陳 鵬,周國梁,馬 亮,楊金根,梁言橋,周思遠(yuǎn)

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源穩(wěn)定性強(qiáng)、年利用小時(shí)高等顯著特點(diǎn)，近年來海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在世界各地飛速發(fā)展[1-3]。目前海上風(fēng)電并網(wǎng)輸電主要有兩種典型方式：高壓交流輸電和柔性直流輸電。高壓交流輸電主要是通過建設(shè)海上交流升壓站，匯集海上風(fēng)電場的電能并送至陸上的電網(wǎng)，適用于規(guī)模小、近距離風(fēng)電場的電能送出。隨著海上風(fēng)電機(jī)組大型化、投資規(guī)模的不斷擴(kuò)大和建設(shè)成本逐漸下降，近海風(fēng)電資源日趨緊張?；谌嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)的大規(guī)模、遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電送出工程已成為了海上風(fēng)電發(fā)展和研究的熱點(diǎn)，在歐洲北海地區(qū)的海上風(fēng)電輸電工程中得到了較廣泛的應(yīng)用[4]。

在海上風(fēng)電柔性直流輸電工程主要由海上換流站、陸上換流站和直流海纜等部分構(gòu)成。一般情況下，海上換流站和直流海纜的投資成本占據(jù)了整個(gè)海上風(fēng)電柔性直流輸電工程投資總成本的70%以上，是大容量、遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的關(guān)鍵設(shè)施[5]。

在工程建設(shè)前期，直流電壓等級(jí)是海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的重要技術(shù)參數(shù)。對(duì)于海上換流站核心電氣設(shè)備換流閥來說，在絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)器件額定電壓確定的情況下，直流電壓等級(jí)直接影響了模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)子模塊的級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)，與換流閥的制造成本幾乎成線性關(guān)系；另一方面，直流電壓等級(jí)及其過電壓水平很大程度上決定了海上換流站的體積質(zhì)量，從而成為了決定海上換流站平臺(tái)建造的關(guān)鍵因素。此外，在工程額定輸送容量確定的情況下，直流電壓等級(jí)也是影響直流海纜的絕緣厚度和制造難度的關(guān)鍵參數(shù)，能夠直接決定直流海纜的生產(chǎn)制造成本。因此，選擇合適的直流電壓等級(jí)，確定直流電壓等級(jí)范圍，對(duì)于工程的實(shí)施建設(shè)和成本的把控具有重要意義[6]。

目前，國內(nèi)暫無成熟的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，尚處于探索和起步階段。針對(duì)確定海上風(fēng)電柔性直流輸電工程電壓等級(jí)的方法還研究得較少，特別是從IGBT器件參數(shù)、直流海纜選型等方面對(duì)海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級(jí)確定的研究工作。

下面針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于IGBT器件穩(wěn)態(tài)電流運(yùn)行區(qū)間，給出了海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓取值范圍，并根據(jù)IGBT暫態(tài)電流限值，對(duì)直流電壓取值范圍進(jìn)行修正。進(jìn)一步根據(jù)直流海纜載流量限值要求，確定工程的直流電壓等級(jí)。并在此基礎(chǔ)上，以某900 MW海上風(fēng)電柔性直流輸電工程為例，給出了工程案例的直流電壓等級(jí)確定流程。

1 海上柔性直流換流站電氣主接線

現(xiàn)階段大容量柔性直流輸電工程主要采用損耗、諧波更低、大電平數(shù)目的MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其換流單元及直流側(cè)接線方式主要采用對(duì)稱單極接線(偽雙極)和對(duì)稱雙極接線(真雙極)，具體接線方式的選擇與兩端換流站的交流系統(tǒng)規(guī)模和條件、柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠性、工程建設(shè)成本等因素有關(guān)[7-9]。

