青豫特高壓直流工程優(yōu)化提升方法綜述

丁永福

（國(guó)家電網(wǎng)有限公司直流建設(shè)分公司，北京 100052）

0 引言

青海-河南±800 kV 特高壓直流工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“青豫工程”）是貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記指示精神，為青海新能源開(kāi)發(fā)規(guī)劃的電力高速路，是全國(guó)乃至全世界第一條以清潔能源為主要電源的輸電大通道，是典型的“特高壓直流+清潔能源”工程[1]。作為新時(shí)代升級(jí)版樣板工程，從設(shè)計(jì)、設(shè)備、控保策略、現(xiàn)場(chǎng)建管等方面進(jìn)行了大量的優(yōu)化提升，采取了一系列措施，切實(shí)提高了工程可靠性，有效解決了新能源外送的需求[2]。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

青豫工程起于青海省海南州海南換流站，途徑青海、甘肅、陜西、河南等4 省，止于河南省駐馬店市駐馬店換流站，輸電電壓等級(jí)為±800 kV，輸送容量8 000 MW，線路總長(zhǎng)1 587 km，接地極線路全長(zhǎng)106.2 km，新建海南、駐馬店2 座換流站。工程送端接入750 kV 交流系統(tǒng)，受端換流站接入500 kV 交流系統(tǒng)。工程于2018 年11 月7日開(kāi)工建設(shè)，2020 年12 月30 日全面竣工投產(chǎn)。

海南換流站位于青海省海南藏族自治州共和縣，占地面積0.280 8 km2，與海南750 kV 變電站合址建設(shè)。全站共28 臺(tái)換流變（含4 臺(tái)備用，單臺(tái)容量415 MVA，750 kV 本期出線4 回，遠(yuǎn)期出線10 回，交流濾波器分為4 大組、18 小組，容性無(wú)功補(bǔ)償總量5 575 Mvar。裝設(shè)4 臺(tái)300 Mvar新一代調(diào)相機(jī)，通過(guò)升壓變壓器接入750 kV 交流濾波器大組母線。駐馬店換流站位于河南省駐馬店市上蔡縣，與駐馬店1 000 kV 交流變電站同址建設(shè)，占地面積0.193 km2。全站安裝28 臺(tái)（含4 臺(tái)備用）換流變壓器，單臺(tái)容量415 MVA，分段接入500 kV 交流系統(tǒng)。500 kV 出線本期4回，遠(yuǎn)期8 回、交流濾波器分位6 大組、20 小組，容性無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘? 600 Mvar[2]。

1.2 工程特點(diǎn)

一是在全面總結(jié)以往特高壓直流工程建設(shè)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，打造了新一代800 kV、8 000 MW 直流工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步提升關(guān)鍵環(huán)節(jié)的安全裕度，全面推進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，大幅提升運(yùn)行可靠性。

二是工程海拔高，建設(shè)難度大。送端換流站海拔達(dá)到了2 880 m，海拔3 000 m 以上線路約385 km，其中最高海拔4 300 m，工程沿線跨越了青藏高原、甘南無(wú)人區(qū)和秦嶺，極大增加了工程建設(shè)難度。

三是送端系統(tǒng)中以新能源為主，光伏發(fā)電占比高達(dá)85%。新能源發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，特高壓直流與新能源協(xié)調(diào)控制、大電網(wǎng)安全穩(wěn)定等系統(tǒng)問(wèn)題突出，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了更高的挑戰(zhàn)。

四是換流站與變電站合建。工程送、受端換流站均與變電站同址、同期建設(shè)，送端換流站同期建設(shè)4 臺(tái)300 Mvar 調(diào)相機(jī)。換流站與變電站、調(diào)相機(jī)需統(tǒng)一協(xié)調(diào)，接口一致、建設(shè)與管理的一致性使得工程難度增大。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

2.1 系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷能力提升

為進(jìn)一步提高工程可靠性，適應(yīng)新能源送出要求，工程采用了新一代特高壓直流輸電工程升級(jí)版系統(tǒng)方案，從設(shè)備選型、設(shè)計(jì)裕度提升、冷卻容量加強(qiáng)等方面，提高了額定容量輸送的運(yùn)行可靠性，同時(shí)為故障情況下提供更大的備用容量。系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷能力得到了進(jìn)一步提升。其中，過(guò)負(fù)荷能力為：長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷1.1 p.u.，2 h 過(guò)負(fù)荷1.2 p.u.，3 s 過(guò)負(fù)荷1.3 p.u.。相比于傳統(tǒng)直流工程2 h 過(guò)負(fù)荷1.05 p.u.，過(guò)負(fù)荷能力提升了15%，長(zhǎng)時(shí)間輸送功率提高10%，達(dá)到8 800 MW。表1 和圖1給出了過(guò)負(fù)荷能力與電壓、電流間的關(guān)系。

