大容量特高壓直流分層接入交流電網(wǎng)成套技術(shù)及其應(yīng)用

　　一、創(chuàng)新成果概述

　　“十二五”規(guī)劃綱要中明確提出要“發(fā)展特高壓等大容量、高效率、遠距離先進輸電技術(shù)”。為了進一步發(fā)揮特高壓直流輸電的技術(shù)優(yōu)勢，將輸送容量由8GW提升到10GW。隨著特高壓直流輸送容量的增加，直流故障對單一受端交流電網(wǎng)的沖擊越來越大，特高壓直流工程分層接入500kV交流電網(wǎng)和1000kV特高壓交流電網(wǎng)，可以進一步優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、支撐大規(guī)模直流接入，提高電網(wǎng)運行的可靠性和靈活性。本項目圍繞直流系統(tǒng)整體技術(shù)方案、控制保護設(shè)計方案、簡化直流濾波器、絕緣配合、直流分層接入后系統(tǒng)直流諧振、交流側(cè)系統(tǒng)靜態(tài)等值及考慮層間影響的交流系統(tǒng)諧波阻抗計算等關(guān)鍵技術(shù)開展創(chuàng)新性研究，解決直流工程輸送容量提升和分層接入不同交流電網(wǎng)帶來的一系列重大難題。

　　本項目取得了一系列創(chuàng)新和突破：(1)提出了10GW大容量特高壓直流高端換流器接入500kV交流電網(wǎng)、低端換流器接入特高壓1000kV交流電網(wǎng)的主接線方案，構(gòu)建了涵蓋分層接入主回路設(shè)計、無功分組設(shè)計、濾波器設(shè)計、絕緣配合、控制保護策略、暫穩(wěn)性能設(shè)計、主設(shè)備性能參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等整體技術(shù)方案;(2)研發(fā)了分層接入不同電網(wǎng)的直流系統(tǒng)控制策略、無功控制策略、高低端串聯(lián)閥組電壓平衡控制策略，提出各功能的原理及實現(xiàn)方法;提出分層接入直流系統(tǒng)的保護分區(qū)和功能配置，以及降低不同交流系統(tǒng)之間的故障耦合、減小故障范圍的策略;(3)提出了以控制直流側(cè)諧波電壓為目的的簡化直流濾波器設(shè)計方法，解決了設(shè)備絕緣約束大、直流諧振風險高的難題，顯著降低了直流濾波器造價及占地面積，提升了直流工程的技術(shù)經(jīng)濟水平;(4)攻克了直流高低端閥組分別控制、分層接入不同交流電網(wǎng)以及簡化直流濾波器設(shè)計等多因素限制下的直流系統(tǒng)過電壓與絕緣配合關(guān)鍵技術(shù)，將高端換流器和極線設(shè)備絕緣水平控制在傳統(tǒng)的1600kV，與傳統(tǒng)線性外推方法相比降低了5%，實現(xiàn)了可靠性和經(jīng)濟性的有機統(tǒng)一。(5)提出采用智能劃分節(jié)點分區(qū)的靜態(tài)等值方法和計及層間諧波交互影響的交流系統(tǒng)等效諧波阻抗計算方法，并開發(fā)了相應(yīng)的分析計算軟件;提出基于波參數(shù)的直流線路諧波阻抗解析計算方法，總結(jié)分層接入特高壓直流輸電系統(tǒng)直流諧振的特征及規(guī)律。

　　本項目研究成果經(jīng)中國電機工程學(xué)會鑒定，認為項目取得了顯著的社會經(jīng)濟效益，具有廣泛推廣應(yīng)用前景，整體技術(shù)居國際領(lǐng)先水平。相關(guān)研究成果直接應(yīng)用于錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂等10GW工程成套設(shè)計、設(shè)備制造和工程建設(shè)，為每工程節(jié)約成套設(shè)計費用約1億元，節(jié)約設(shè)備費用約13億元，通過在成套環(huán)節(jié)推進國產(chǎn)設(shè)備代替進口設(shè)備為每工程節(jié)約費用約11億元。