針對(duì)海上風(fēng)電柔性直流輸電工程來說，對(duì)稱雙極接線方式可靠性較高，運(yùn)行方式較靈活。但對(duì)稱雙極接線的電氣設(shè)備較多，換流變壓器需考慮直流偏置電壓，且直流線路需增加一回中性線海纜，海上柔性直流換流站和直流海纜的投資費(fèi)用均較高。受海上柔性直流換流站的平臺(tái)尺寸和重量限制，以及直流海纜對(duì)工程造價(jià)的影響，海上風(fēng)電柔性直流輸電工程通常采用對(duì)稱單極接線形式。海上柔性直流換流站典型的對(duì)稱單極接線方式如圖1所示，該接線方式為單個(gè)換流單元構(gòu)成的雙極系統(tǒng)，通過交流側(cè)中性點(diǎn)接地，呈現(xiàn)出了對(duì)稱的正、負(fù)極性的直流線路。

圖1 海上柔性直流換流站電氣主接線

圖1中：T為換流變壓器；CB為交流斷路器；AB為交流穿墻套管；V為換流閥；DB為直流穿墻套管；L為橋臂電抗器；DS為直流隔離開關(guān)；DL為直流海纜終端。

2 直流電壓等級(jí)確定方法

2.1 IGBT穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件限制

IGBT是海上風(fēng)電柔性直流輸電工程中的核心部件，因此，要保障其安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，IGBT器件的電氣參數(shù)限制對(duì)工程設(shè)計(jì)有著舉足輕重的影響。IGBT器件的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)通流能力以及耐受電壓等參數(shù)會(huì)影響輸電系統(tǒng)的功率傳輸，從而對(duì)直流電壓等級(jí)選擇產(chǎn)生影響。

為了避免IGBT長時(shí)間運(yùn)行在額定電流下而出現(xiàn)故障，定義λ為每個(gè)IGBT器件的穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系數(shù)，記為λ=iarm_rms/ie，其中：iarm_rms為換流閥橋臂工作電流；ie為IGBT器件的額定電流。λ根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值通常在0.50～0.65。

根據(jù)海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流輸送容量Pe，可以計(jì)算出直流極線電流idc和聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)功率Se，如式(1)所示。

(1)

式中：Udc為正負(fù)極間電壓；cosφ為聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，通常0.9≤cosφ≤1.0，并具備發(fā)出和吸收無功功率的能力；Udc為正負(fù)極間電壓。

聯(lián)接變壓器閥側(cè)電壓Uv和基頻電流iv(1)的表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

式中，M為換流器調(diào)制比，通常0.75≤M≤0.95。

考慮到IGBT橋臂電流中，占主要組成部分的是直流分量、基波分量iv(1)和二倍頻分量iv(2)，所以IGBT橋臂電流穩(wěn)態(tài)有效值可以表達(dá)為[10-11]

(3)

式中，k(2)為橋臂電流二倍頻分量相對(duì)基波分量的比例，通常k(2)≤0.3。

根據(jù)式(3)可以推導(dǎo)出Udc的表達(dá)式為

(4)

因此，可以根據(jù)λ的取值范圍，推導(dǎo)出Udc的取值范圍，記為R1。

2.2 暫態(tài)運(yùn)行條件限制

根據(jù)2.1節(jié)的推導(dǎo)內(nèi)容可知，IGBT橋臂電流穩(wěn)態(tài)峰值ip_arm可以表達(dá)為

(5)

因此，閥基過流保護(hù)動(dòng)作值為

iDZ_arm=kVBC×ip_arm

(6)

式中，kVBC為可靠系數(shù)，數(shù)值在1.20～1.25。

發(fā)生換流站正、負(fù)極間故障時(shí)，故障發(fā)生后到IGBT閉鎖前，上、下橋臂的子模塊電容放電，形成故障回路路徑，子模塊電容、橋臂電抗器及線路阻抗組成RLC振蕩回路，流經(jīng)子模塊的故障電流從故障發(fā)生時(shí)刻起迅速增大，故障電流ifault上升率為

