±800 kV特高壓換流站換流閥組接線選擇

馬悅，孫中尉

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南250013）

·經(jīng)驗(yàn)交流·

±800 kV特高壓換流站換流閥組接線選擇

馬悅，孫中尉

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南250013）

依托已完成的中俄跨國(guó)直流輸電工程前期設(shè)計(jì)成果，對(duì)±800 kV特高壓換流站可采用的幾種閥組接線從送電可靠性、線損、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行分析比較，指出各種接線的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及適用情況，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行特高壓換流站閥組接線選擇提供借鑒。

特高壓換流站；換流閥組；接線

0 引言

中俄跨國(guó)直流輸電工程是中俄雙方在能源領(lǐng)域深化合作的重要項(xiàng)目，雙方將合作開發(fā)俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的煤炭資源，在俄羅斯及中國(guó)境內(nèi)分別建設(shè)一座±800 kV直流換流站，通過特高壓跨國(guó)直流輸電線路向中國(guó)送電。由于換流閥組接線是換流站主接線的關(guān)鍵內(nèi)容，因此在該工程的前期設(shè)計(jì)中，對(duì)±800 kV直流換流站的閥組接線逐一進(jìn)行了分析研究，并提出了多個(gè)設(shè)計(jì)方案。依托該工程設(shè)計(jì)成果，對(duì)每種閥組接線進(jìn)行分析比較，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行特高壓換流站閥組接線選擇提供借鑒。

換流站的換流器通常采用三相橋式整流電路，由于6脈動(dòng)換流器會(huì)在交直流側(cè)產(chǎn)生較多的低次諧波，因此目前高壓直流工程均采用12脈動(dòng)換流器作為基本換流單元?！?00 kV直流換流站可能采用的閥組接線為：每極2個(gè)12脈動(dòng)閥組串聯(lián)接線、每極2個(gè)12脈動(dòng)閥組并聯(lián)接線、每極單12脈動(dòng)閥組接線。其中，12脈動(dòng)閥組串聯(lián)接線按本期建設(shè)規(guī)模又分為：按遠(yuǎn)景規(guī)?！?00 kV雙極一次建成、僅建設(shè)單極、僅建設(shè)±400 kV雙極低端3種情況，故±800 kV直流換流站可采用5種閥組接線。每極換流器采用何種接線方式，是直流輸電工程設(shè)計(jì)前期十分重要的研究論證課題，也是本文分析研究的重點(diǎn)。

1 換流站閥組接線形式

方案1為閥組串聯(lián)、本期雙極一次建成接線，接線示意圖如圖1所示。換流站本期按遠(yuǎn)景雙極一次建成，每極采用（400 kV+400 kV）2個(gè)12脈動(dòng)閥組串聯(lián)接線方式；遠(yuǎn)景額定容量8 000 MW，本期雙極正常送電功率為4 000 MW。

方案2為閥組串聯(lián)、本期僅建設(shè)單極接線，接線示意如圖2所示。換流站本期按單極建設(shè)設(shè)計(jì)，采用（400 kV+400 kV）2個(gè)12脈動(dòng)閥組串聯(lián)接線方式；遠(yuǎn)景額定容量8 000 MW，本期單極正常送電功率為4 000 MW。

單極建設(shè)時(shí)直流架空線路通常采用負(fù)極，這是因?yàn)檎龢O導(dǎo)線的電暈電磁干擾和可聽噪聲均比負(fù)極導(dǎo)線大，同時(shí)由于雷電大多為負(fù)極性，使得正極導(dǎo)線雷電閃絡(luò)概率也比負(fù)極導(dǎo)線高，因此本期采用-800 kV單極。

圖1 方案1閥組接線示意圖

圖2 方案2閥組接線示意圖

方案3為閥組串聯(lián)、本期僅建設(shè)±400 kV雙極低端接線，接線示意圖如圖3所示。換流站本期降壓運(yùn)行，按雙極低端設(shè)計(jì)，每極采用1個(gè)400 kV、12脈動(dòng)閥組接線方式；遠(yuǎn)景額定容量8 000 MW，本期雙極正常送電功率為4 000 MW。

方案4為閥組并聯(lián)接線，接線示意圖如圖4所示。換流站本期采用雙極配置，每極采用1個(gè)800 kV 12脈動(dòng)閥組接線方式，遠(yuǎn)景采用每極2個(gè)12脈動(dòng)閥組并聯(lián)接線；遠(yuǎn)景額定容量8 000 MW，本期雙極正常送電功率為4 000 MW。