圖1 青豫工程青豫工程過(guò)負(fù)荷曲線

表1 青豫工程過(guò)負(fù)荷能力指標(biāo)

2.2 高海拔設(shè)備外絕緣優(yōu)化提升

青豫工程為第一個(gè)高海拔特高壓直流工程，設(shè)備外絕緣設(shè)計(jì)在總結(jié)常規(guī)500 kV 高海拔直流工程及特高壓工程外絕緣設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，補(bǔ)充開(kāi)展了一系列高海拔絕緣試驗(yàn)[3]。同時(shí)，首次在西藏高海拔基地對(duì)4 300 m 高海拔±800 kV 直流線路的電磁環(huán)境開(kāi)展了全電壓考核試驗(yàn)，為高海拔條件下極間距和對(duì)地距離選取提供了試驗(yàn)依據(jù)[4]。另外，首次在西寧高海拔試驗(yàn)室（海拔2 500 m）利用真型800 kV 閥側(cè)套管，開(kāi)展了空氣間隙試驗(yàn)研究，獲得了放電特性曲線，為高海拔閥廳空氣凈距配合提供了依據(jù)，進(jìn)一步完善了高海拔特高壓直流工程外絕緣設(shè)計(jì)配合，優(yōu)化提升了設(shè)備外絕緣性能。海南站換流變750 kV 網(wǎng)側(cè)套管和穿墻套管外絕緣統(tǒng)一按3 000 m 海拔修正[5]。

2.3 水冷系統(tǒng)優(yōu)化提升

青豫工程換流閥、調(diào)相機(jī)均有水冷系統(tǒng)，采用空冷塔+噴淋塔配置方式，以空冷為主，水冷為輔。針對(duì)青豫工程過(guò)負(fù)荷能力提升、高海拔等問(wèn)題，水冷系統(tǒng)從載流導(dǎo)體、電氣間隙及爬電距離、低壓電氣元件、儀表選型、主循環(huán)泵電機(jī)及空氣冷卻器電機(jī)等方面進(jìn)行了改進(jìn)，提升冷卻能力和設(shè)備可靠性。相較以往工程，空冷器的數(shù)量、單臺(tái)冷卻塔的換熱功率均有增加，閥冷系統(tǒng)的冷卻容量達(dá)到7 200 kW，調(diào)相機(jī)冷卻系統(tǒng)容量達(dá)到4 393 kW，冷卻容量提升了約20%。在最高環(huán)境溫度下，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，具備不少于30%的換熱冗余。

2.4 換流站消防系統(tǒng)升級(jí)

2.4.1 壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)

當(dāng)前換流變故障時(shí)有發(fā)生，故障后換流變?nèi)菀字?，?yán)重威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)的換流變消防設(shè)計(jì)多采用細(xì)水霧、水噴霧或者泡沫噴霧等作為自動(dòng)滅火系統(tǒng)，但是從換流變發(fā)生火災(zāi)后滅火的實(shí)際效果來(lái)看，水噴霧、細(xì)水霧等滅火系統(tǒng)難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的實(shí)體火災(zāi)，特別是著火后發(fā)生爆炸而導(dǎo)致的滅火系統(tǒng)失效。多起事故案例表明，現(xiàn)有消防設(shè)施撲滅變壓器油（高溫?zé)嵊停┗馂?zāi)較為困難，容易造成火災(zāi)范圍擴(kuò)大，增加災(zāi)后損失[6]。

CAFS（壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)）是利用泵組將泡沫液和水按設(shè)定比例混合，再通過(guò)空壓機(jī)等產(chǎn)氣裝置產(chǎn)出壓縮空氣后主動(dòng)注入泡沫混合液，精細(xì)化控制其混合比例及均勻度，讓其發(fā)泡成均勻細(xì)膩、穩(wěn)定的泡沫滅火劑，其系統(tǒng)原理如圖2所示。該系統(tǒng)具備用水量小，滅火性能高，降溫效果顯著，能有效防止復(fù)燃，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[7]。歐美等國(guó)家已經(jīng)率先研發(fā)并使用壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)作為大型戶(hù)外變壓器的滅火防護(hù)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，該系統(tǒng)能快速的把火焰撲滅、有效降溫并防止火災(zāi)復(fù)燃[8]。青豫工程為提高換流站消防能力首次配置CAFS。采取4 個(gè)換流器共用一套CAFS 方式，空壓機(jī)等核心原件采取雙套配置，采取固定噴淋、消防炮（高位布置）兩種出口方式，增加消防系統(tǒng)可靠性。改進(jìn)后CAFS 通過(guò)真火試驗(yàn)驗(yàn)證，2 min 內(nèi)可有效撲滅明火，青豫工程換流站CAFS 持續(xù)時(shí)間提高到1 h 以上。

