高压直流输电系统多端化改造关键技术

董言乐，张天龙，鲁翔，刘欣，徐自闲，孟轩

(1. 中国南方电网超高压输电公司，广州510663；2. 电力规划设计总院，北京100120)

0 引言

多端直流输电系统是指含有多个整流站或/和多个逆变站的直流输电系统[1 - 4]。其最显著的特点在于能够实现多电源供电、多落点受电，提供一种更为灵活的输电方式[5 - 10]。

传统的两端直流仅能实现点对点的功率传输，无法实现多个区域电网间的互联，因此在由大规模电源送出且受端多点分散接入、分布在不同区域的风电等新能源输送到远方负荷中心、直流输电线路中间分支接入负荷或电源等场景下，采用多端直流输电系统运行更为灵活、对线路走廊的利用更加充分、经济性更好。

我国近年来多端直流工程发展迅速[11 - 13]、类型多样，对于优化电网结构、促进清洁能源开发和消纳具有重要作用。“十三五”后期，为实现水电资源的充分利用和优化配置，推进能源结构转型升级，我国逐步加强水火互济的输电通道规划和建设[14 - 15]。因此，在线路走廊紧张地区，利用原有两端常规直流通道进行三端甚至多端化改造，其系统设计与工程实践具有重大意义。

1 多端直流系统结构与功率传输模式

多端直流系统最基本的拓扑结构包括并联型和串联型，对于某些特殊场合，既有并联又有串联的混联式多端直流输电系统也有可能得到应用。目前国内外进入工程应用的高压大容量多端直流输电系统均采用并联型拓扑接线。并联型多端直流输电系统的特点是各换流站均在一个基本相同的直流电压下运行，直流电压由其中一个换流站控制，换流站间有功功率的分配和调整主要通过改变换流站的直流电流来实现。

已有换流站A和B构成的双端直流输电系统，新建换流站C以及相应直流线路，可以形成三端并联型直流系统，拓扑结构如图1所示。这样换流站A、C之间输送功率时，可以利用原有的A、B直流通道。类似地，也可以拓展成三端以上的直流系统。

图1 双端改造为三端直流系统示意图Fig.1 Schematic diagram of transformation from two-terminal to three-terminal DC system

理论上讲，对于任一换流站均可自由控制功率流向的n端直流输电系统的功率传输模式种类数为f(n)，则：

(1)

实际上，各换流站在系统中的功能定位不同，往往有些换流站只存在特定的功率传输方式，如电源汇入点的换流站只以整流模式送出功率或负荷中心的换流站只以逆变模式吸收功率。对于含有m个单向功率传输换流站的n端直流输电系统，

(2)

多端直流系统随着换流站数量(直流接入点)的增加，功率传输模式迅速增多，具体到直流运行方式则更为复杂多变，为系统运行带来了更大的灵活性，当然也对控制保护系统带来了严峻考验。另外，多端直流系统毕竟和直流电网不同，其可靠性也会随着换流站数量的增加、系统复杂度的增加和降低。因此，目前世界上现有的常规多端高压直流系统，多数是以三端和两端模式在运行。例如魁北克-新英格兰(Quebec-New England)五端直流输电工程，通常状态下保持Radisson、Nicolet和Sandy Pond换流站双极三端运行，在Radisson或Sandy Pond换流站中断运行时，则保持Comerford和Des Cantons换流站双极两端运行[16 - 17]。

本文的研究基于南方电网云贵互联通道工程，是我国首个利用原有常规直流输电通道(高肇直流)进行三端化改造的±500 kV直流输电工程。高肇直流输电工程西起贵州高坡换流站，东止于广东肇庆换流站，双极额定输送容量3 GW，于2004年投产。云贵互联通道工程新建云南禄劝换流站和±500 kV线路388.8 km，同时对高肇直流进行改造，组成三端直流系统。

其主要功率传输模式为：

贵州+云南→广东、云南→贵州+广东(3端)；

云南→广东、云南→贵州、贵州→广东(2端)。

其直流运行方式有9种，分别为：

1)双极平衡运行方式；

2)单极大地回路运行方式；

3)单极金属回路运行方式；

4)云南、广东双极，贵州单极大地回路运行方式；

5)云南、贵州双极，广东单极大地回路运行方式；

6)广东、贵州双极，云南单极大地回路运行方式；

7)云南双极，广东正(负)极、贵州负(正)极大地回路运行方式；

8)广东双极，云南正(负)极、贵州负(正)极大地回路运行方式；

9)降压运行方式。

2 基于直流高速开关的中间站改造

2.1 接线与功能

贵州高坡站作为三端直流汇流站，直流出线2回，分别至云南禄劝站和广东肇庆站。为了实现直流系统的第三站在线投退及直流线路故障隔离，提高整个直流系统的可靠性和可用率，高坡站的直流双极极母线、至肇庆、禄劝出线侧均配备装设了500 kV直流高速开关(HSS)。

根据实际工程需要，改造后的三端直流存在“云南和贵州向广东送电(二送一)”、“云南向贵州和广东送电(一送二)”运行模式。可见，高坡站既可以作为送端整流站，也可以作为受端逆变站，由于电流方向不变，要通过控制直流电压的极性来控制功率流向，因此在该站要设置直流极性转换开关。