　　本項目成果解決了輸送容量提升和直流分層接入帶來一系列重大難題，確保大容量分層接入特高壓直流技術(shù)方案的順利實施，相關(guān)研究成果直接應(yīng)用于錫盟-泰州等大容量分層接入特高壓直流工程成套設(shè)計、設(shè)備規(guī)范編制和工程建設(shè)、調(diào)試，并推動相關(guān)設(shè)備廠家在本領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。本項目成果項目研究成果填補了國內(nèi)大容量特高壓直流接入特高壓交流技術(shù)的空白，進一步提升了我國在直流輸電設(shè)計領(lǐng)域的核心競爭力，對全面支撐“三型兩網(wǎng)”建設(shè)，提高我國在大范圍內(nèi)高效優(yōu)化能源資源配置的能力具有重要意義。

　　二、主要做法

　　根據(jù)國家對大規(guī)模、遠距離輸電的持續(xù)發(fā)展需要，進一步提升特高壓直流輸電能力，可更好發(fā)揮其固有的大容量、遠距離輸電優(yōu)勢，對提高輸電效率和效益、節(jié)約輸電走廊、保證能源安全、推動技術(shù)進步具有重大意義。為發(fā)揮特高壓直流輸電的技術(shù)優(yōu)勢，國家電網(wǎng)公司將錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂等±800kV特高壓直流輸電工程的輸送容量由8GW提升到10GW。然而，隨著特高壓直流輸送容量的增加，故障對電網(wǎng)的沖擊越來越大，受端交流系統(tǒng)電壓支撐、潮流分配轉(zhuǎn)移以及直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行控制、運行可靠性等方面存在一系列問題，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了很大的影響。

　　為了綜合解決這些難題，我國開創(chuàng)了特高壓直流分層接入交流電網(wǎng)的創(chuàng)新性接入方式，將特高壓直流受端的高、低端換流變分別直接接入兩個不同電壓等級交流電網(wǎng)。高、低端換流變通過不同電壓等級的交流系統(tǒng)形成環(huán)網(wǎng)，受端交流系統(tǒng)之間聯(lián)系較強，相互影響作用更加明顯和復(fù)雜。此外，特高壓直流分層接入方式具有獨特的運行控制方式，可在不同運行方式下實現(xiàn)電網(wǎng)潮流在不同電壓等級交流系統(tǒng)完成按需分配轉(zhuǎn)移。

　　從特高壓直流的拓撲結(jié)構(gòu)上看，分層接入方案相當于位于同一個換流站內(nèi)的多端直流系統(tǒng)，其主接線設(shè)計及主回路參數(shù)計算、運行控制保護策略、過電壓與絕緣配合、直流諧振、交流系統(tǒng)諧波阻抗分析、主設(shè)備參數(shù)選擇等與常規(guī)的特高壓直流工程相比有較大的差異，并帶來一系列重大難題，有必要對此開展詳細的研究。

　　本項目圍繞大容量分層接入特高壓直流系統(tǒng)整體技術(shù)方案、控制保護設(shè)計方案、簡化直流濾波器、絕緣配合、直流分層接入后系統(tǒng)直流諧振、交流側(cè)系統(tǒng)靜態(tài)等值及考慮層間影響的交流系統(tǒng)諧波阻抗計算等方面開展創(chuàng)新性研究。本項目研究成果不僅能夠為我國特高壓電網(wǎng)的建設(shè)提供強有力的支撐，也將推動國內(nèi)電力裝備的自主創(chuàng)新和研發(fā)制造水平的大幅提升，提高在國際電工裝備市場的綜合競爭力，具有重大的政治和經(jīng)濟意義。