圖2 CAFS 系統(tǒng)原理

2.4.2 新型高溫熔斷式換流變降噪裝置

換流變?cè)谶\(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生低頻噪音，按照環(huán)保要求，換流變都加裝BOX-IN 降噪裝置，用來(lái)吸音降噪。但是當(dāng)變壓器發(fā)生火災(zāi)時(shí)，包裹在變壓器周?chē)腂OX-IN 裝置會(huì)阻礙水或泡沫液進(jìn)入變壓器著火部位，影響消防滅火。為有效解決該問(wèn)題，青豫工程采用了新型高溫熔斷式換流變降噪裝置。該裝置配置3 種不同功能模塊，兼具火災(zāi)熔斷性、防爆性、泄爆性3 大特點(diǎn)?？稍诨馂?zāi)發(fā)生后溫度達(dá)到220～250 ℃時(shí)，熔斷模塊有效脫落，頂部模塊脫落時(shí)間≤90 s，前端脫落時(shí)間≤180 s。套管周邊的高強(qiáng)防爆模塊（防爆）可經(jīng)受峰值壓力為240 kPa 的沖擊波作用。常規(guī)消防模塊（泄爆）在經(jīng)受峰值壓力超過(guò)160 kPa 的沖擊波作用后，呈大塊狀脫落，能在設(shè)備發(fā)生爆炸時(shí)釋放內(nèi)部壓力，減小爆炸破壞力，同時(shí)有利于爆炸后消防滅火（圖3）。

圖3 消防模塊安裝示意

2.4.3 閥廳耐火能力提升

青豫工程閥廳采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，緊鄰換流變，換流變通過(guò)閥側(cè)穿墻套管與閥廳內(nèi)部設(shè)備相連，因此閥廳防火尤為重要。按照規(guī)范閥廳火災(zāi)危險(xiǎn)性分類(lèi)及耐火等級(jí)定義為：丁類(lèi)、（最低）二級(jí)。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018 年版）》規(guī)定，二級(jí)耐火等級(jí)閥廳鋼柱的燃燒性能和耐火極限為2.5 h。青豫工程在總結(jié)以往換流變火災(zāi)事故的基礎(chǔ)上，采取了一系列措施提升閥廳防火性能。受端駐馬店站采取傳統(tǒng)方式，在鋼柱上噴涂防火漆提升防火性能，送端海南站受高原低溫氣候影響，創(chuàng)新采用鋼柱外包防火板的方式，主要由龍骨、12 mm 厚纖維增強(qiáng)硅酸鹽板以及填充120 kg/m3巖棉組成，該措施防火隔熱性能及耐久性好，外觀光滑平整、不受季節(jié)和氣候的影響，閥廳鋼柱耐火極限均提升至3.0 h。此外針對(duì)屋面耐火性能薄弱的特點(diǎn)，增設(shè)了屋面降溫噴淋裝置，在火災(zāi)發(fā)生后，可手動(dòng)開(kāi)啟，對(duì)屋面進(jìn)行噴水降溫，以此來(lái)提升閥廳防火性能[9]。

2.5 閥廳封堵優(yōu)化提升

當(dāng)前換流變故障時(shí)有發(fā)生，故障后換流變?nèi)菀装l(fā)生著火、爆炸等情況。傳統(tǒng)的換流變閥側(cè)套管孔洞封堵設(shè)計(jì)大都采用150 mm 厚單層金屬面結(jié)構(gòu)巖棉復(fù)合防火板進(jìn)行封堵，該板的最高使用溫度為600～800℃。在高溫條件（碳?xì)浠鹧妫? 100℃）下，巖棉產(chǎn)生碳化，金屬面板發(fā)生變形，巖棉板間拼縫部位密封失效，火焰竄入，導(dǎo)致封堵系統(tǒng)失效[10]。多起事故案例表明，傳統(tǒng)封堵結(jié)構(gòu)，無(wú)法抵抗設(shè)備故障爆炸后產(chǎn)生的沖擊，難以阻擋火焰蔓延至閥廳內(nèi)。青豫工程創(chuàng)新采用防火封堵+抗爆板的封堵形式（圖4），外層抗爆板用來(lái)抵御設(shè)備爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，保護(hù)內(nèi)層防火封堵，內(nèi)層防火封堵用來(lái)耐火。內(nèi)層封堵結(jié)構(gòu)由100 mm不銹鋼面巖棉防火板、不銹鋼龍骨與100 mm 不銹鋼面硅酸鋁復(fù)合板組成，不銹鋼面硅酸鋁復(fù)合板相比于傳統(tǒng)巖棉防火板防火性能更佳，優(yōu)化后防火封堵耐火時(shí)間提升至3 h。該防火封堵結(jié)構(gòu)按照GB 23864—2009（選擇碳?xì)浠穑?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行4 h真火試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中封堵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)漏煙現(xiàn)象。