(7)

IGBT閉鎖后到交流系統(tǒng)跳開斷路器結(jié)束，子模塊電容從短路故障回路中退出，流經(jīng)子模塊的故障電流路徑遵循LR一階放電原理，從IGBT閉鎖時(shí)刻開始起，故障電流不斷減小，換流站正、負(fù)極間故障的橋臂暫態(tài)故障電流可表達(dá)為

(8)

式中：tp為閥基過流保護(hù)延遲時(shí)間；Larm為單相橋臂電感。

根據(jù)第2.1節(jié)中所求出Udc所屬的R1范圍、閥基過流保護(hù)動(dòng)作值及其延遲時(shí)間以及橋臂電抗器的電感值等，可以求出每個(gè)IGBT器件在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的橋臂暫態(tài)故障電流ifault的范圍，記為R2。

根據(jù)IGBT器件暫態(tài)電流限制要求，橋臂暫態(tài)故障電流應(yīng)該小于暫態(tài)電流限值ifault_max。因此可以根據(jù)范圍R2，選取滿足條件的IGBT器件。具體來說，若待選IGBT器件滿足條件inf(R2)ifault_max，則棄用該IGBT器件。

同時(shí)，注意到ifault

(9)

對(duì)R1′和RN求交集，可以得到直流側(cè)電壓Udc的取值范圍R。

2.3 直流海纜載流量限制

直流海纜在運(yùn)行時(shí)，各結(jié)構(gòu)部分中產(chǎn)生的損耗熱量向周圍媒質(zhì)散發(fā)，將使周圍媒質(zhì)的溫度升高。由于高壓直流海纜不存在交變的電磁場，故電纜線路的絕緣損耗可忽略，金屬護(hù)套和鎧裝上幾乎不產(chǎn)生損耗，其損耗主要是線芯的電阻損耗。單芯直流海纜額定載流量與導(dǎo)體溫升及電纜結(jié)構(gòu)中各部分等效熱阻有關(guān)[12]。

當(dāng)溫度升高，使絕緣的溫度等于直流海纜最高允許長期工作溫度，此時(shí)流過直流海纜的負(fù)載電流稱為海纜的長期容許電流。若直流海纜的長期容許電流大于或等于海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的額定直流電流，則認(rèn)為直流海纜可滿足系統(tǒng)輸送容量的要求。

在直流海纜選型過程中，若存在多種電壓等級(jí)的直流海纜滿足要求，則可選取直流電壓等級(jí)最低的直流海纜，作為海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級(jí)。

2.4 直流電壓等級(jí)確定流程

綜上所述，海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級(jí)確定方法流程如圖2所示。

圖2 直流電壓等級(jí)確定方法流程

3 工程實(shí)例分析

以某900 MW的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程為例，對(duì)所提出的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級(jí)確定方法進(jìn)行進(jìn)一步說明。

經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)階段IGBT器件的主要電氣參數(shù)包括額定電流和暫態(tài)電流限值，如表1所示；直流海纜的主要電氣參數(shù)包括直流電壓等級(jí)和最大導(dǎo)體截面對(duì)應(yīng)的直流海纜載流量，如表2所示。

表1 IGBT器件電氣參數(shù)

表2 直流海纜最大導(dǎo)體截面的載流量

取聯(lián)接變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)cosφ為0.95，換流器調(diào)制比M為0.85，橋臂電流二倍頻分量相對(duì)橋臂電流基頻分量k(2)取0.3，穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系數(shù)λ取0.50～0.65，閥基過流保護(hù)動(dòng)作值可靠系數(shù)kVBC取1.2，tp取155 μs，Larm取60 mH。

根據(jù)上述參數(shù)，可以通過計(jì)算求出IGBT器件對(duì)應(yīng)的工程直流電壓范圍，并進(jìn)一步地計(jì)算每個(gè)IGBT器件在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的橋臂暫態(tài)故障電流ifault的范圍。結(jié)果如表3所示。