　　三、主要創(chuàng)新點

　　主要創(chuàng)新點1：提出了10GW大容量特高壓直流高端換流器接入500kV交流電網(wǎng)、低端換流器接入特高壓1000kV交流電網(wǎng)的主接線方案，構(gòu)建了涵蓋分層接入主回路設(shè)計、無功分組設(shè)計、濾波器設(shè)計、絕緣配合、控制保護策略、暫穩(wěn)性能設(shè)計、直流動態(tài)響應(yīng)、主設(shè)備性能參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等整體技術(shù)方案。

　　±800kV特高壓直流輸電工程輸送容量由傳統(tǒng)的8GW提升到10GW，并首次采用換流站交流側(cè)分層接入兩個交流系統(tǒng)的方案，網(wǎng)側(cè)接入最高電壓等級也由750kV提升到1000kV。

　　主要創(chuàng)新成果：

　　①首次提出了特高壓直流分層接入500kV/1000kV交流電網(wǎng)的主接線設(shè)計方案(如圖1所示)，解決了超大直流輸送容量對單一電網(wǎng)帶來的沖擊問題，實現(xiàn)了10GW大容量系統(tǒng)功率的安全穩(wěn)定傳輸。同時，雙12脈動高端換流器接入500kV交流電網(wǎng)，低端換流器接入1000kV特高壓交流電網(wǎng)，避免了高端換流變網(wǎng)、閥側(cè)同時接入特高壓電網(wǎng)引發(fā)的復(fù)雜設(shè)計難題，降低了研發(fā)難度和設(shè)備制造費用。

　　②針對高低端閥組接入不同交流電網(wǎng)給傳統(tǒng)直流帶來的系統(tǒng)計算機理顛覆問題，創(chuàng)新性提出閥組接入不同電壓幅值、不同電壓相角、不同頻率偏差、兼容高低端換流變壓器不同短路阻抗、不同分接頭級差的新型主回路設(shè)計、無功分組設(shè)計、控制保護、絕緣配合方法;首次針對網(wǎng)側(cè)交流電壓等級為1000kV的特高壓直流換流站進行了完整建模仿真，研發(fā)確定了斷路器最嚴重的恢復(fù)電壓特性，優(yōu)化提出了交流濾波器小組斷路器上的2900kV的恢復(fù)電壓水平，最大限度的降低了設(shè)備的制造難度，解決了1000kV交流系統(tǒng)濾波器的在線開斷問題;建立了接入含大規(guī)模風/火/水電機組交流電網(wǎng)的10GW直流系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)模型，全面仿真驗證了大容量直流系統(tǒng)對復(fù)雜交流電網(wǎng)的適應(yīng)性。

　　③首次提出了換流閥、換流變、平波電抗器、穿墻套管、斷路器、直流測量裝置等全套主設(shè)備技術(shù)規(guī)范，優(yōu)化確定了設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、性能要求、結(jié)構(gòu)要求、試驗要求等，大力推進了大容量國產(chǎn)化設(shè)備的研發(fā)、制造和工程應(yīng)用。完成設(shè)備技術(shù)規(guī)范32本，形成國網(wǎng)公司企業(yè)標準5項。

　　依托錫盟-泰州工程，全面攻克了涵蓋主回路設(shè)計、無功分組設(shè)計、濾波器設(shè)計、絕緣配合、控制保護策略、暫穩(wěn)性能設(shè)計、直流系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)、主設(shè)備性能參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等10GW大容量特高壓直流分層成套設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。

　　主要創(chuàng)新點2：研發(fā)了分層接入不同電網(wǎng)的直流系統(tǒng)控制策略、無功控制策略、高低端串聯(lián)閥組電壓平衡控制策略，提出各功能的原理及實現(xiàn)方法;提出分層接入直流系統(tǒng)的保護分區(qū)和功能配置，以及降低不同交流系統(tǒng)之間的故障耦合、減小故障范圍的策略。

　　本項目結(jié)合高低端閥組分層接入不同交流系統(tǒng)的特點，創(chuàng)新性地提出了分層接入不同電網(wǎng)的直流系統(tǒng)控制策略和保護策略。