圖4 防火封堵、抗爆板剖面

外層抗爆板采用鋼結(jié)構(gòu)，梁柱為結(jié)構(gòu)支撐，鋼柱、鋼梁均為H 型鋼。梁柱兩側(cè)安裝不銹鋼抗沖擊板，其具體構(gòu)造組成為：不銹鋼主龍骨、不銹鋼輔龍骨、外面板、包邊板。青豫工程抗爆板安裝于閥側(cè)套管洞口外側(cè)，可有效抵抗設(shè)備故障爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊，抗爆板等效靜荷載超過(guò)10 kPa。

2.6 750 kV GIS 戶(hù)內(nèi)優(yōu)化布置

青豫工程送端站地處青藏高原，海拔高度平均在2 880 m，自然條件惡劣，氣候嚴(yán)寒，晝夜溫差較大，紫外線較強(qiáng)。青海地區(qū)戶(hù)外750 kV GIS設(shè)備在運(yùn)行期間，受年環(huán)境溫差（溫差可達(dá)60℃）和日環(huán)境溫差（溫差可達(dá)35 ℃）影響，母線筒體和內(nèi)部導(dǎo)體受熱脹冷縮應(yīng)力多次造成母線筒、盆式絕緣子、支撐絕緣子開(kāi)裂等故障，對(duì)設(shè)備及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行影響極大。青豫工程送端海南站750 kV 進(jìn)出線較多，GIS 主母線長(zhǎng)度730 m，為國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)GIS 母線，青豫工程首次采用750 kV GIS戶(hù)內(nèi)布置方式，切實(shí)解決了高海拔、大溫差地區(qū)GIS 運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題，同時(shí)有效改善了GIS 安裝環(huán)境，提高了750 kV GIS 設(shè)備安裝質(zhì)量。

2.7 模塊化組裝優(yōu)化提升

模塊化組裝是工業(yè)廠家按照設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)需求，在工廠加工生產(chǎn)出的預(yù)制部品部件，然后在施工的工地上進(jìn)行模塊化裝配。模塊化組裝預(yù)制部件在工廠加工，可批量生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)，有利于提高質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程具有速度快、施工人員少、噪音小、廢物廢水排放少等特點(diǎn)。青豫工程采用了大量模塊化組裝設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用了裝配式圍墻、裝配式電纜溝、裝配式散水、裝配式燈具基礎(chǔ)、裝配式保護(hù)帽等多種方案，既能有效縮短施工周期、減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)及維護(hù)量，又能提升工藝質(zhì)量，提高效率。

3 主設(shè)備可靠性提升措施

3.1 特高壓套管?chē)?guó)產(chǎn)化

青豫工程直流穿墻套管和換流變閥側(cè)套管實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化?！?00 kV，±400 kV，±800 kV 換流變閥側(cè)套管以及±150 kV，±400 kV，±800 kV 穿墻套管通過(guò)全套、嚴(yán)格的設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)和破壞性裕度試驗(yàn)，性能指標(biāo)優(yōu)良、工藝質(zhì)量穩(wěn)定。在青豫工程中實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用，從現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)和帶電調(diào)試情況看，國(guó)產(chǎn)化套管各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常，經(jīng)受了全電壓、大電流及過(guò)負(fù)荷等試驗(yàn)考核，運(yùn)行穩(wěn)定。換流變網(wǎng)側(cè)套管、閥側(cè)套管、穿墻套管通流能力較常規(guī)等級(jí)直流工程提高至1.2 倍以上，內(nèi)絕緣水平提高至1.2 倍以上[11]。

3.2 換流變現(xiàn)場(chǎng)組裝技術(shù)

