特高壓變電站直流系統(tǒng)配置方案及優(yōu)化

李露露，趙世芳

（1.國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250118；2.國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261000）

0 引 言

特高壓變電站直流系統(tǒng)的基礎(chǔ)是直流輸電技術(shù)。與傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢。通過直流輸電，能夠減少輸電損耗并提高電能傳輸效率，特別適用于長距離和大容量的電能傳輸。特高壓變電站直流系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠更好地適應(yīng)電網(wǎng)負荷變化和電力供應(yīng)需求。特高壓直流輸電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。特高壓變電站直流系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分包括換流站和輸電線路。其中：換流站負責(zé)將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，實現(xiàn)電能的傳輸和分配；輸電線路負責(zé)將直流電能從發(fā)電站傳輸至用戶終端，完成電力傳輸?shù)娜蝿?wù)。特高壓變電站直流系統(tǒng)應(yīng)用了直流斷路器、電流互感器、電壓互感器等設(shè)備，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行[1]。

圖1 特高壓直流輸電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

1 工程概況

H市某1 000 kV特高壓變電站具有2組額定容量為3 000 MVA的主變壓器，1 000 kV與500 kV出線都為10回，采用一個半斷路器接線，配置有混合式氣體絕緣封閉組合電器（Hybrid Gas Insulated Switchgear，HGIS）設(shè)備，主變低壓側(cè)應(yīng)用110 kV雙分支單母線接線。二次設(shè)備采用保護下放布置模式，除了設(shè)置計算機監(jiān)控系統(tǒng)站控層并集中布置于主控通信樓，剩余間隔層設(shè)備和機電保護設(shè)備都布置在配置有1 000 kV配電設(shè)備、500 kV配電設(shè)備、主變以及110 kV配電設(shè)備的繼電器室內(nèi)。此外，按照全站規(guī)模，共計設(shè)置4個就地繼電器室。

2 特高壓變電站直流系統(tǒng)配置方案優(yōu)化方式

2.1 換流技術(shù)優(yōu)化

諧波濾波型換流器是一種擁有特殊設(shè)計的直流系統(tǒng)換流器，主要特點是能夠有效過濾諧波電流，降低系統(tǒng)的諧波水平。諧波濾波型換流器由多級濾波單元組成，每個濾波單元都包含電感和電容，用于限制和衰減諧波電流。為實現(xiàn)諧波濾波型換流器的最佳性能，在對配置方案進行優(yōu)化時，需要優(yōu)化濾波單元的參數(shù)，通過系統(tǒng)仿真和試驗分析，確定濾波單元的電感和電容數(shù)值范圍，再通過優(yōu)化算法和優(yōu)選方法，確定每個濾波單元的最佳參數(shù)取值，從而實現(xiàn)對諧波的有效濾波和衰減。諧波濾波型換流器的濾波器拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計對系統(tǒng)性能具有重要影響。在配置方案優(yōu)化過程中，需要綜合考慮濾波單元的串并聯(lián)組合方式、濾波器的阻抗特性以及濾波器與其他系統(tǒng)元件的匹配關(guān)系等因素，設(shè)計能夠滿足系統(tǒng)要求的最佳濾波器拓撲結(jié)構(gòu)。在控制策略優(yōu)化中，需要考慮諧波電流的檢測與監(jiān)測、濾波器的開關(guān)控制和諧波電流的反饋控制等因素，采用合理的設(shè)計控制策略，實現(xiàn)對諧波電流的準確控制和濾波效果最優(yōu)化[2]。

2.2 輸電線路布局優(yōu)化

在原有的輸電線路布局方案中，需要在地形復(fù)雜的地區(qū)進行大量的土建工程，建設(shè)成本較高，且直線與弧形的布局需要較長的輸電走廊，占地面積較大，對土地資源的占用較為嚴重，同時無法充分利用地理條件，造成線路長度增加，增加了輸電線路損耗?；谠摫尘?，為實現(xiàn)對輸電線路布局的優(yōu)化，可采取以下措施。

（1）基于地貌特征的優(yōu)化。根據(jù)地區(qū)的地貌特征，選擇合適的線路布局方式，采用跨越方式布置線路，減少對地表的影響，同時提高輸電線路的穩(wěn)定性和安全性。

（2）基于電力需求的優(yōu)化。根據(jù)電力需求的分布情況，合理安排輸電線路的布局，在電力需求較高的地區(qū)設(shè)置多條輸電線路，實現(xiàn)電力的分流和均衡供應(yīng)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

（3）基于輸電效率的優(yōu)化。通過合理選擇輸電線路的長度和輸電方式，減少輸電線路的損耗。在配置方案優(yōu)化中，可采用柔性直流輸電技術(shù)，降低輸電線路的電阻和電抗，提高輸電效率。