　　主要創(chuàng)新成果：

　?、偬岢隽诉m應(yīng)分層接入方式的控制保護系統(tǒng)整體方案、系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)和功能配置。形成國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準1項。

　?、谔岢隽诉m用于正、反送運行的直流系統(tǒng)控制策略，包括受端分層接入的基本控制策略、高低端串聯(lián)閥組電壓平衡控制策略、無功控制策略，實現(xiàn)了分層接入直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行控制功能。

　?、厶岢隽朔謱咏尤胫绷飨到y(tǒng)的保護配置和受端分層側(cè)抵御換相失敗的方法，以降低不同交流系統(tǒng)或不同換流器之間的故障耦合，防止故障范圍擴大。

　?、芴岢龌谥绷麟妷和蛔兞康膿Q相失敗快速預(yù)測方法，響應(yīng)速度提升到1ms，有效解決一極故障時由于線路耦合引起對極換相失敗的問題，如圖2所示;提出了測量值與計算值智能切換的控制保護邏輯，避免了中點分壓器故障導(dǎo)致的閥組閉鎖，提高了直流系統(tǒng)的運行可靠性;提出了多斷口串并聯(lián)型的轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)構(gòu)及多目標決策的控制保護策略，解決了傳統(tǒng)直流轉(zhuǎn)換開關(guān)通流能力不足的問題，保障了大電流轉(zhuǎn)換的可靠性和安全性。

　　主要創(chuàng)新點3：提出了以控制直流側(cè)諧波電壓為目的的簡化直流濾波器設(shè)計方法，解決了設(shè)備絕緣約束大、直流諧振風險高的難題，顯著降低了直流濾波器造價及占地面積，提升了直流工程的技術(shù)經(jīng)濟水平。

　　隨著直流輸送容量的大幅提升，直流濾波器的研制難度加大，體積和造價也都大幅增加，因而傳統(tǒng)直流濾波器設(shè)計成為了限制大容量直流工程技術(shù)經(jīng)濟水平的關(guān)鍵因素。

　　主要創(chuàng)新成果：

　?、偻ㄟ^協(xié)同考慮直流設(shè)備絕緣水平和直流系統(tǒng)諧振風險對直流濾波器設(shè)計的高度依賴性，創(chuàng)新性提出了以控制直流側(cè)諧波電壓為目的的簡化直流濾波器設(shè)計方法和簡化濾波器的基本形式，確定了直流濾波器必須保留的諧振支路。直流系統(tǒng)存在2次諧振風險，12次特征諧波電壓幅值較高，對直流線路出口運行電壓峰值影響較大，因此簡化直流濾波器需設(shè)置2次和12次支路。

　　②提出世界首個±800kV直流工程簡化直流濾波器技術(shù)方案，比選確定了主電容取值、并聯(lián)諧振頻率、濾波器電阻取值、濾波器電阻接線形式。簡化直流濾波器可有效限制諧波電壓，直流線路出口運行電壓峰值控制在850kV以下;同時顯著降低了直流濾波器主電容值，高壓電容器塔由常規(guī)的三塔布置“瘦身”為單塔結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，大幅降低設(shè)備研制難度、占地面積和濾波器投資費用。形成國家標準1項。

　　主要創(chuàng)新點4：攻克了直流高低端閥組分別控制、分層接入不同交流電網(wǎng)以及簡化直流濾波器設(shè)計等多因素限制下的直流系統(tǒng)過電壓與絕緣配合關(guān)鍵技術(shù)，將高端換流器和極線設(shè)備絕緣水平控制在傳統(tǒng)的1600kV，與傳統(tǒng)線性外推方法相比降低了5%，實現(xiàn)了可靠性和經(jīng)濟性的有機統(tǒng)一。

　　項目依托工程首次在±800kV特高壓直流工程中采用高低端閥組分別控制、接入兩個不同交流系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，并采用簡化直流濾波器設(shè)計方案，引發(fā)直流系統(tǒng)的諧波電壓水平顯著增大，進一步造成直流系統(tǒng)各點的穩(wěn)態(tài)運行電壓大幅升高，對傳統(tǒng)絕緣配合方案下設(shè)備的絕緣性能帶來極大風險。

