直流配网产品与技术介绍

直流配网主要产品概述

中电普瑞电力工程有限公司（以下简称“普瑞工程”）已经在配网直流换流阀、控制保护设备、中压直流断路器、直流固态变压器等核心装备方面形成系列产品并具备整体解决方案能力，能够满足直流供电技术在配网及用电电压等级下的应用需求。

中压直流换流阀是直流配网的核心设备，在交直流混合供电的配网系统中，直流供电两端或多端均需要配置相应的换流阀，以实现交直转换。

普瑞工程掌握了LCC换流阀技术、基于MMC拓扑的轻型直流换流阀技术、C-NPC技术，适应于中压配电网的不同应用需求，实现经济技术的最优匹配。

• LCC换流阀

LCC换流阀是基于电网换相的电流源型直流换流阀，其核心器件采用晶闸管，在中压配网中源荷固定方向功率传送情况下适合源侧交流-直流换流。基于LCC的换流站一般由开关设备、交流滤波器组、换流变压器、晶闸管换流阀及其附属设备等构成，LCC换流站电路拓扑原理参见下图1所示。其中晶闸管换流阀根据中压配电系统的电压要求，选取合适的晶闸管串联数量。

根据配电网的运行维护特点及容量需求，可以采用小型化封闭式水冷却方式或风冷散热方式。配网直流的电压处于中压范围，晶闸管阀采用紧凑化设计，降低设备尺寸。换流阀照片见下图2所示。

• MMC轻型直流换流阀

基于模块化多电平（MMC）拓扑的变流器由西门子公司首先实施，国内输电网柔性直流全部采用此拓扑，普瑞工程在此基础上开发了适合配网应用的MMC轻型直流换流阀，规避器件串联，控制复杂，损耗低，适合大容量装置，具有穿越直流故障能力，故障时无需跳开交流断路器，便于故障恢复。

• C-NPC柔性换流阀

C-NPC也是具备高压接入能力的一种电压源型变流器。与MMC拓扑结构相比，在直流电压等级±10kV，容量5MW以内的轻型直流配网供电系统中具有体积小、占地省、成本低的特点，非常适合在配网中应用。与同样容量的MMC阀组相比，造价降低约50%。

1. 子模块采用三电平拓扑，绕组变压器隔离后实现直流侧串联高压输出。

2. 模块数量大幅度减少（只有MMC的10%），特殊设计的输出电路具备直流侧故障穿越能力。

普瑞工程在中压直流换流阀产品的主要优势如下：

1. 掌握多种不同拓扑结构换流阀的核心技术，并具备产品供应的能力，可以适应配网复杂多变的应用场景的不同需求。

2. 多种不同产品的合理配置，实现技术经济性最优设计。

3. 较大大容量可以采用水冷冷却方式，同时也可以提供维护更简便的风冷阀组方案，更适合配网应用。

4. 配网用MMC水冷换流阀组采用紧凑化设计。

5. C-NPC优势换流阀适合低电压、小容量，符合配网应用技经需求，体积小、成本低、维护少。
   

普瑞工程已具备框架式、柜式换流阀站设计，集装箱式、户外式组合电气柜式阀塔结构。

框架式结构阀塔具备维护方便，散热良好等优势；但也存在设备框架位于高电位，维护通道占地较大等问题。屏柜式由于柜体接地，与配网开关站内的其他设备易于并柜，换流站土建设计更简单。

普瑞工程自主研发基于CPS5000软硬件平台高性能的控制保护设备，可以应用于常规直流及柔性直流换流站的控制保护。控制保护设备内部通信采用成熟的eTDM、CAN和HDLC协议。控制保护核心CPU软件系统基于多任务嵌入式系统，运行可靠、高效。整个系统具有较强的开放式结构，网络通信规约采用标准的国际通用协议，可方便与其它系统的联接和数据传输。

控制保护设备采用平台化设计，整体结构采用分层分布式设计，分为远方调度中心控制层、运行人员控制层、换流站控制设备层、就地设备层。各层均可以实现100%双冗余配置或简化的单系统配置。

充分考虑了控制保护设备整体分层结构的合理性和优化配置，层次分明，各层之间采用标准化协议接口，系统具备灵活扩展性。控制设备预留足够的光纤通讯接口、开关量输入输出接口、模拟量输入接口，并具备强大的可扩展性。

CPS5000柔性直流输电控制设备在上海南汇风电场柔性直流输电工程成功应用，于2017年4月投入运行。该设备硬件平台具有良好的通用性，作为舟山五端柔性直流输电工程高压直流断路器的控制保护于2016年12月投入运行，运行稳定可靠。

该设备具有完备的、良好的抗干扰性能。系统配置了电源的抗干扰、信号输入输出的抗干扰、系统屏柜的抗干扰措施。控制机箱采用整体屏蔽的金属机箱，抗辐射干扰能力更强。输入输出回路采用光电隔离；采用光纤通信。机箱内、屏柜内走线合理，强弱电分开。

该设备具有有效的防病毒侵入和扩散措施，采用安全的操作系统。硬件上配置防火墙等有效的网络隔离装置。运行人员控制系统、远动控制系统软件上采用完善查杀病毒的程序，严格防止病毒在控制保护设备网络上的传播和扩散。网络体系结构满足二次系统安全防护的要求。数据网通讯软件系统可实现无人值守。

直流断路器是未来构建直流电网的核心装备。与交流不同，直流电流在分断过程中无电流过零点，熄弧困难。同时，由于电力电子变流器对过电流的耐受能力较弱，需要直流断路器尽可能快速切除直流故障，故此多数直流断路器采用电子式固态断路器或固态断路器与机械开关复合式结构。

普瑞工程在直流断路器技术方面处于国内领先水平，目前200kV高压直流断路器已经应用在舟山多端柔性直流工程，为配网定制的中压直流断路器也已经完成了功能验证。

此拓扑方案的主要优势是采用了中压快速机械开关与电力电子固态开关复合结构，降低了可关断器件的电压耐受水平；通过谐振方式强迫形成电流过零，可以快速切断直流侧短路电流。但由于增加谐振回路，装置尺寸较大。

在多级电压下的直流配网系统中，不同等级的直流电压间的电压变换与隔离需要依靠直流变压器。普瑞工程研制的直流固态变压器采用了隔离全桥DAB变流器，采用DAB的直流变压器的主要优势是装置高度模块化，运行维护方便；各功率单元独立控制，控制简单，可靠性高。与MMC方式的直流变压器相比，基于DAB技术的直流变压器体积更小，但受到高频隔离变压器容量限制，在10kV电压下单极容量超过2MW的直流变压器需要进行高压侧并联，造成模块数量大幅增加。因此容量超过2MW时应采用基于MMC拓扑的直流变压器。但就目前直流配网供电容量，尚无超过单极容量MW级的实际工程需求，如有需求，可以快速完成MMC的直流变压器样机的产品化，在短时间内满足工程需要。

• 直流配网换流站设备集成

国内首个直流配电网示范工程，工程位于苏州工业国2.5产业园，为满足园区及周边区域负荷、分布式资源快速增长需求，构建交直流混合配电网，利用柔性直流技术主动控制配电网的线路潮流，优化电网配置能力，提高配电网供电可靠性。

该工程2018年底投入运行，是国内首个交直流混合配网供电示范工程。普瑞工程承担了配网柔直系统设计及换流站设备集成，提供换流变。MMC中压柔性直流换流阀、桥臂电抗、直流开关设备、控制保护设备、运行人员控制系统、运行通信设备等所有设备供货。