超高壓柔性直流換流站換流區(qū)優(yōu)化布置研究

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

0 引言

國(guó)家能源局“十四五”規(guī)劃已明確規(guī)定要大力發(fā)展風(fēng)電、太陽能等可再生能源，實(shí)現(xiàn)2030 年非化石能源消費(fèi)占比達(dá)20%的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]?？稍偕茉淳哂虚g歇性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，高比例接入對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)，而柔性直流輸電是解決新能源并網(wǎng)問題的最優(yōu)技術(shù)方案[2]。

近年來，國(guó)內(nèi)已有數(shù)條柔性直流輸電工程投運(yùn)，包括南澳±160 kV 柔性直流輸電示范工程[3]、舟山±200 kV 五端柔性直流工程[4]、張北±500 kV柔性直流示范工程[5]等。隨著電壓等級(jí)的提高，換流站的占地面積也呈比例增長(zhǎng)，工程建設(shè)過程中一直在探索減少換流站占地面積的課題。一方面是新設(shè)備的應(yīng)用，如緊湊型配電裝置GIS（氣體絕緣開關(guān)設(shè)備）的推廣，但往往需要數(shù)十年相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的重大突破；另一方面是設(shè)備的靈活布置，通過合理規(guī)劃設(shè)備布局及接線，如以空間換平面等，短期內(nèi)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域更易實(shí)現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)柔性直流換流站的平面布置進(jìn)行了優(yōu)化，文獻(xiàn)[6-7]介紹了換流閥同相上下橋臂相鄰布置（AABBCC）和同極橋臂三相相鄰布置（ABCABC）的閥廳結(jié)構(gòu)，通過閥塔布置結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析優(yōu)化了閥廳占地面積。文獻(xiàn)[8]針對(duì)星形/星形單相換流變閥側(cè)套管伸入閥廳內(nèi)的結(jié)構(gòu)，提出換流變壓器（以下簡(jiǎn)稱“換流變”）中性點(diǎn)采用氣體絕緣管型母線連接，節(jié)省了3 只閥側(cè)穿墻套管的投資成本，但對(duì)減少換流變占地面積的效果不大。文獻(xiàn)[9]對(duì)±800 kV 柔性直流換流站的換流變區(qū)域進(jìn)行了整體布置優(yōu)化，換流變采用閥側(cè)套管伸入閥廳內(nèi)的結(jié)構(gòu)，閥側(cè)套管接線布置與常規(guī)直流相同，通過懸吊絕緣子和支撐絕緣子完成閥側(cè)星形和三角形接線，但對(duì)換流變與閥廳脫開的布置方案不具有明顯的參考價(jià)值。為此，亟須研究超高壓柔性直流換流站的平面布置優(yōu)化，對(duì)工程的建設(shè)和設(shè)計(jì)都具有重大意義。

本文針對(duì)±350 kV 柔性直流換流站的換流區(qū)平面布置，以換流站常規(guī)布置方案為對(duì)照組，提出了換流變閥側(cè)匯流母線采用高位跨線、啟動(dòng)回路區(qū)開關(guān)測(cè)量設(shè)備采用HGIS（混合式氣體絕緣組合電器）、橋臂電抗采用二合一油浸式穿墻伸入閥廳內(nèi)的優(yōu)化方案，減少了換流區(qū)的占地面積，優(yōu)化比例達(dá)26%，可為今后柔性直流換流站的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 柔性直流換流站

柔性直流換流站按照功能可劃分為交流場(chǎng)、換流區(qū)、閥廳和直流場(chǎng)。換流區(qū)一般位于換流站的中心位置，銜接著網(wǎng)側(cè)交流和閥側(cè)直流。

1.1 換流區(qū)主接線

柔性直流換流站的換流區(qū)包括換流變、啟動(dòng)回路和橋臂電抗，典型主接線如圖1 所示。個(gè)別工程還有接地電抗[10-11]，如舟山±200 kV 柔性直流輸電工程。

圖1 柔性直流換流站換流區(qū)主接線

本文研究±350 kV 柔性直流換流站的換流區(qū)平面布置，換流變采用星形和三角形接線，網(wǎng)側(cè)接入500 kV 交流大電網(wǎng)，啟動(dòng)電阻設(shè)在換流變閥側(cè)，橋臂電抗設(shè)在閥塔網(wǎng)側(cè)，單極輸送容量為500 MW。