圖3 方案3閥組接線示意圖

圖4 方案4閥組接線示意圖

圖5 方案5閥組接線示意圖

方案5為單閥組接線，接線示意圖如圖5所示。換流站本期按遠(yuǎn)景規(guī)模一次建成，遠(yuǎn)景按雙極設(shè)計(jì)，每極采用800 kV單個(gè)12脈動(dòng)閥組接線，遠(yuǎn)景及本期雙極送電功率均為4 000 MW。

2 技術(shù)分析比較

每極采用的12脈動(dòng)換流單元數(shù)量主要與以下因素有關(guān)：?jiǎn)蝹€(gè)12脈動(dòng)換流單元的最大制造容量；換流變壓器的制造及運(yùn)輸限制；分期建設(shè)的考慮；可靠性及可用率；投資考慮；交流系統(tǒng)的要求。在上述因素中，單個(gè)12脈動(dòng)換流單元的最大制造容量和換流變壓器的制造及運(yùn)輸限制往往是確定每極換流器組數(shù)的決定性因素。

2.1 閥組串聯(lián)接線

對(duì)于特高壓換流站，由于直流規(guī)劃額定容量大，采用每極2個(gè)12脈動(dòng)閥組串聯(lián)接線，換流變壓器主要設(shè)備數(shù)量比單12脈動(dòng)接線增加一倍，單臺(tái)換流變壓器容量下降一半，有利于設(shè)備的制造和運(yùn)輸。12脈動(dòng)閥組可作為基本換流單元獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)一組換流閥或換流變退出運(yùn)行時(shí)，損失的直流輸送容量為25%，對(duì)交流系統(tǒng)沖擊較小，系統(tǒng)運(yùn)行靈活性較高。

該方式接線較復(fù)雜，換流站占地面積大，設(shè)備故障次數(shù)增加，可靠性稍低，投資較高，控制保護(hù)復(fù)雜、閥數(shù)量和高電壓絕緣變壓器數(shù)量增加，投資較大。

當(dāng)換流站分期建設(shè)時(shí)，接線形式可從方案1～方案3中選擇，主要考慮因素分3個(gè)方面。

1）送電可靠性方面。方案1在直流單極停運(yùn)方式下機(jī)組電力送出將不受影響，方案2在該方式下全部機(jī)組需要停運(yùn)，方案3在該方式下機(jī)組電力僅能送出2 000 MW，方案1送電可靠性明顯優(yōu)于方案2和方案3。

2）線損方面。直流輸電線路在電阻上產(chǎn)生的損耗

式中：ΔPd為直流電流在線路電阻上的損耗，W；Id為線路上的直流電流，A；Rd為直流線路電阻，Ω；R0為單位線路長(zhǎng)度的電阻，Ω／km；L為線路長(zhǎng)度，km。Rd與直流系統(tǒng)的運(yùn)行方式有關(guān)。

方案1當(dāng)雙極或單極金屬回線方式運(yùn)行時(shí)（見圖6），Rd為兩極線路電阻之和。根據(jù)P=2UdId，則

圖6 雙極兩端中性點(diǎn)接地方式

采用方案1接線形式時(shí)，直流線路損耗低。

方案2當(dāng)采用單極大地回線方式運(yùn)行時(shí)（見圖7），Rd為單極線路電阻；當(dāng)采用單極金屬回線方式運(yùn)行時(shí)（見圖8），Rd為兩極線路電阻之和；當(dāng)采用單極雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線方式時(shí)（見圖9），Rd為單極線路電阻的一半。根據(jù)式（1），3種運(yùn)行方式下直流線路損耗計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 單極直流系統(tǒng)線路損耗計(jì)算

圖7 單極大地回線方式

圖8 單極金屬回線方式

圖9 單極雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線方式

可見，方案2采用不同的運(yùn)行方式，線路損耗最大相差4倍。

方案3當(dāng)雙極運(yùn)行時(shí)，Rd為兩極線路電阻之和。根據(jù)Pd=2UdId，則

可見，采用方案3接線形式時(shí)，線路損耗最高。

3）經(jīng)濟(jì)性方面。方案1本期將雙極全部建成，投資最高；方案2本期建設(shè)單極的低端和高端設(shè)備，投資較高；方案3本期建設(shè)雙極的低端設(shè)備，投資最低。

閥組串聯(lián)接線是目前大容量特高壓換流站采用的主要接線形式。當(dāng)換流站分期建設(shè)時(shí)，應(yīng)綜合考慮送電可靠性、線損、經(jīng)濟(jì)性等因素，確定適合工程情況的方案。

