高壓直流輸電系統(tǒng)多端化改造關(guān)鍵技術(shù)

董言樂，張?zhí)忑?，魯翔，劉欣，徐自閑，孟軒

(1. 中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣州510663；2. 電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京100120)

0 引言

多端直流輸電系統(tǒng)是指含有多個整流站或/和多個逆變站的直流輸電系統(tǒng)[1 - 4]。其最顯著的特點在于能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點受電，提供一種更為靈活的輸電方式[5 - 10]。

傳統(tǒng)的兩端直流僅能實現(xiàn)點對點的功率傳輸，無法實現(xiàn)多個區(qū)域電網(wǎng)間的互聯(lián)，因此在由大規(guī)模電源送出且受端多點分散接入、分布在不同區(qū)域的風(fēng)電等新能源輸送到遠(yuǎn)方負(fù)荷中心、直流輸電線路中間分支接入負(fù)荷或電源等場景下，采用多端直流輸電系統(tǒng)運行更為靈活、對線路走廊的利用更加充分、經(jīng)濟(jì)性更好。

我國近年來多端直流工程發(fā)展迅速[11 - 13]、類型多樣，對于優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)清潔能源開發(fā)和消納具有重要作用?！笆濉焙笃?，為實現(xiàn)水電資源的充分利用和優(yōu)化配置，推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，我國逐步加強(qiáng)水火互濟(jì)的輸電通道規(guī)劃和建設(shè)[14 - 15]。因此，在線路走廊緊張地區(qū)，利用原有兩端常規(guī)直流通道進(jìn)行三端甚至多端化改造，其系統(tǒng)設(shè)計與工程實踐具有重大意義。

1 多端直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功率傳輸模式

多端直流系統(tǒng)最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括并聯(lián)型和串聯(lián)型，對于某些特殊場合，既有并聯(lián)又有串聯(lián)的混聯(lián)式多端直流輸電系統(tǒng)也有可能得到應(yīng)用。目前國內(nèi)外進(jìn)入工程應(yīng)用的高壓大容量多端直流輸電系統(tǒng)均采用并聯(lián)型拓?fù)浣泳€。并聯(lián)型多端直流輸電系統(tǒng)的特點是各換流站均在一個基本相同的直流電壓下運行，直流電壓由其中一個換流站控制，換流站間有功功率的分配和調(diào)整主要通過改變換流站的直流電流來實現(xiàn)。

已有換流站A和B構(gòu)成的雙端直流輸電系統(tǒng)，新建換流站C以及相應(yīng)直流線路，可以形成三端并聯(lián)型直流系統(tǒng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。這樣換流站A、C之間輸送功率時，可以利用原有的A、B直流通道。類似地，也可以拓展成三端以上的直流系統(tǒng)。

圖1 雙端改造為三端直流系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of transformation from two-terminal to three-terminal DC system

理論上講，對于任一換流站均可自由控制功率流向的n端直流輸電系統(tǒng)的功率傳輸模式種類數(shù)為f(n)，則：

(1)

實際上，各換流站在系統(tǒng)中的功能定位不同，往往有些換流站只存在特定的功率傳輸方式，如電源匯入點的換流站只以整流模式送出功率或負(fù)荷中心的換流站只以逆變模式吸收功率。對于含有m個單向功率傳輸換流站的n端直流輸電系統(tǒng)，

(2)

多端直流系統(tǒng)隨著換流站數(shù)量(直流接入點)的增加，功率傳輸模式迅速增多，具體到直流運行方式則更為復(fù)雜多變，為系統(tǒng)運行帶來了更大的靈活性，當(dāng)然也對控制保護(hù)系統(tǒng)帶來了嚴(yán)峻考驗。另外，多端直流系統(tǒng)畢竟和直流電網(wǎng)不同，其可靠性也會隨著換流站數(shù)量的增加、系統(tǒng)復(fù)雜度的增加和降低。因此，目前世界上現(xiàn)有的常規(guī)多端高壓直流系統(tǒng)，多數(shù)是以三端和兩端模式在運行。例如魁北克-新英格蘭(Quebec-New England)五端直流輸電工程，通常狀態(tài)下保持Radisson、Nicolet和Sandy Pond換流站雙極三端運行，在Radisson或Sandy Pond換流站中斷運行時，則保持Comerford和Des Cantons換流站雙極兩端運行[16 - 17]。

本文的研究基于南方電網(wǎng)云貴互聯(lián)通道工程，是我國首個利用原有常規(guī)直流輸電通道(高肇直流)進(jìn)行三端化改造的±500 kV直流輸電工程。高肇直流輸電工程西起貴州高坡?lián)Q流站，東止于廣東肇慶換流站，雙極額定輸送容量3 GW，于2004年投產(chǎn)。云貴互聯(lián)通道工程新建云南祿勸換流站和±500 kV線路388.8 km，同時對高肇直流進(jìn)行改造，組成三端直流系統(tǒng)。

