英国Shetland柔性直流输电工程系统设计

贺之渊,涂莉,阳岳希,许韦华,季兰兰,李泓志  

先进输电技术国家重点实验室(全球能源互联网研究院有限公司),北京市 昌平区 102209

摘要

为了解决位于苏格兰北部Shetland岛的可靠供电问题,规划设计了英国Shetland柔性直流输电工程。英国Shetland工程是中国将柔性直流输电技术应用于海外的第一个工程。为了满足柔性直流换流站运行的需要,研究提出了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选型及主参数计算。通过交、直流过电压研究提出了换流站绝缘配合方案。提出的应用于海外工程的柔性直流系统设计方法,为柔性直流技术发展及海外工程应用提供了有力支撑。

关键词 : Shetland工程;柔性直流;主参数设计;绝缘配合

0 引言

英国Shetland岛位于苏格兰最北部200多公里的海上,未与英国大陆电网相连,岛上用电的主要来源勒威克(Lerwick)发电厂和萨洛姆湾(Sullom Voe)发电厂将在未来几年完成服役年限。为了解决岛上的可靠供电问题,规划了英国Shetland柔性直流输电工程,新建Dounreay和Scalloway两座换流站,直流电压±88 kV,额定容量80 MVA,输电距离约250 km,计划2020年年底投运。

柔性直流输电技术是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术,相比其他输电技术,可以独立控制有功功率和无功功率,没有传统直流输电的换相失败问题,具有电压无功调节灵活快速、可向无源电网供电等技术优势,非常适合于偏远海岛供电[1-3]。同时,柔性直流输电在应对可再生能源发电间歇性带来的电网扰动问题等方面也具有出色表现,广泛适用于大型城市供电、大规模可再生能源并网等场合[4-6]。在可再生能源发电比例日益增加的趋势下,柔性直流输电技术已成为未来输电网建设的重要技术选择[7-8]

英国Shetland柔性直流输电工程标志着中国柔性直流输电技术第一次走向国际。本文基于英国Shetland柔性直流输电工程背景,开展了柔性直流系统主参数设计,确定了换流站主设备选型,并根据英方业主对故障清除时间的要求,设计了直流电缆放电电阻。通过过电压分析提出了换流站绝缘配合方案。所提出的柔性直流系统设计方法,为推动柔性直流输电技术在海外工程中的应用以及全球能源互联网的快速发展提供了支撑。

1 直流系统主接线

英国Shetland柔性直流工程连接Scotland大陆和Shetland岛,新建Dounreay和Scalloway 2座±88 kV柔性直流换流站,换流站额定容量为80 MVA,工程规划如图1所示。其中Dounreay站接入132 kV电压等级交流电网,Scalloway站接入33 kV电压等级交流电网。换流站间采用直流电缆连接,Dounreay站和Scalloway站间线路长约250 km。

Dounreay站主接线如图 2所示。换流阀采用模块化多电平设计,每个桥臂由120个半桥子模块串联而成。

图1 工程规划图
Fig. 1 Roadmap of project

图2 Dounreay站主接线示意图
Fig. 2 Single line diagram of Dounreay converter station

2 主回路参数设计

应用于海外柔性直流输电工程的主回路参数设计方法是基于英国Grid Code标准,根据功率运行范围的要求确定换流站的功率圆,计算换流阀、联结变压器、桥臂电抗器、直流电抗器、放电电阻等主设备的参数,并根据工程实际进行优化设计[9-12]

2.1 功率运行范围

根据工程中对公共连接点(point of common coupling,PCC)有功功率60 MW、整流侧直流电压±88 kV的要求,并考虑换流站损耗、交直流电缆参数、公差等,设计了系统容量如图3所示。需要指出,系统设计中的PCC点一般在换流站的交流母线上,但针对英方业主要求,系统的PCC点设定在换流站经过一段交流电缆后的变电站处,因此在设计时考虑了交流电缆的损耗和压降。

根据英国Grid Code并网准则Operating Code No.2中关于有功和无功功率的规范要求,交流电压在[0.95 pu,1.05 pu]的范围内,换流站的功率运行范围设计如图4所示。当交流电压超出范围时,可调整变压器的负载分接头。

图3 系统电压功率整定
Fig. 3 DC voltage and MVA rating

图4 有功无功容量
Fig. 4 PQ capability

2.2 主设备参数

2.2.1 换流阀

换流阀作为换流站的核心设备,用来实现从直流到交流以及从交流到直流的功率转换。工程采用模块化多电平拓扑,参数如表1所示。为实现应用于海外工程的紧凑化布局设计,采用三次谐波注入和桥臂二倍频环流注入技术减少换流阀子模块电压波动,从而降低子模块电容容值,减少占地。

表1 换流阀参数
Table 1 Key parameters of converters

2.2.2 联结变压器

联结变压器参数选择的原则如下:

(1)根据换流站容量确定联结变压器的额定容量,以满足功率的要求,联结变压器的额定容量应不低于换流站的额定容量;

(2)联结变压器漏抗和桥臂电抗器电抗之和的总等效换流电抗确定为0.25 pu(基准值80 MVA);

(3)在交/直流系统中防止零序电流的传输。

根据上述计算原则,联结变压器的参数见表2。

2.2.3 桥臂电抗器

桥臂电抗器除了满足电力系统无功容量和系统的动态性能要求,还需抑制暂态和故障电流、二次谐波环流。工程中桥臂电抗器取76 mH。

表2 联结变压器参数
Table 2 Parameters of the interface transformers

2.2.4 直流电抗器

在传输距离较长时(250 km),换流站两端直流线路串联直流电抗器,不仅能防止直流线路故障过电压,防止直流设备产生的行波进入从而保护换流阀,还能平滑直流电流中的纹波,有效抑制直流短路故障电流的上升速度[13-15]。两端换流站的直流电抗器电感值均取30 mH。