　　主要創(chuàng)新成果：

　?、偈状谓o出了直流分層接入和簡化直流濾波器設(shè)計下的各電氣節(jié)點持續(xù)運行電壓特征，確定了系統(tǒng)設(shè)備和避雷器設(shè)備的穩(wěn)態(tài)運行電壓。在傳統(tǒng)特高壓直流系統(tǒng)中，由于平波電抗器采用極線和中性線均置方案，400kV中點電壓為純直流電壓;極線出口電壓因直流濾波器的諧波濾除作用，呈現(xiàn)800kV直流疊加極小的紋波電壓，穩(wěn)態(tài)運行電壓峰值不超過812kV(考慮測量偏差)。采用直流高低端閥組接入不同交流系統(tǒng)(兩交流系統(tǒng)幅值、相角、頻率可能完全不同)拓撲結(jié)構(gòu)，同時直流濾波器采用簡化設(shè)計方案，造成400kV中點電壓達430kV，極線出口電壓達850kV。

　?、趧?chuàng)新性提出直流高低端閥組分別控制、分層接入不同交流電網(wǎng)以及簡化直流濾波器設(shè)計換流站避雷器配置方案和關(guān)鍵參數(shù)。由于400kV中點電壓和極線出口電壓的提高，采用傳統(tǒng)的線性外推方法，高端設(shè)備的操作沖擊/雷電沖擊絕緣水平將達到1675kV/1870kV。

　?、弁ㄟ^定量分析高端設(shè)備持續(xù)運行電壓提高對避雷器荷電率選取的影響、不同荷電率水平對避雷器老化特性的影響以及閥廳內(nèi)空氣間隙操作沖擊放點特性，借助關(guān)鍵故障情況下直流系統(tǒng)精準的電壓控制措施，提出了新型避雷器配置方案和關(guān)鍵參數(shù)。成功將高端換流器和極線出口處設(shè)備的操作/雷電絕緣水平控制到1600kV/1800kV，與傳統(tǒng)根據(jù)運行電壓峰值線性外推相比分別降低了5%和4%，從而避免了±800kV高端設(shè)備和極線設(shè)備的重新研制以及閥廳設(shè)計尺寸的增加，極大的提升了工程可靠性和經(jīng)濟性。

　　主要創(chuàng)新點5：提出采用智能劃分節(jié)點分區(qū)的靜態(tài)等值方法和計及層間諧波交互影響的交流系統(tǒng)等效諧波阻抗計算方法，解決了直流分層接入交流系統(tǒng)的諧波阻抗掃描的難題，并開發(fā)了相應(yīng)的分析計算軟件，為工程設(shè)計提供了有效的分析工具;提出基于波參數(shù)的直流線路諧波阻抗解析計算方法，得到交流系統(tǒng)、直流線路、設(shè)備參數(shù)等因素對直流系統(tǒng)諧振的影響，總結(jié)分層接入特高壓直流輸電系統(tǒng)直流諧振的特征及規(guī)律。

　　主要創(chuàng)新成果：

　?、偬岢隽私?、直流混聯(lián)系統(tǒng)以及直流分層接入系統(tǒng)靜態(tài)等值方法，通過工程算例驗證了等值方法的準確性。采用基于廣度優(yōu)先搜索算法的節(jié)點分區(qū)方法，簡化等值過程;采用平衡節(jié)點分群方法，提高系統(tǒng)潮流收斂性，如圖6。

　?、趶睦碚撋贤茖?dǎo)并定義了諧波交互影響因子，提出了層間諧波相互影響的評價方法，解決了分層接入系統(tǒng)交流濾波器設(shè)計的難題。

　?、坶_發(fā)了電力系統(tǒng)等值阻抗掃描軟件，不受系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量限制，采用改進節(jié)點法、稀疏矩陣技術(shù)與節(jié)點優(yōu)化編號方法，提高求解速度和數(shù)據(jù)檢索效率，滿足了工程設(shè)計需要。