其主要功率傳輸模式為：

貴州+云南→廣東、云南→貴州+廣東(3端)；

云南→廣東、云南→貴州、貴州→廣東(2端)。

其直流運行方式有9種，分別為：

1)雙極平衡運行方式；

2)單極大地回路運行方式；

3)單極金屬回路運行方式；

4)云南、廣東雙極，貴州單極大地回路運行方式；

5)云南、貴州雙極，廣東單極大地回路運行方式；

6)廣東、貴州雙極，云南單極大地回路運行方式；

7)云南雙極，廣東正(負(fù))極、貴州負(fù)(正)極大地回路運行方式；

8)廣東雙極，云南正(負(fù))極、貴州負(fù)(正)極大地回路運行方式；

9)降壓運行方式。

2 基于直流高速開關(guān)的中間站改造

2.1 接線與功能

貴州高坡站作為三端直流匯流站，直流出線2回，分別至云南祿勸站和廣東肇慶站。為了實現(xiàn)直流系統(tǒng)的第三站在線投退及直流線路故障隔離，提高整個直流系統(tǒng)的可靠性和可用率，高坡站的直流雙極極母線、至肇慶、祿勸出線側(cè)均配備裝設(shè)了500 kV直流高速開關(guān)(HSS)。

根據(jù)實際工程需要，改造后的三端直流存在“云南和貴州向廣東送電(二送一)”、“云南向貴州和廣東送電(一送二)”運行模式。可見，高坡站既可以作為送端整流站，也可以作為受端逆變站，由于電流方向不變，要通過控制直流電壓的極性來控制功率流向，因此在該站要設(shè)置直流極性轉(zhuǎn)換開關(guān)。

綜上，高坡站直流場需新增6臺500 kV直流高速開關(guān)和18臺500 kV直流隔離開關(guān)等高壓直流電氣設(shè)備。改造后高坡站直流場電氣接線如圖2所示。

圖2 直流高速開關(guān)配置示意圖Fig.2 DC high-speed switch configuration

其中，直流高速開關(guān)主要有以下3個方面作用：

1)直流系統(tǒng)運行于三端模式，需要進(jìn)行檢修或站內(nèi)發(fā)生故障等情況下，退出對應(yīng)端換流站，直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)為兩端模式；

2)直流系統(tǒng)運行于兩端模式，需要將已退出的換流站重新投入運行，直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)為三端模式；

3)發(fā)生直流線路永久故障或檢修，送端換流站快速移相、直流線路電流降為零后，通過斷開HSS1和HSS3實現(xiàn)直流線路故障隔離。

2.2 設(shè)備研發(fā)

直流高速開關(guān)是在直流550 kV電壓等級直流母線快速開關(guān)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的[18 - 19]，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters

開關(guān)整體外形呈“T”形布置。每臺開關(guān)為雙斷口結(jié)構(gòu)，包括滅弧室、均壓電容、軀殼、均壓環(huán)、支柱、機(jī)構(gòu)、二次控制柜，開關(guān)每極配用一臺液壓碟簧操動機(jī)構(gòu)，每臺開關(guān)配用一個控制柜，其外形如圖3所示。

圖3 直流高速開關(guān)實物圖Fig.3 Physical diagram of DC high-speed switch

3 場地受限的直流場改造

改造前高坡站直流出線1回，直流場采用典型極對稱接線，每極配置2組直流濾波器。直流場采用中型布置，直流濾波器布置在每極極母線與中性母線之間，電氣平面布置見圖4(a)。

圖4 高坡?lián)Q流站直流場改造前后平面布置圖Fig.4 Layout diagram of DC yard of Gaopo converter station before and after reconstruction

改造需要新增大量高壓直流電氣設(shè)備，這些設(shè)備在前期工程設(shè)計中未預(yù)留位置，按常規(guī)擴(kuò)建思路需要在圍墻外新征用地，但是本站外部沒有擴(kuò)建條件。因此，需重點研究場地受限的直流場改造方案，一方面在滿足安全的條件下對新增設(shè)備外形尺寸進(jìn)行優(yōu)化，另一方面對原有設(shè)備配置和布置進(jìn)行合理調(diào)整。

結(jié)合站址環(huán)境條件，為節(jié)省布置空間，新增的500 kV直流隔離開關(guān)采用雙柱伸縮式、地刀為伸縮式；直流高速開關(guān)設(shè)備長度由8 500 mm降為8 210 mm；結(jié)合直流極線耦合電容器設(shè)備高度由9 182 mm降為8 712 mm，均壓環(huán)外徑由3 500 mm縮小為2 600 mm。