以往工程換流變均在制造廠內(nèi)完成器身組裝后再運(yùn)至換流站，存在換流變器身尺寸和重量過(guò)大，運(yùn)輸困難等問(wèn)題，尤其是高端換流變，運(yùn)輸尺寸成為換流變絕緣裕度提高、容量提升的重大限制因素[11]。青豫工程海南換流站高端800 kV 換流變均采取現(xiàn)場(chǎng)組裝方式，在西寧檢修基地成功的開(kāi)展了7 臺(tái)800 kV 換流變現(xiàn)場(chǎng)組裝工作，相關(guān)設(shè)備均已通過(guò)出廠試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)，帶電調(diào)試全部正常，標(biāo)志著我國(guó)全面攻克了特高壓換流變現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模組裝技術(shù)和高海拔環(huán)境下的制造工藝控制難題。設(shè)備尺寸將不受運(yùn)輸限制，絕緣裕度更大。通過(guò)高海拔地區(qū)換流變現(xiàn)場(chǎng)組裝，研究總結(jié)了增加熱油循環(huán)期間加電沖洗、靜放期間在儲(chǔ)油柜施加靜壓力促進(jìn)浸油的措施，提升了工藝處理的可靠性，填補(bǔ)了高海拔地區(qū)換流變制造及現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量工藝標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 核心設(shè)備優(yōu)化提升措施

3.3.1 換流變

青豫工程送端換流變首次采用雙柱750 kV端部軸向出線，并在油箱內(nèi)部并聯(lián)引出的出線方式，換流變網(wǎng)側(cè)出線區(qū)域等關(guān)鍵部位的絕緣水平提高至1.3 倍以上；換流變溫升限值嚴(yán)格按照2 h 1.2 p.u.過(guò)負(fù)荷功率在最高環(huán)境溫度并按海拔3 000 m 修正考慮，在箱底、箱蓋處增加磁屏蔽，確保產(chǎn)品的溫升滿(mǎn)足要求。同時(shí)提高了送受端換流變的設(shè)計(jì)容量，受端容量同送端保持一致，均為415 MVA，提高約1.1 倍。所有換流變分接開(kāi)關(guān)都采用的新型4 真空泡結(jié)構(gòu)或改進(jìn)型雙真空泡結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了核心部件質(zhì)量，提高了運(yùn)行可靠性。

3.3.2 換流閥

青豫工程相對(duì)以往的±800 kV/8 GW 直流輸電工程有更高的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行能力，2 h 過(guò)負(fù)荷從以往的1.05 p.u.提升至1.2 p.u.。換流閥采用5 500 A/8 500 V 晶閘管，相較以往工程，晶閘管的通流能力從5 000 A 提升至5 500 A，通流能力提升約10%；電流提升的同時(shí)，晶閘管通態(tài)壓降小幅下降，從1.82 V 降低至1.81 V，使得過(guò)負(fù)荷工況下?lián)Q流閥損耗得到有效控制。針對(duì)送端換流站高海拔特點(diǎn)，開(kāi)展了閥層間間隙U50 試驗(yàn)和閥模塊U50 試驗(yàn)，獲得了詳細(xì)閥模塊外絕緣裕度數(shù)據(jù)，對(duì)外絕緣空氣凈距進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和修正，提高了換流閥運(yùn)行可靠性。

3.3.3 直流控保系統(tǒng)

青豫工程在總結(jié)以往工程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化完善，提升了控保系統(tǒng)的可靠性及標(biāo)準(zhǔn)化程度。采用交流濾波器大組母線、交流濾波器小組配置保護(hù)裝置，提升了保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化程度?？乇３绦蚣嫒菔芏私涣飨到y(tǒng)分裂及合環(huán)運(yùn)行，滿(mǎn)足了母聯(lián)斷路器位置變化下的不同無(wú)功策略需求。新增通過(guò)PMU（向量測(cè)量單元）將直流控制保護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)上送國(guó)調(diào)的功能，強(qiáng)化了控保系統(tǒng)與PMU接口聯(lián)系。調(diào)相機(jī)后臺(tái)與直流控制保護(hù)系統(tǒng)后臺(tái)合二為一，方便運(yùn)維人員在同一操作界面同時(shí)監(jiān)視調(diào)相機(jī)及換流站的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，大大提升運(yùn)維的便捷性。

3.3.4 罐式斷路器

青豫工程濾波器場(chǎng)斷路器相比以往工程，在設(shè)備試驗(yàn)中補(bǔ)充了機(jī)械壽命、密封試驗(yàn)、殼體強(qiáng)度等試驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)進(jìn)行了“1 輪型式試驗(yàn)+4 輪裕度試驗(yàn)”共5 輪C2 級(jí)試驗(yàn)嚴(yán)格考核，進(jìn)一步提高了設(shè)備的安全性和可靠性。

