind power [J]. Transformer, 2015, 52(7): 7-10. DOI: 10.19487/j.cnki.1001-8425.2015.07.002. [18] 钟思翀, 祝丽花, 王前超, 等. 电力变压器振动噪声分析及其有源降噪 [J]. 电工技术学报, 2022, 37(增刊1): 11-21. DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90341. ZHONG S C, ZHU L H, WANG Q C, et al. Electromagnetic vibration of power transformer and active noise reduction [J]. Transactions of China electrotechnical society, 2022, 37(Suppl. 1): 11-21. DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90341. [19] 陈宇昇. 大型电力变压器冷却系统的技术改进 [J]. 广东输电与变电技术, 2010, 12(6): 32-34. DOI: 10.3969/j.issn.1672-6324.2010.06.010. CHEN Y S. The innovation of large power transformer cooling system [J]. Guangdong power transmission and substation technology, 2010, 12(6): 32-34. DOI: 10.3969/j.issn.1672-6324.2010.06.010. [20] 杨柳, 张丽, 周月宾, 等. 柔性直流换流阀与水冷变压器外冷却系统一体化设计方案 [J]. 南方电网技术, 2021, 15(6): 15-19,35. DOI: 10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2021.06.003. YANG L, ZHANG L, ZHOU Y B, et al. Integrated design scheme of external cooling system of VSC-HVDC converter valve and water-cooled transformer [J]. Southern power system technology, 2021, 15(6): 15-19,35. DOI: 10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2021.06.003.