1.2 換流區(qū)典型總平面布置

換流區(qū)典型總平面如圖2 所示，從網(wǎng)側(cè)到閥側(cè)依次是換流變、啟動(dòng)回路和橋臂電抗。換流區(qū)寬度與閥廳匹配，一般由一字形排列的換流閥控制，可優(yōu)化空間不大。長(zhǎng)度則由換流變、啟動(dòng)電阻和橋臂電抗的布置決定，可通過合理設(shè)計(jì)電氣設(shè)備的擺放位置和搭接方式進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 ±350 kV 柔性直流換流站換流區(qū)典型總平面

1.3 換流區(qū)空氣凈距

空氣凈距是決定電氣設(shè)備布置的基礎(chǔ)，工程上柔性直流換流站空氣凈距的計(jì)算一般采用g 參數(shù)法。由于空氣凈距不是本文的研究重點(diǎn)，暫參考國(guó)內(nèi)某同類工程確定，換流區(qū)相對(duì)地空氣凈距取3 m、相間空氣凈距取4 m。

2 換流區(qū)平面布置優(yōu)化

±350 kV 柔性直流換流站采用換流變與閥廳脫開布置。換流變選用單相雙繞組，網(wǎng)側(cè)星形中性點(diǎn)直接接地，閥側(cè)三角形接線。3 臺(tái)單相變?yōu)橐唤M，閥側(cè)套管需要在換流變外通過匯流母線連接成三角形，合理設(shè)計(jì)電氣設(shè)備搭接方式、減少換流變區(qū)占地面積成為關(guān)鍵。

2.1 換流變區(qū)

換流變按照結(jié)構(gòu)可分為三相三繞組、三相雙繞組、單相三繞組和單相雙繞組。對(duì)于容量較小的柔性直流輸電工程，可采用三相換流變，在換流變內(nèi)部實(shí)現(xiàn)閥側(cè)繞組星形或三角形聯(lián)結(jié)，變壓器制造工藝成熟，每臺(tái)換流變?cè)陂y側(cè)僅3 個(gè)出線套管，如南匯和舟山柔性直流輸電工程。對(duì)于大容量柔性直流輸電工程，一般采用單相雙繞組換流變，每臺(tái)換流變閥側(cè)有2 個(gè)套管出線，需要在換流變外完成繞組星形或三角形接線。單相三繞組多用于單極12 脈動(dòng)接線的直流輸電工程，換流變閥側(cè)1 組繞組需接成星形，另1 組接成三角形，目前還少有工程應(yīng)用。

±350 kV 柔性直流工程輸送容量較大，換流變采用單相雙繞組結(jié)構(gòu)，閥側(cè)套管需通過匯流母線連成三角形。常規(guī)接線方案中，閥側(cè)常采用三相支撐式匯流管母平行布置，換流變閥側(cè)套管通過支撐絕緣子跨接至匯流管母，完成三角形接線（見圖3）。此方案接線靈活，可適應(yīng)不同接線組別。但換流變閥側(cè)B/A 相出線需同時(shí)對(duì)散熱片校核3 m、對(duì)C 相管母校核4 m，其只能從2 個(gè)安全距離校核線的夾縫中穿過，需設(shè)置一列額外的支撐式支柱絕緣子助其過渡，增加了換流區(qū)的長(zhǎng)度?？紤]三相平行布置的管母間至少間距5 m，初步布置下來，常規(guī)方案換流變區(qū)的長(zhǎng)度為36.5 m。

圖3 換流變區(qū)常規(guī)斷面布置

考慮到常規(guī)方案中換流變閥側(cè)出線匯流困難，可考慮將三相支撐式匯流管母改為高位跨線，雖然遠(yuǎn)處的A/B 相出線同樣需要支撐絕緣子過渡，但無須設(shè)置額外的過渡支撐絕緣子。此外，三相匯流采用高位跨線后，可不受散熱片的空間限制，進(jìn)一步朝換流變網(wǎng)側(cè)移動(dòng)，充分利用換流變正上方空間（如圖4 所示）。考慮風(fēng)偏的影響，C 相跨線到構(gòu)架梁控制在5 m，相鄰跨線間距控制在7 m，整個(gè)換流變區(qū)的長(zhǎng)度可優(yōu)化為33 m。