4 控制保護(hù)策略?xún)?yōu)化措施

為適應(yīng)清潔能源外送，提高系統(tǒng)可靠性，青豫直流在控制保護(hù)策略方面采取了一系列優(yōu)化提升措施。

4.1 分接開(kāi)關(guān)控制策略?xún)?yōu)化

分接開(kāi)關(guān)是換流變的核心部件，其可靠運(yùn)行對(duì)于換流變極其重要。當(dāng)前換流變發(fā)生的故障事故中，有很大一部分是因?yàn)榉纸娱_(kāi)關(guān)故障引起的，直接影響設(shè)備安全和電網(wǎng)穩(wěn)定[13]。青豫工程創(chuàng)新采用送端換流閥大角度運(yùn)行策略和受端換流站定直流電壓策略：送端換流閥穩(wěn)態(tài)運(yùn)行觸發(fā)角范圍為10～25°，受端熄弧角穩(wěn)態(tài)范圍為19.5±2°。在交流電壓波動(dòng)或直流功率調(diào)整時(shí)，送端觸發(fā)角、受端熄弧角均有一定調(diào)整空間，優(yōu)先調(diào)整角度，當(dāng)角度調(diào)整達(dá)到限制后，再調(diào)整分接開(kāi)關(guān)。該優(yōu)化可顯著減少換流變分接頭動(dòng)作次數(shù)。尤其是對(duì)送端換流變，傳統(tǒng)控制方式直流系統(tǒng)功率從0.1 p.u.至1.0 p.u.上升過(guò)程中，分接頭逐漸升高，按照額定交流電壓計(jì)算，雙極全壓時(shí)分接頭需動(dòng)作13次，而采用優(yōu)化策略后，雙極全壓時(shí)分接頭只需動(dòng)作3 次。根據(jù)青豫工程現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果，直流功率從0.1 p.u.升至約0.7 p.u.時(shí)，分接開(kāi)關(guān)保持不變，當(dāng)功率超過(guò)0.7 p.u.，觸發(fā)角達(dá)到限制后，分接開(kāi)關(guān)才開(kāi)始動(dòng)作，有效降減少了分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)，提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.2 電流控制器優(yōu)化策略

青豫工程以輸送清潔能源為主，而送端新能源基地近區(qū)網(wǎng)架支撐比較薄弱，系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}嚴(yán)重制約直流輸送能力。青豫工程創(chuàng)新采用電流控制器優(yōu)化策略（圖5），設(shè)計(jì)了根據(jù)電流變化趨勢(shì)動(dòng)態(tài)調(diào)整PI 參數(shù)的電流控制器優(yōu)化策略，可抑制故障電流增大，避免直流電流中斷，以此改善換相失敗期間送端系統(tǒng)的低電壓和過(guò)電壓現(xiàn)象[14]。

圖5 電流控制器優(yōu)化策略原理

該優(yōu)化策略將直流電流實(shí)測(cè)值ID與IORD指令值進(jìn)行比較，除判斷二者的大小外，同時(shí)判斷電流變化趨勢(shì)，即di/dt 方向，將電流控制器的控制分為四個(gè)象限，動(dòng)態(tài)調(diào)整PI 參數(shù)，使得電流控制器調(diào)節(jié)更加合理。在青豫工程系統(tǒng)調(diào)試中，開(kāi)展了逆變側(cè)交流線路故障試驗(yàn)。雙極低端閥組運(yùn)行，母聯(lián)合位，雙極功率0.2 p.u.（800 MW）。雙極功率控制，極一不帶策略，極二帶策略，逆變側(cè)交流線路C 相接地故障。極一、極二初始電流均為1 000 A。故障期間，極一最高電流3 500 A，極二最高3 200 A；極一最低電流5 A，極二最低電流400 A。系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)證明，電流控制器優(yōu)化策略對(duì)于降低故障期間的電流峰值、避免電流中斷的改善作用較為明顯（圖6）。

