理论上,柔性直流输电系统的接地方式包括两类基本形式,一是采用交流侧接地方式,如图4(a)、(b)所示;二是采用直流侧接地方式,如图4(c)—(f)所示。图 4(a)采用换流变中心点直接接地方式,该方式需要换流变采用Δ/Y0 或Y/Y0 联结型式,附加设备较少,结构简单,南汇示范工程即采用该接地方式,该工程连接于35 kV 交流电网。为抑制直流偏磁电流,需要配置较大的中性点接地电阻,但这种高阻接地方式主要应用在中低压电网。
对于 110 kV 及以上电压等级的电网,一般采用变压器中性点直接或经低阻抗接地,故换流变压器多采用Y0/Δ联结型式,而且此型式能够起到隔离零序分量在换流器与交流系统之间传递的作用。故如果仍然采用交流侧接地方式,则需要另外配置接地支路。如图4(b)所示的星形电抗经小电阻接地方式,在美国Transbay 工程得到应用。由于星形电抗要消耗大量无功,当电抗值取得过小则消耗无功过多,当电抗过大则制造装配困难,该方式对换流站的正常运行范围有影响。利用曲折接线(Zig-Zag)变压器以构建交流侧有效接地的方式。
传统两电平柔性直流系统利用直流侧分裂电容引出接地支路,其电容同时起到支撑直流电压的作用,MMC 型柔性直流系统仍可借鉴。然而MMC桥臂包含有大量分布式悬浮电容,直流侧完全可以省略集中布置的电容,故可用箝位大电阻替代以引出接地电位,如图4(d)所示。不过该接地方式与箝位电阻参数选取密切相关,当电阻取得过小则稳态运行损耗较大,影响系统综合效益;当电阻取得过大则整个系统近似不接地,无法实现为整个换流站提供参考电位的功能。
图4 (a)—(d)为柔性直流输电选择的基本接地形式,其特点为单换流器构成自然双极(伪双极)结构,即极和换流器没有清晰区别开来,换流器故障后会导致整个系统停运。除引言所述的限制因素外,单换流器构成伪双极的主接线方式也是造成柔性直流输电能力低的重要因素。
图 4(e)给出借鉴传统直流输电工程的接地方式,直流侧采用专门的接地极,其从双极结构中性母线经接地引线引入;正极和负极相对独立,一极故障对健全极影响较小,可参照传统直流系统成熟的设计流程。采用双极结构形式,运行方式灵活多样,系统可靠性高,易于系统分期建设和增容扩建,非洲的Caprivilink 工程[51]和正在规划中的加拿大Nelson River 第3 个双极直流工程(Bipole 3)均采用该接地方式,但此方式下接地极占地面积较大,换流变需要采用专门的换流变压器以承受直流偏置电压。
图4 (f)—(h)给出了图4(e)的3 种变形方式,即上下极不共交流场、组合式换流器内部串联和并联单元不共交流场。这种MMC 换流单元分散接入交流系统的形式,有利于大容量功率的接受和消纳,降低了所连交流系统故障对直流网络的影响。