圖4 換流變區(qū)優(yōu)化后斷面布置

相較常規(guī)三相支撐式管母匯流，本文提出的高位跨線匯流方案在占地長(zhǎng)度上減少了3.5 m，支撐絕緣子減少了18 只，同樣能滿足各種接線組別，且抗震性能更好。

此外，匯流母線還有采用兩列式支撐布置，一列布置在地面、一列布置在防火墻上，這種布置方式占地面積小，但接線組別受搭接方式的限制，變壓器在生產(chǎn)時(shí)需要配合接線組別來確定副邊同名端及引出位置，且抗震性能不好。

2.2 啟動(dòng)回路區(qū)

啟動(dòng)回路主要包括啟動(dòng)電阻和與之并聯(lián)的旁路斷路器，用以限制換流閥子模塊電容器充電過程中的過電流[12-13]。相較于常規(guī)直流，啟動(dòng)電阻是柔性直流換流站的獨(dú)有回路。啟動(dòng)回路區(qū)常規(guī)布置方案如圖5 所示，直線型接線簡(jiǎn)潔順暢，但相間空隙較大，空間浪費(fèi)嚴(yán)重。初步布置下來，常規(guī)方案啟動(dòng)電阻區(qū)的長(zhǎng)度為40.8 m。

圖5 啟動(dòng)回路區(qū)常規(guī)平面布置

為此，可以考慮將啟動(dòng)電阻及旁路開關(guān)外的其他設(shè)備，包括電壓電流測(cè)量裝置和開關(guān)設(shè)備等，全部封裝進(jìn)HGIS 里，然后配合啟動(dòng)電阻回路轉(zhuǎn)角布置。HGIS 具有體積小的顯著優(yōu)勢(shì)，可大大縮減這些敞開式開關(guān)測(cè)量設(shè)備造成的占地浪費(fèi)。初步布置下來，啟動(dòng)電阻區(qū)采用HGIS 設(shè)備后的長(zhǎng)度為22 m（如圖6 所示），較常規(guī)方案減少了18.8 m。

圖6 啟動(dòng)回路區(qū)優(yōu)化后平面布置

2.3 橋臂電抗區(qū)

橋臂電抗也是柔性直流換流站的獨(dú)有設(shè)備，起到抑制換流閥輸出電流和電壓中開關(guān)頻率諧波量、抑制系統(tǒng)短路電流上升率和峰值的作用。六橋臂電抗呈一字形排列，考慮接線方便，多采用同相上下橋臂相鄰（AABBCC）布置結(jié)構(gòu)。

橋臂電抗區(qū)常規(guī)平面布置如圖7 所示，采用干式空心電抗器和穿墻套管組合的方式。近幾年投產(chǎn)的柔性直流輸電工程中橋臂電抗也多采用干式空心電抗器，其安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、無須設(shè)置額外的二次保護(hù)。但為滿足散熱要求，其外徑尺寸一般較大，且周圍MC2（一般MC2 為1.5 倍線圈外徑）范圍內(nèi)不得有金屬閉合回路，故實(shí)際占地面積較大。初步布置下來，常規(guī)方案橋臂電抗區(qū)的長(zhǎng)度為24 m。

圖7 橋臂電抗區(qū)常規(guī)平面布置

相較干式空心電抗器，油浸鐵芯式電抗器外形尺寸更小，且制造工藝成熟、運(yùn)行可靠性更高?？紤]采用套管伸入閥廳的布置結(jié)構(gòu)，相較干式空心電抗器和穿墻套管的組合方案，占地面積會(huì)更小。此外，考慮到同相上下橋臂電抗網(wǎng)側(cè)進(jìn)線為同一端，可將相鄰?fù)嗌舷聵虮垭娍狗庋b成二合一油浸電抗器。相較于2 臺(tái)獨(dú)立油浸電抗器，至少可節(jié)省1 只高壓套管、1 組高壓跨線和1 面防火墻的投資。

圖8 分別是向國(guó)內(nèi)某廠家調(diào)研的75 mH 干式空心電抗器和二合一油浸鐵芯式電抗器的外形圖。干式空心電抗器線圈直徑為3.4 m，周圍1.5倍直徑范圍內(nèi)不得有金屬閉合回路，等效于本體直徑修正為10.2 m。二合一油浸鐵芯電抗器本體器身尺寸為6 m×5 m（長(zhǎng)×寬），裝上散熱片和套管后的外廓尺寸為12 m×11 m（長(zhǎng)×寬）。