圖6 電流控制器優(yōu)化策略現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形

4.3 新增單極閉鎖快切交流濾波器

青豫工程為快速抑制單極閉鎖時(shí)無(wú)功過(guò)剩引起的換流站交流過(guò)電壓，增加了單極閉鎖快切交流濾波器的策略。直流系統(tǒng)單極閉鎖時(shí)，綜合判斷健全極功率轉(zhuǎn)帶情況，快速切除與單極閉鎖損失有功功率相匹配的交流濾波器，且剩余濾波器數(shù)量滿(mǎn)足健全極最小和絕對(duì)最小濾波器需求，完成時(shí)間在150 ms 以?xún)?nèi)。從試驗(yàn)波形和結(jié)果對(duì)比可以看出該策略有利于抑制交流過(guò)電壓（圖7，圖8，表2）。

圖7 傳統(tǒng)控制策略電壓變化

圖8 快切控制策略電壓變化

表2 傳統(tǒng)切除濾波器策略與快速切除濾波器策略對(duì)比kV

4.4 調(diào)相機(jī)控制策略?xún)?yōu)化

傳統(tǒng)換流站調(diào)相機(jī)和換流器為獨(dú)立控制，聯(lián)系很少。青豫工程把直流的運(yùn)行功率傳輸至調(diào)相機(jī)DCS 系統(tǒng)，調(diào)相機(jī)可基于直流的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)了調(diào)相機(jī)與直流控保的協(xié)調(diào)控制。直流小功率時(shí)，調(diào)相機(jī)按照進(jìn)相方式運(yùn)行，以適當(dāng)控制換流母線電壓水平，也為換流站解鎖和低功率運(yùn)行時(shí)無(wú)功過(guò)剩提供補(bǔ)償。直流功率提升后，適當(dāng)增加調(diào)相機(jī)無(wú)功出力，保證換流母線電壓，補(bǔ)償潮流匯集時(shí)交流系統(tǒng)無(wú)功消耗，也為直流閉鎖后穩(wěn)態(tài)電壓控制提供支持。每臺(tái)調(diào)相機(jī)的無(wú)功出力按圖9 所示參考值進(jìn)行控制。

圖9 調(diào)相機(jī)無(wú)功參考值

調(diào)相機(jī)控制策略?xún)?yōu)化后，加強(qiáng)了調(diào)相機(jī)與直流系統(tǒng)的聯(lián)系，可以更加充分利用調(diào)相機(jī)無(wú)功快速調(diào)節(jié)特點(diǎn)，有利用調(diào)節(jié)新能源功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的擾動(dòng)。

5 新一代調(diào)相機(jī)特性及對(duì)新能源外送的作用

5.1 新一代調(diào)相機(jī)基本情況

青豫工程是世界首條以輸送清潔能源為主的輸電大通道，其送端海南站和送出線路處于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電廣泛分布的偏遠(yuǎn)地區(qū)，新能源裝機(jī)容量大、配套常規(guī)電源容量較小、電壓支撐能力相對(duì)較弱、短路容量不足等問(wèn)題突出。青豫工程輸送能力嚴(yán)重依賴(lài)于送端近區(qū)常規(guī)電源的開(kāi)機(jī)方式，直接影響了清潔能源消納和電網(wǎng)運(yùn)行方式的靈活性；同時(shí)換流站近區(qū)匯集大規(guī)模風(fēng)電、光伏等新能源，直流故障例如雙極閉鎖或換相失敗時(shí)，將導(dǎo)致?lián)Q流站及其附近750 kV 變電站暫態(tài)電壓劇烈變化，很容易導(dǎo)致新能源機(jī)組大面積脫網(wǎng)，嚴(yán)重威脅新能源發(fā)電和送端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，限制了新能源外送和消納能力。

為解決青豫工程直流送端動(dòng)態(tài)無(wú)功供給不足和電壓支撐能力較弱的突出問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)直流大規(guī)模有功輸送，須匹配大規(guī)模動(dòng)態(tài)無(wú)功，即“大直流輸電、強(qiáng)無(wú)功支撐”。青豫工程送端海南換流站配備4 臺(tái)新一代調(diào)相機(jī)。作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備，此類(lèi)新型調(diào)相機(jī)是基于電磁響應(yīng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功電源，通過(guò)核心電磁參數(shù)優(yōu)化以及過(guò)負(fù)荷、耐沖擊能力特殊設(shè)計(jì)，在電網(wǎng)故障時(shí)能夠自主提供大容量的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率。與SVC（靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置）、STATCOM（靜止同步補(bǔ)償器）等傳統(tǒng)基于電力電子技術(shù)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，既能為系統(tǒng)提供短路容量，又具有更好的無(wú)功出力特性，在降低直流送端暫態(tài)過(guò)電壓、抑制直流受端換相失敗、減少送端電網(wǎng)近區(qū)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)等方面具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。新一代調(diào)相機(jī)在設(shè)備維護(hù)、技術(shù)特性等方面進(jìn)行了大幅改進(jìn)完善，充分適應(yīng)在高海拔地區(qū)的運(yùn)行需求。