另外，為了給圍墻內(nèi)改建提供有利條件，根據(jù)系統(tǒng)研究結(jié)果，每極拆除一組靠極線側(cè)直流濾波器，其電容器單元串入保留的直流濾波器組C1電容器塔低壓端；接地極監(jiān)視系統(tǒng)改用基于高頻脈沖反射方式的技術(shù)方案，不再采用需增加阻斷濾波器、注入濾波器、注入變壓器等設(shè)備的注入電流方式；將直流極性轉(zhuǎn)換開關(guān)布置在雙極極母線直流高速開關(guān)和金屬回線之間，極性轉(zhuǎn)換回路采用軟導(dǎo)線跨線布置在中性線設(shè)備上方。

基于上述方法和措施，可以最大程度地提高空間利用率，完成圍墻內(nèi)直流場改造的創(chuàng)舉。改造后平面布置圖如圖4(b)所示。

4 三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)建設(shè)項目呈現(xiàn)出復(fù)雜化、集成化、龐大化的特點，三維協(xié)同設(shè)計、仿真虛擬技術(shù)的應(yīng)用將發(fā)揮重要作用。本項目的研究主要基于Revit軟件平臺，可高效地結(jié)合三維模型和二維平面，利用共享屬性信息實現(xiàn)二維標(biāo)注的關(guān)聯(lián)， 實現(xiàn)了模型平面、立面、剖面的信息高效聯(lián)動，其直觀化、形象化、精確化[20 - 22]特點，有助于提高設(shè)計水平和工作效率。

4.1 電氣安全凈距校驗

高坡?lián)Q流站直流場設(shè)備布置緊湊，存在多處電氣安全凈距控制敏感點。比如直流極性轉(zhuǎn)換回路切線和另外一極帶電體之間需滿足11 m空氣凈距要求，如圖5所示。由于布置空間受限，極線耦合電容器、融冰隔離開關(guān)至周邊設(shè)施之間空氣凈距緊張等。采用三維可視化手段對帶電設(shè)備及導(dǎo)體開展電氣安全凈距校驗，并對相關(guān)布置進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，提高了設(shè)計精度和安全性。

圖5 直流極性轉(zhuǎn)換回路電氣安全凈距校驗Fig.5 Verification of electrical safety clearance of DC polarity conversion circuit

4.2 綜合碰撞檢查

對于復(fù)雜的換流站改造項目，對直流場區(qū)域地下基礎(chǔ)、電纜溝等設(shè)備模型進(jìn)行三維硬碰撞檢查，可以最大程度地降低工程建設(shè)中可能出現(xiàn)的碰撞隱患，如圖6所示。直流場改建最大化利用前期電纜溝和道路設(shè)施，采用三維手段校驗設(shè)備布置，盡量避免新設(shè)備及架塔基礎(chǔ)開挖過程中對已有電纜溝及道路設(shè)施造成損壞。由于三維模型的唯一性、可視化、協(xié)同性，實現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計成果的同步更新與完善，避免施工時出現(xiàn)設(shè)計變更及返工，縮短項目周期，降低項目建設(shè)成本。

圖6 綜合碰撞檢查界面Fig.6 Clash detective interface

4.3 三維可視化支持

對高坡?lián)Q流站直流場可以建立改造前后的三維數(shù)字化成品，如圖7所示。配合數(shù)據(jù)庫支持，可以如在現(xiàn)場般觀察、測量設(shè)備、建構(gòu)筑物、地下設(shè)施的定位及相對位置關(guān)系，更直觀地展示直流場改造方案和前后對比差異。

圖7 高坡?lián)Q流站直流場改造前后的三維數(shù)字化對比Fig.7 Three dimensional digital comparison of DC field of Gaopo converter station before and after reconstruction

5 結(jié)論

針對兩端常規(guī)直流輸電系統(tǒng)的多端化改造問題，本文研究了多端直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率傳輸模式，根據(jù)實際需求和條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性確定改造后的直流運行方式。

本文提出了一種基于新型直流高速開關(guān)設(shè)備的中間換流站改造方法。在前期工程無預(yù)留位置、站外無擴(kuò)建條件的約束條件下，通過采取優(yōu)化設(shè)備外形尺寸、配置方案、布置方式等措施，最大程度地提高空間利用率，完成圍墻內(nèi)直流場改造的創(chuàng)舉。另外，研究和設(shè)計實踐證實了在直流系統(tǒng)多端化改造工程中采用三維設(shè)計的技術(shù)優(yōu)勢。本研究基于國內(nèi)首個利用原有直流輸電通道進(jìn)行三端改造的直流輸電工程，其系統(tǒng)設(shè)計與工程實踐具有典型意義。