圖8 75 mH 干式空心和油浸鐵芯電抗外形

橋臂電抗采用二合一油浸鐵芯式，閥側(cè)套管直接插入閥廳內(nèi)布置，網(wǎng)側(cè)進(jìn)線采用高位跨線，平面布置如圖9 所示。油浸鐵芯式電抗本體器身寬5 m，考慮一定裕度，運(yùn)輸軌道兼消防環(huán)道可按6 m 寬控制。防火墻考慮凸出散熱片外沿2 m，可按9.5 m 控制。初步布置下來，采用二合一油浸鐵芯式電抗器方案，橋臂電抗區(qū)的長(zhǎng)度為20 m，較常規(guī)干式空心電抗器方案減少了4 m。

圖9 橋臂電抗區(qū)優(yōu)化后平面布置

3 換流區(qū)優(yōu)化方案比較分析

在常規(guī)布置的基礎(chǔ)上，提出了換流變閥側(cè)匯流母線采用高位跨線、啟動(dòng)回路區(qū)開關(guān)測(cè)量設(shè)備采用HGIS、橋臂電抗采用二合一油浸式穿墻伸入閥廳內(nèi)的優(yōu)化方案，優(yōu)化后換流區(qū)的總平面布置如圖10 所示。

圖10 優(yōu)化方案中換流區(qū)總平面布置

優(yōu)化前后換流區(qū)的占地面積對(duì)比情況如表1所示，通過上述對(duì)換流變、啟動(dòng)回路和橋臂電抗的布置優(yōu)化，相較于常規(guī)布置方案（圖2），換流變區(qū)長(zhǎng)度尺寸減少了3.5 m、啟動(dòng)回路區(qū)減少了18.8 m、橋臂電抗區(qū)減少了4 m。整個(gè)換流區(qū)的長(zhǎng)度減少了26.3 m，每極的占地面積減少了1 315 m2，優(yōu)化比例達(dá)26%。

表1 優(yōu)化方案與常規(guī)方案占地面積對(duì)比

換流區(qū)的寬度尺寸并未優(yōu)化，主要受限于閥廳內(nèi)換流閥塔的布置，若拋開與閥廳的布置匹配單獨(dú)優(yōu)化換流區(qū)，對(duì)工程設(shè)計(jì)并無參考價(jià)值。優(yōu)化方案中，換流變區(qū)的優(yōu)化比例最小，因?yàn)閾Q流變閥側(cè)采用高位跨線匯流，雖然可利用換流變上方空間壓縮平面，但高位跨線需考慮風(fēng)偏影響，相間距比常規(guī)支撐管母要大一些，故實(shí)際可優(yōu)化空間不大。相較之下，啟動(dòng)回路區(qū)和橋臂電抗區(qū)更多從設(shè)備本體尺寸入手，通過設(shè)備旋轉(zhuǎn)布置和選型上優(yōu)化占地面積，可優(yōu)化空間更高。

工程設(shè)計(jì)中應(yīng)更多地從設(shè)備選型和接線布置上優(yōu)化，綜合考慮經(jīng)濟(jì)造價(jià)和征地紅線，根據(jù)工程實(shí)際特點(diǎn)，選擇最適合的平面布置優(yōu)化方案。

4 結(jié)語

本文研究了超高壓柔性直流換流站換流區(qū)的平面布置優(yōu)化方案。從典型±350 kV 柔性直流換流站換流區(qū)主接線切入，以換流區(qū)常規(guī)布置方案為對(duì)照組，提出了換流變閥側(cè)匯流母線采用高位跨線、啟動(dòng)回路區(qū)開關(guān)測(cè)量設(shè)備采用HGIS、橋臂電抗采用二合一油浸式穿墻伸入閥廳內(nèi)的優(yōu)化方案。通過上述布置優(yōu)化，整個(gè)換流區(qū)的長(zhǎng)度減少了26.3 m，每極占地面積減少了1 315 m2，優(yōu)化比例達(dá)26%，為柔性直流換流站的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程建設(shè)提供借鑒。