5.2 新一代調(diào)相機(jī)性能參數(shù)

青豫工程調(diào)相機(jī)是在首批調(diào)相機(jī)設(shè)計(jì)及成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，為滿(mǎn)足調(diào)相機(jī)高海拔、深度進(jìn)相運(yùn)行、適應(yīng)清潔能源外送要求下，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)的新一代調(diào)相機(jī)。相對(duì)于首批調(diào)相機(jī)工程，其性能指標(biāo)得到了進(jìn)一步的提升（表3）。

表3 青豫工程調(diào)相機(jī)性能指標(biāo)對(duì)比

新一代調(diào)相機(jī)為高海拔深度進(jìn)相新型調(diào)相機(jī)，無(wú)功功率調(diào)節(jié)范圍-250～300 Mvar，調(diào)相機(jī)定轉(zhuǎn)子均采取空氣冷卻，適用于平原和高原地區(qū),滿(mǎn)足3 000 m 高海拔地區(qū)運(yùn)行需求。采用自并勵(lì)靜態(tài)勵(lì)磁方式，強(qiáng)勵(lì)時(shí)間為15 s，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)電壓可達(dá)3.5，電流可達(dá)2.5，短時(shí)過(guò)載能力突出，可有效改善電網(wǎng)突發(fā)故障下電壓產(chǎn)生的瞬間波動(dòng)。

新一代調(diào)相機(jī)進(jìn)行了電磁參數(shù)深度優(yōu)化，在維持調(diào)相機(jī)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的基礎(chǔ)上大幅提高調(diào)相機(jī)的進(jìn)相深度，相對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)相機(jī)-150 Mvar進(jìn)相能力，新一代調(diào)相機(jī)進(jìn)相深度提升至-250 Mvar，提高了67%，能夠更大范圍的調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，有利于新能源外送。

新一代調(diào)相機(jī)對(duì)電磁方案的損耗進(jìn)行了優(yōu)化，降低了定子損耗，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子截面進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，增加了散熱能力，提高了調(diào)相機(jī)高海拔環(huán)境運(yùn)行能力。此外對(duì)整體外觀進(jìn)行了提升，對(duì)頂罩形式、螺栓把合、軸承管線、隔音罩空間等進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高了現(xiàn)場(chǎng)安裝及后期運(yùn)維便利性。

5.3 新一代調(diào)相機(jī)對(duì)新能源外送的作用

新一代調(diào)相機(jī)對(duì)抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng)具有明顯作用，可有效提升新能源輸送能力。以青豫工程輸送8 000 MW 為例，當(dāng)直流發(fā)生連續(xù)三次換相失敗時(shí)作為試驗(yàn)條件，通過(guò)仿真試驗(yàn)表明，在4臺(tái)調(diào)相機(jī)的作用下，可將近區(qū)風(fēng)機(jī)暫態(tài)過(guò)電壓降低至1.3 p.u.以下，并降低換流母線暫態(tài)過(guò)電壓46 kV，約6.1%。對(duì)解決新能源外送中系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}效果顯著（圖10，圖11）。

圖10 調(diào)相機(jī)對(duì)新能源暫態(tài)過(guò)電壓影響

圖11 調(diào)相機(jī)對(duì)換流站暫態(tài)過(guò)電壓影響

海南站4 臺(tái)調(diào)相機(jī)可向系統(tǒng)提供約4.09 kA短路電流，在正常運(yùn)行方式下，可減少換相失敗導(dǎo)致的電壓波動(dòng)，有效抑制直流故障后近區(qū)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)問(wèn)題。同時(shí)可置換送端常規(guī)機(jī)組開(kāi)機(jī)，提高新能源外送能力，仿真研究表明，調(diào)相機(jī)投入運(yùn)行后，每臺(tái)調(diào)相機(jī)可增加500 MW 新能源輸送，青豫工程4 臺(tái)調(diào)相機(jī)累計(jì)可增加2 000 MW 新能源輸送能力。

6 結(jié)論

青豫特高壓直流工程作為首個(gè)以輸送清潔能源為主的工程，以打造新時(shí)代升級(jí)版樣板工程為宗旨，從工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、控保策略等方面進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化提升，從現(xiàn)場(chǎng)施工、調(diào)試及現(xiàn)階段運(yùn)行情況看，這些措施對(duì)促進(jìn)新能源外送消納和提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等方面具有良好效果。