　?、芴岢龌诰€路分布參數(shù)以及波參數(shù)的直流線路諧波阻抗解析計算方法，并建立長線路鏈式π模型，通過數(shù)學(xué)計算推導(dǎo)出線路的諧振頻率與諧振阻抗的幅值與相角，在低頻段范圍內(nèi)能夠準確地仿真輸電線路的諧波阻抗特性。

　　⑤引入換流變、平抗、中性點電容等直流側(cè)設(shè)備并考慮交流系統(tǒng)短路阻抗、交流濾波器阻抗，得到交流系統(tǒng)、直流線路、設(shè)備參數(shù)等因素對直流系統(tǒng)諧振的影響，總結(jié)了大容量特高壓直流輸電系統(tǒng)諧振的特征及規(guī)律，當線路長度接近敏感長度(1500km以上)時容易在50Hz和100Hz附近引發(fā)低頻諧振。

　　⑥基于上述諧波阻抗解析計算方法，開發(fā)直流阻抗掃描軟件，采用圖形化界面搭建直流回路模型，分析直流回路的諧振及阻抗特性，為選擇合理的抑制諧波設(shè)備提供依據(jù)。

　　四、應(yīng)用成效

　　錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂特工程額定直流電壓±800kV，額定功率10GW，建成后成為首批大容量特高壓直流接入特高壓交流工程，且直流工程容量為世界之最。根據(jù)本項目研究成果，形成了服務(wù)于錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂直流輸電工程的系統(tǒng)研究、成套設(shè)計、仿真試驗、測試驗證的主設(shè)備采購規(guī)范。以項目為依托，國網(wǎng)經(jīng)研院形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的直流工程成套設(shè)計軟硬件平臺，對公司占領(lǐng)更高電壓等級、更大容量直流設(shè)計的制高點，進一步提高在直流設(shè)計領(lǐng)域的核心競爭力，全面支撐公司一流電網(wǎng)建設(shè)具有重要意義。研究成果成功指導(dǎo)錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂10GW大容量特高壓直流工程換流變壓器、換流閥、穿墻套管、平波電抗器、小組斷路器、控制保護裝置等主設(shè)備研制，目前，所有設(shè)備均已通過全套試驗驗證并投入工程應(yīng)用。

　　通過應(yīng)用本項目成果，可為每工程節(jié)約成套設(shè)計費用約1億元;通過優(yōu)化成套設(shè)計方案，大幅降低高端設(shè)備絕緣水平，可為每工程節(jié)約設(shè)備費用約13億元;成功推動國內(nèi)廠家開展主設(shè)備研發(fā)代替進口設(shè)備可為每工程節(jié)約約11億元。錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂工程均在2016年完成成套設(shè)計(共3×1億元)和設(shè)備研發(fā)，在2017年完成全部設(shè)備制造(共3×13+3×11億元)工作。

　　本項目研究成果已成功應(yīng)用于錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂工程。每年運行小時按6000小時計算，每工程的輸送電量為60000GWh/年，若目前每度電的電價按0.4元、過網(wǎng)電價按照0.1元計算，3個工程每年可為國網(wǎng)公司增加的經(jīng)濟收入為720億元，利潤為180億元，稅金按照利潤的10%考慮，可新增稅收18億元。

　　五、可推廣性

　　本項目的研究成果整體應(yīng)用于錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂等±800kV分層接入特高壓直流輸電工程的系統(tǒng)研究、成套設(shè)計、仿真試驗、測試驗證以及設(shè)備采購規(guī)范的編制，確保了工程的順利建設(shè)和投運。

　　研究成果還成功應(yīng)用于后續(xù)陜北-湖北、雅中-江西、青海-河南等特高壓直流工程的成套設(shè)計和設(shè)備規(guī)范的編制，推廣應(yīng)用前景十分廣闊。