综上，高坡站直流场需新增6台500 kV直流高速开关和18台500 kV直流隔离开关等高压直流电气设备。改造后高坡站直流场电气接线如图2所示。

图2 直流高速开关配置示意图Fig.2 DC high-speed switch configuration

其中，直流高速开关主要有以下3个方面作用：

1)直流系统运行于三端模式，需要进行检修或站内发生故障等情况下，退出对应端换流站，直流系统转为两端模式；

2)直流系统运行于两端模式，需要将已退出的换流站重新投入运行，直流系统转为三端模式；

3)发生直流线路永久故障或检修，送端换流站快速移相、直流线路电流降为零后，通过断开HSS1和HSS3实现直流线路故障隔离。

2.2 设备研发

直流高速开关是在直流550 kV电压等级直流母线快速开关的基础上进行研制的[18 - 19]，填补了国内空白，其主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数Tab.1 Main parameters

开关整体外形呈“T”形布置。每台开关为双断口结构，包括灭弧室、均压电容、躯壳、均压环、支柱、机构、二次控制柜，开关每极配用一台液压碟簧操动机构，每台开关配用一个控制柜，其外形如图3所示。

图3 直流高速开关实物图Fig.3 Physical diagram of DC high-speed switch

3 场地受限的直流场改造

改造前高坡站直流出线1回，直流场采用典型极对称接线，每极配置2组直流滤波器。直流场采用中型布置，直流滤波器布置在每极极母线与中性母线之间，电气平面布置见图4(a)。

图4 高坡换流站直流场改造前后平面布置图Fig.4 Layout diagram of DC yard of Gaopo converter station before and after reconstruction

改造需要新增大量高压直流电气设备，这些设备在前期工程设计中未预留位置，按常规扩建思路需要在围墙外新征用地，但是本站外部没有扩建条件。因此，需重点研究场地受限的直流场改造方案，一方面在满足安全的条件下对新增设备外形尺寸进行优化，另一方面对原有设备配置和布置进行合理调整。

结合站址环境条件，为节省布置空间，新增的500 kV直流隔离开关采用双柱伸缩式、地刀为伸缩式；直流高速开关设备长度由8 500 mm降为8 210 mm；结合直流极线耦合电容器设备高度由9 182 mm降为8 712 mm，均压环外径由3 500 mm缩小为2 600 mm。

另外，为了给围墙内改建提供有利条件，根据系统研究结果，每极拆除一组靠极线侧直流滤波器，其电容器单元串入保留的直流滤波器组C1电容器塔低压端；接地极监视系统改用基于高频脉冲反射方式的技术方案，不再采用需增加阻断滤波器、注入滤波器、注入变压器等设备的注入电流方式；将直流极性转换开关布置在双极极母线直流高速开关和金属回线之间，极性转换回路采用软导线跨线布置在中性线设备上方。

基于上述方法和措施，可以最大程度地提高空间利用率，完成围墙内直流场改造的创举。改造后平面布置图如图4(b)所示。

4 三维数字化设计技术应用

当建设项目呈现出复杂化、集成化、庞大化的特点，三维协同设计、仿真虚拟技术的应用将发挥重要作用。本项目的研究主要基于Revit软件平台，可高效地结合三维模型和二维平面，利用共享属性信息实现二维标注的关联， 实现了模型平面、立面、剖面的信息高效联动，其直观化、形象化、精确化[20 - 22]特点，有助于提高设计水平和工作效率。

4.1 电气安全净距校验

高坡换流站直流场设备布置紧凑，存在多处电气安全净距控制敏感点。比如直流极性转换回路切线和另外一极带电体之间需满足11 m空气净距要求，如图5所示。由于布置空间受限，极线耦合电容器、融冰隔离开关至周边设施之间空气净距紧张等。采用三维可视化手段对带电设备及导体开展电气安全净距校验，并对相关布置进行调整和优化，提高了设计精度和安全性。

图5 直流极性转换回路电气安全净距校验Fig.5 Verification of electrical safety clearance of DC polarity conversion circuit

4.2 综合碰撞检查

对于复杂的换流站改造项目，对直流场区域地下基础、电缆沟等设备模型进行三维硬碰撞检查，可以最大程度地降低工程建设中可能出现的碰撞隐患，如图6所示。直流场改建最大化利用前期电缆沟和道路设施，采用三维手段校验设备布置，尽量避免新设备及架塔基础开挖过程中对已有电缆沟及道路设施造成损坏。由于三维模型的唯一性、可视化、协同性，实现各专业设计成果的同步更新与完善，避免施工时出现设计变更及返工，缩短项目周期，降低项目建设成本。

图6 综合碰撞检查界面Fig.6 Clash detective interface

4.3 三维可视化支持

对高坡换流站直流场可以建立改造前后的三维数字化成品，如图7所示。配合数据库支持，可以如在现场般观察、测量设备、建构筑物、地下设施的定位及相对位置关系，更直观地展示直流场改造方案和前后对比差异。

图7 高坡换流站直流场改造前后的三维数字化对比Fig.7 Three dimensional digital comparison of DC field of Gaopo converter station before and after reconstruction

5 结论

针对两端常规直流输电系统的多端化改造问题，本文研究了多端直流输电拓扑结构、功率传输模式，根据实际需求和条件、技术经济可行性确定改造后的直流运行方式。

本文提出了一种基于新型直流高速开关设备的中间换流站改造方法。在前期工程无预留位置、站外无扩建条件的约束条件下，通过采取优化设备外形尺寸、配置方案、布置方式等措施，最大程度地提高空间利用率，完成围墙内直流场改造的创举。另外，研究和设计实践证实了在直流系统多端化改造工程中采用三维设计的技术优势。本研究基于国内首个利用原有直流输电通道进行三端改造的直流输电工程，其系统设计与工程实践具有典型意义。