表3 IGBT器件在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)的直流電壓和橋臂暫態(tài)故障電流

由表1和表3可知，直流輸送容量900 MW，采用額定電流1500 A的IGBT器件，其暫態(tài)電流限值3000 A位于穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的橋臂暫態(tài)故障電流范圍的最小值與最大值之間。據(jù)此可求得Udc的范圍在746.0～1 576.6 kV，將此范圍與表3中的Udc范圍求交集,修正后Udc的范圍為746.0～833.6 kV，從而使得sup(ifault)

采用額定電流2000 A和3000 A的IGBT器件，其在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的橋臂暫態(tài)故障電流ifault的最大值均小于暫態(tài)電流限值ifault_max，故其均能夠滿足工程應(yīng)用要求。

根據(jù)直流輸送容量和修正后的IGBT器件在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的正負(fù)極間電壓的范圍，計(jì)算直流海纜載流量要求，如表4所示。

表4 IGBT器件在穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)直流海纜載流量要求

根據(jù)表4所示的直流海纜載流量要求，結(jié)合取得的供選用的直流海纜的最大導(dǎo)體截面對(duì)應(yīng)的直流海纜載流量，進(jìn)行直流海纜選型。若有多種電壓等級(jí)的直流海纜滿足要求，選取直流電壓等級(jí)最低的直流海纜。最終選擇的直流海纜的直流電壓等級(jí)即為海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級(jí)。針對(duì)表4直流電壓和載流量要求進(jìn)行直流海纜選型，根據(jù)表2收集的直流海纜參數(shù)可知：采用額定電流1500 A的IGBT器件，正負(fù)極間電壓范圍為746.0～833.6 kV，需選用直流電壓等級(jí)為±400 kV的直流海纜，載流量為1 079.6～1 206.4 A，小于直流海纜最大載流量1750 A，可用；采用額定電流2000 A的IGBT器件，正負(fù)極間電壓范圍為480.9～625.2 kV，需選用直流電壓等級(jí)為±250 kV的直流海纜，直流電流范圍為1 439.5～1 871.4 A，小于直流海纜最大載流量2000 A，可用；采用額定電流3000 A的IGBT器件，正負(fù)極間電壓范圍為320.6～416.8 kV，直流電流范圍為2 159.3～2 807.0 A,無符合的直流海纜，該IGBT器件棄用。

由于海上換流站直流電壓等級(jí)越低，換流單元和直流場的過電壓水平越低，海上換流站的體積和重量越?。辉俅?，直流電壓等級(jí)越低，直流海纜的絕緣要求越低，直流海纜的制造成本較小。因此，額定輸送容量900 MW的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程，推薦正負(fù)極間電壓Udc為直流電壓采用500 kV，即±250 kV直流電壓等級(jí)。

4 結(jié) 論

上面基于實(shí)際工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出了一種應(yīng)用于海上風(fēng)電柔性直流輸電工程中的直流側(cè)電壓等級(jí)確定方法。

基于IGBT器件穩(wěn)態(tài)電流運(yùn)行區(qū)間，給出了海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓取值范圍，并根據(jù)IGBT暫態(tài)電流限值，對(duì)直流電壓取值范圍進(jìn)行修正。進(jìn)一步根據(jù)直流海纜載流量限值要求，確定工程的直流電壓等級(jí)。并在此基礎(chǔ)上，以某900 MW海上風(fēng)電柔性直流輸電工程為例，給出了工程案例的直流電壓等級(jí)確定流程。

所提出的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級(jí)確定方法，能夠?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)電柔性直流輸電工程的直流電壓等級(jí)確定提供有效的計(jì)算方法，有利于降低工程建設(shè)成本，加快遠(yuǎn)海風(fēng)電柔性直流輸電工程建設(shè)。