2.2.5 放电电阻

根据英方业主要求,故障清除时间(包括健全极放电)应小于500 ms,因此为每个极的直流电缆设计了放电电阻,直流电缆放电过程如图5所示,放电特性为

式中,U02是线路的初始电压,Rd是放电电阻,Cline表示直流电缆电容。

经计算,两端换流站放电电阻均为800 Ω,计算结果和仿真验证分别如图6和7所示,可以看出计算和仿真结果基本一致。当换流站发生单极接地故障,4 s时换流阀闭锁,经0.1 s交流断路器断开,4.12 s时放电电阻被投入,直流电压在4.5 s前放电到低于0.01 p.u,放电时间满足系统要求。

3 换流站绝缘配合方案

3.1 绝缘配合的原则

针对英国Shetland柔性直流输电工程,换流站的绝缘配合设计参考了CIGRE指南和IEC 60071[16-18]系列标准。为了安装设备免受过电压危害,无间隙金属氧化物避雷器(MOA)应配置于换流站的交、直流侧。选择避雷器配置时应保证每一电压等级和设备得到适当保护,预期绝缘水平的可靠性、性能与经济性相适应[19-20]。具体要求如下:

图5 直流电缆放电过程
Fig. 5 HVDC cable discharge sequence

图6 单极接地故障(Rd=800 Ω)计算
Fig. 6 Calculation result of pole-to-earth fault(Rd=800 Ω)

图7 单极接地故障(Rd=800 Ω)仿真验证
Fig. 7 Simulation result of pole-to-earth fault (Rd=800 Ω)

(1)交流侧产生的过电压应尽可能被限制在交流侧的避雷器;

(2)直流侧产生的过电压,同样地,通过直流线路/电缆避雷器来限制;

(3)对于换流站内过电压,关键设备应通过组件连接的避雷器直接保护。

3.2 避雷器配置

根据绝缘配合原则,设计了工程中换流站避雷器的配置方案。由于Dounreay和Scalloway换流站的主电路相似,两个换流站从联结变压器阀侧到直流区的避雷器配置是相同的,Dounreay站的配置方案如图8所示。

图8 Dounreay站的避雷器配置
Fig. 8 Arrester arrangement of Dounreay converter station

3.3 设备绝缘水平

各避雷器的最大过电压由雷电冲击保护水平(SIPL)或操作冲击保护水平(LIPL)定义。设备的绝缘裕度与耐压水平和保护水平有关。

根据表3中的避雷器参数和表4中的绝缘裕度,Dounreay换流站操作冲击耐受水平和雷电冲击耐受水平如表5所示。其中Ur是额定电压,Uref是参考电压。

表3 Dounreay站避雷器参数
Table 3 Arrester parameters of Dounreay converter station

续表

表4 设备绝缘裕度
Table 4 Minimum insulation margins

表5 Dounreay站绝缘水平
Table 5 Insulation levels for Dounreay converter station

4 结论

(1)英国Shetland柔性直流输电工程采用模块化多电平结构,具有灵活的功率控制方式。根据英方业主要求,系统的PCC点设定在换流站经过一段交流电缆后的变电站处,在容量设计时考虑了交流电缆的损耗和压降。

(2)根据系统运行功率范围确定了Dounreay和Scalloway换流站各关键设备的技术参数。换流阀额定容量为72 MW/80 MVA,联结变压器型式为三相三绕组油浸式,额定容量为80/80/27 MVA。桥臂电抗器、直流电抗器电感值分别为76 mH、30 mH。另外,为满足故障清除时间小于500 ms,两站均配备放电电阻800 Ω。

(3)根据CIGRE指南和IEC 60071系列标准确定了换流站绝缘配合的原则,设计了从联结变压器阀侧到直流区的避雷器配置方案,并计算了交流母线、变压器阀侧、电抗器等主设备的绝缘水平。

(4)作为中国将柔性直流技术应用于海外的首个工程,英国Shetland柔性直流输电工程系统设计方案为海外柔性直流工程设计提供了参考。

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System Design of Shetland VSC-HVDC Transmission Project

He Zhi-yuan, Tu Li, Yang Yue-xi, Xu Wei-hua , Ji Lan-lan, Li Hong-zhi
(State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology (Global Energy Interconnection Research Institute Co., Ltd.),Changping District, Beijing 102209, China)

Abstract: To realize and secure the power supply for Shetland islands located in the north of Scotland, a VSC-HVDC system is planned and designed. The Shetland project is the first application of VSC-HVDC technology to overseas in China.To meet the requirements of the operation of VSC converter station, the arrangement of the station’s main circuit is studied and proposed. Then, the types and parameters of main devices in each converter station are determined through studying the parameters of this main circuit. The scheme of insulation coordination is also obtained by analyzing the overvoltage in both AC and DC sides of the system. The presented system design method for overseas VSC-HVDC transmission projects provides a solid support in development and overseas applications of the VSC-HVDC technology.

Keywords: Shetland transmission project; VSC-HVDC; main circuit design; insulation coordination


作者简介:

贺之渊

贺之渊(1977),男,博士,教授级高级工程师,从事柔性直流输电和大功率电力电子试验技术研发及应用。

涂莉(1991),女,硕士,研发工程师,从事柔性直流输电系统设计与分析,E-mail:641155970@qq.com。

阳岳希(1988),女,硕士,研发工程师,从事柔性直流输电系统设计与分析。

(责任编辑 夏雪)

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