2.2 閥組并聯(lián)接線

由于每個(gè)12脈動(dòng)換流器作為基本換流單元均可以獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)換流閥或換流變故障時(shí)，可以只停運(yùn)一個(gè)換流單元，影響的直流功率只有50%，對(duì)兩端交流系統(tǒng)的沖擊和影響比較小。與閥組串聯(lián)接線相比，減少了流過單個(gè)換流單元的電流，工程分期建設(shè)時(shí)有利于降低過渡期的運(yùn)行損耗。

相應(yīng)地，每個(gè)換流單元均承受極電壓，絕緣水平比串聯(lián)方式要求高，可控硅元件及輔助設(shè)備多，造價(jià)相對(duì)最高，此外，同樣存在接線較復(fù)雜、換流站占地面積大、控制保護(hù)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

1）送電可靠性。在直流單極停運(yùn)方式下機(jī)組電力僅能送出2 000 MW，送電可靠性一般。

2）線損方面。

采用方案4接線形式時(shí)，直流線路損耗低。

3）經(jīng)濟(jì)性方面。由于設(shè)備絕緣水平比串聯(lián)方式高，投資最高。

閥組并聯(lián)接線相比其他接線形式投資最高，經(jīng)濟(jì)性最差。但分期建設(shè)時(shí)，其線路損耗與閥組串聯(lián)接線（雙極建設(shè)）均為最低，但投資大大減少，且相比單極接線可靠性高，是較為適宜的接線形式。故當(dāng)換流站遠(yuǎn)景擴(kuò)建時(shí)間不確定，可考慮采用本接線形式。

2.3 單閥組接線

該方式具有接線布置簡(jiǎn)單、可靠性高、節(jié)省投資的特點(diǎn)，從可靠性、可用率及投資來看，采用每極1組12脈動(dòng)換流器明顯優(yōu)于每極2組。

每極采用1組12脈動(dòng)換流器時(shí)，換流器故障即為極故障。在直流系統(tǒng)一個(gè)極的輸送功率比較大，且兩端的交流系統(tǒng)又比較弱的情況下，每組換流器故障對(duì)系統(tǒng)的沖擊就比較大。

若制造商具備生產(chǎn)制造能力，且運(yùn)輸通道不受限制，則應(yīng)優(yōu)先采用本方案。遠(yuǎn)景額定容量小于4 000 MW的±800 kV換流站以及額定電壓為±660 kV以下的直流工程可予以考慮。

3 結(jié)語

結(jié)合換流站遠(yuǎn)景、本期建設(shè)規(guī)模，對(duì)閥組串聯(lián)接線、并聯(lián)接線、單閥組接線逐一進(jìn)行了分析比較。

閥組串聯(lián)接線是目前大容量特高壓換流站采用的主要接線形式。當(dāng)換流站分期建設(shè)時(shí)，應(yīng)對(duì)雙極一次建成、僅建設(shè)單極、僅建設(shè)±400 kV雙極低端三種接線從送電可靠性、線損、經(jīng)濟(jì)性等方面分析論證，確定適合工程情況的方案。

當(dāng)換流站分期建設(shè)、遠(yuǎn)景擴(kuò)建時(shí)間不確定時(shí)，閥組并聯(lián)接線具有線路損耗低、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，相比其他接線形式具有優(yōu)勢(shì)。

若制造商具備生產(chǎn)制造能力，且運(yùn)輸通道不受限制，應(yīng)優(yōu)先采用單閥組接線。遠(yuǎn)景額定容量小于4 000 MW的±800 kV換流站以及額定電壓為±660 kV以下的直流工程可予以考慮。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004.

［2］DL／T 5426—2009±800 kV高壓直流輸電系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

［3］GB／T 50789—2012±800 kV直流換流站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］DL／T 5223—2005高壓直流換流站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.

［5］山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?中俄跨國(guó)直流輸電工程初步可行性研究報(bào)告［R］.濟(jì)南：山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆?014.

Selection of Converter Valve Group Connections in±800 kV UHV Converter Station

MA Yue，SUN Zhongwei
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute corp.，Ltd，Jinan 250013，China）

On the basis of the preliminary design results of China-Russia DC transmission project.The valve group connections in±800 kV UHV converter station are analyzed and compared from various aspects such as transmission reliability，line loss and economy.The advantages，disadvantages and suitability of each connection are presented in order to give some reference for valve group connection choosing.

UHV converter station；converter valve group；connection

TM852

B

1007－9904（2015）04－0051－04

2014-12-09

馬悅（1971），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。