2.3 繼電保護系統(tǒng)優(yōu)化

傳統(tǒng)的配置方案中，保護設(shè)備之間的獨立性較差，缺乏協(xié)調(diào)和互動，導(dǎo)致系統(tǒng)故障處理能力有限。同時，繼電保護系統(tǒng)對系統(tǒng)故障的靈敏度不足，容易造成誤判或延長故障處理時間，且繼電保護系統(tǒng)通信速度慢，對系統(tǒng)故障的響應(yīng)時間較長，無法滿足特高壓直流系統(tǒng)對實時性的要求。優(yōu)化配置方案時引入了智能保護裝置，可以提高保護設(shè)備之間的協(xié)調(diào)性和互動性。智能保護裝置具備自動分析和決策的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)保護設(shè)備之間的信息共享和聯(lián)動操作，提高了系統(tǒng)對故障的響應(yīng)速度和處理能力。在繼電保護系統(tǒng)中采用高速通信網(wǎng)絡(luò)，可以提高保護設(shè)備之間的通信速度和數(shù)據(jù)傳輸效率。此外，文章采用光纖通信網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信方式，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)的實時性和可靠性。通過優(yōu)化故障檢測和定位功能，可提高繼電保護系統(tǒng)對系統(tǒng)故障的靈敏度和準確性，并引入高精度的故障檢測裝置和定位算法，快速、準確地判斷故障類型和位置，提高系統(tǒng)的故障處理效率[3]。

2.4 設(shè)備與材料優(yōu)化

基于傳統(tǒng)配置方案的電力設(shè)備在工作過程中存在較大的電力損耗，導(dǎo)致出現(xiàn)能源浪費和電網(wǎng)負荷增加的情況。材料的制造成本和維護成本較高，增加了系統(tǒng)投資和運營成本。設(shè)備和材料的技術(shù)水平相對滯后，無法滿足特高壓直流系統(tǒng)對高效性、智能化以及可持續(xù)發(fā)展的需求。因此，優(yōu)化配置方案時，采用高效變壓器和高效換流器等設(shè)備，可降低能量損耗，同時采用先進的技術(shù)和材料，具備更低的電力損耗和更高的能量轉(zhuǎn)換效率，能夠提高特高壓變電站直流系統(tǒng)的整體能效。應(yīng)用的先進材料包括高溫超導(dǎo)材料和新型絕緣材料等，可以降低系統(tǒng)的制造和運營成本。先進材料具有良好的導(dǎo)電性、絕緣性以及耐高溫性能，可以提高系統(tǒng)的可靠性、安全性以及耐久性。采用模塊化設(shè)計將設(shè)備和材料模塊化，以便更加靈活地適應(yīng)系統(tǒng)的需求和擴展條件，簡化系統(tǒng)的安裝和維護過程，提高設(shè)備互換性和系統(tǒng)可拓展性。此外，采用可再生能源材料和環(huán)保材料等，可降低系統(tǒng)對環(huán)境的影響?？沙掷m(xù)材料具有低碳、低污染以及可再生等特點，符合綠色發(fā)展和環(huán)境保護的要求[4]。

2.5 電壓等級選擇優(yōu)化

變電站直流系統(tǒng)通常采用控制負荷和動力負荷合并供電方式。依據(jù)相關(guān)規(guī)定，系統(tǒng)標稱電壓可以應(yīng)用110 V或220 V，且各有優(yōu)缺點。在相同操作功率和相同供電距離的條件下，與采用110 V標稱電壓相比，采用220 V標稱電壓的控制電纜電流小一倍，能夠減少電纜截面積。尤其是在遠距離供電時，電纜截面的減小十分明顯。直流系統(tǒng)選擇220 V電壓，以便為動力負荷提供電能。它的事故照明接線簡單，且能夠簡化切換回路。此外，特高壓變電站電磁環(huán)境惡劣。與110 V直流電壓相比，220 V直流電壓具有更高的電磁抗干擾能力[5]。

2.6 直流系統(tǒng)接線方式優(yōu)化

單極接地方式能夠保持系統(tǒng)的電位穩(wěn)定性，減少電位偏移和不均衡情況的發(fā)生。在系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過監(jiān)測電流和電壓變化，可以快速定位故障點，有利于及時處理和修復(fù)故障。與雙極接地方式相比，單極接地方式對絕緣要求較低，能夠降低系統(tǒng)的絕緣設(shè)計難度。雙極接地方式能夠有效抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，減少對系統(tǒng)性能的影響，使兩側(cè)極地的電流保持平衡，避免電流偏移和不均衡情況的發(fā)生。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，雙極接地方式能夠在不影響系統(tǒng)正常運行的前提下維持故障段的電壓和電流。根據(jù)特高壓變電站的具體需求和運行特點，除了綜合考慮系統(tǒng)性能，還需考慮接線方式的經(jīng)濟性和可行性，包括成本、施工難度、維護便利性等，從而選擇最具經(jīng)濟性和可行性的方案，即選擇雙極接地方式。實踐證明，雙極接地方式綜合應(yīng)用效果較好[6]。

2.7 優(yōu)化后直流負荷統(tǒng)計

優(yōu)化后直流負荷統(tǒng)計如表1所示。

表1 優(yōu)化后直流負荷統(tǒng)計

調(diào)整優(yōu)化后，全站直流系統(tǒng)負荷基本平衡，與優(yōu)化前相比，減少了直流系統(tǒng)備品備件以及試驗設(shè)備的種類和數(shù)量，方便統(tǒng)一管理，同時提高了直流系統(tǒng)運維工作效率，降低了全壽命周期內(nèi)的運行維護成本。

3 結(jié) 論

特高壓變電站直流系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。在能源需求不斷增長和電力工程不斷發(fā)展的背景下，特高壓變電站直流系統(tǒng)將在能源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供了穩(wěn)定可靠的電力支持。未來通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，可以進一步完善特高壓變電站直流系統(tǒng)的技術(shù)和管理水平，為能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展貢獻一份力量。