青豫特高压直流工程优化提升方法综述

2021-12-15丁永福

浙江电力 2021年11期

丁永福

（国家电网有限公司直流建设分公司，北京 100052）

0 引言

青海-河南±800 kV 特高压直流工程（以下简称“青豫工程”）是贯彻落实习近平总书记指示精神，为青海新能源开发规划的电力高速路，是全国乃至全世界第一条以清洁能源为主要电源的输电大通道，是典型的“特高压直流+清洁能源”工程[1]。作为新时代升级版样板工程，从设计、设备、控保策略、现场建管等方面进行了大量的优化提升，采取了一系列措施，切实提高了工程可靠性，有效解决了新能源外送的需求[2]。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

青豫工程起于青海省海南州海南换流站，途径青海、甘肃、陕西、河南等4 省，止于河南省驻马店市驻马店换流站，输电电压等级为±800 kV，输送容量8 000 MW，线路总长1 587 km，接地极线路全长106.2 km，新建海南、驻马店2 座换流站。工程送端接入750 kV 交流系统，受端换流站接入500 kV 交流系统。工程于2018 年11 月7日开工建设，2020 年12 月30 日全面竣工投产。

海南换流站位于青海省海南藏族自治州共和县，占地面积0.280 8 km2，与海南750 kV 变电站合址建设。全站共28 台换流变（含4 台备用，单台容量415 MVA，750 kV 本期出线4 回，远期出线10 回，交流滤波器分为4 大组、18 小组，容性无功补偿总量5 575 Mvar。装设4 台300 Mvar新一代调相机，通过升压变压器接入750 kV 交流滤波器大组母线。驻马店换流站位于河南省驻马店市上蔡县，与驻马店1 000 kV 交流变电站同址建设，占地面积0.193 km2。全站安装28 台（含4 台备用）换流变压器，单台容量415 MVA，分段接入500 kV 交流系统。500 kV 出线本期4回，远期8 回、交流滤波器分位6 大组、20 小组，容性无功补偿总容量5 600 Mvar[2]。

1.2 工程特点

一是在全面总结以往特高压直流工程建设、运行经验的基础上，打造了新一代800 kV、8 000 MW 直流工程标准化设计方案，进一步提升关键环节的安全裕度，全面推进技术、设备和设计的标准化，大幅提升运行可靠性。

二是工程海拔高，建设难度大。送端换流站海拔达到了2 880 m，海拔3 000 m 以上线路约385 km，其中最高海拔4 300 m，工程沿线跨越了青藏高原、甘南无人区和秦岭，极大增加了工程建设难度。

三是送端系统中以新能源为主，光伏发电占比高达85%。新能源发电具有间歇性、波动性和随机性等特点，特高压直流与新能源协调控制、大电网安全稳定等系统问题突出，为系统稳定运行带来了更高的挑战。

四是换流站与变电站合建。工程送、受端换流站均与变电站同址、同期建设，送端换流站同期建设4 台300 Mvar 调相机。换流站与变电站、调相机需统一协调，接口一致、建设与管理的一致性使得工程难度增大。

2 设计优化措施

2.1 系统过负荷能力提升

为进一步提高工程可靠性，适应新能源送出要求，工程采用了新一代特高压直流输电工程升级版系统方案，从设备选型、设计裕度提升、冷却容量加强等方面，提高了额定容量输送的运行可靠性，同时为故障情况下提供更大的备用容量。系统过负荷能力得到了进一步提升。其中，过负荷能力为：长期过负荷1.1 p.u.，2 h 过负荷1.2 p.u.，3 s 过负荷1.3 p.u.。相比于传统直流工程2 h 过负荷1.05 p.u.，过负荷能力提升了15%，长时间输送功率提高10%，达到8 800 MW。表1 和图1给出了过负荷能力与电压、电流间的关系。

图1 青豫工程青豫工程过负荷曲线

表1 青豫工程过负荷能力指标

2.2 高海拔设备外绝缘优化提升

青豫工程为第一个高海拔特高压直流工程，设备外绝缘设计在总结常规500 kV 高海拔直流工程及特高压工程外绝缘设计的经验基础上，补充开展了一系列高海拔绝缘试验[3]。同时，首次在西藏高海拔基地对4 300 m 高海拔±800 kV 直流线路的电磁环境开展了全电压考核试验，为高海拔条件下极间距和对地距离选取提供了试验依据[4]。另外，首次在西宁高海拔试验室（海拔2 500 m）利用真型800 kV 阀侧套管，开展了空气间隙试验研究，获得了放电特性曲线，为高海拔阀厅空气净距配合提供了依据，进一步完善了高海拔特高压直流工程外绝缘设计配合，优化提升了设备外绝缘性能。海南站换流变750 kV 网侧套管和穿墙套管外绝缘统一按3 000 m 海拔修正[5]。

2.3 水冷系统优化提升

青豫工程换流阀、调相机均有水冷系统，采用空冷塔+喷淋塔配置方式，以空冷为主，水冷为辅。针对青豫工程过负荷能力提升、高海拔等问题，水冷系统从载流导体、电气间隙及爬电距离、低压电气元件、仪表选型、主循环泵电机及空气冷却器电机等方面进行了改进，提升冷却能力和设备可靠性。相较以往工程，空冷器的数量、单台冷却塔的换热功率均有增加，阀冷系统的冷却容量达到7 200 kW，调相机冷却系统容量达到4 393 kW，冷却容量提升了约20%。在最高环境温度下，满负荷运行时，具备不少于30%的换热冗余。

2.4 换流站消防系统升级

2.4.1 压缩空气泡沫灭火系统

当前换流变故障时有发生，故障后换流变容易着火，严重威胁电网的稳定运行。传统的换流变消防设计多采用细水雾、水喷雾或者泡沫喷雾等作为自动灭火系统，但是从换流变发生火灾后灭火的实际效果来看，水喷雾、细水雾等灭火系统难以应对复杂多变的实体火灾，特别是着火后发生爆炸而导致的灭火系统失效。多起事故案例表明，现有消防设施扑灭变压器油（高温热油）火灾较为困难，容易造成火灾范围扩大，增加灾后损失[6]。

CAFS（压缩空气泡沫灭火系统）是利用泵组将泡沫液和水按设定比例混合，再通过空压机等产气装置产出压缩空气后主动注入泡沫混合液，精细化控制其混合比例及均匀度，让其发泡成均匀细腻、稳定的泡沫灭火剂，其系统原理如图2所示。该系统具备用水量小，灭火性能高，降温效果显著，能有效防止复燃，可靠性高等优点[7]。欧美等国家已经率先研发并使用压缩空气泡沫灭火系统作为大型户外变压器的灭火防护系统，经过实践检验，该系统能快速的把火焰扑灭、有效降温并防止火灾复燃[8]。青豫工程为提高换流站消防能力首次配置CAFS。采取4 个换流器共用一套CAFS 方式，空压机等核心原件采取双套配置，采取固定喷淋、消防炮（高位布置）两种出口方式，增加消防系统可靠性。改进后CAFS 通过真火试验验证，2 min 内可有效扑灭明火，青豫工程换流站CAFS 持续时间提高到1 h 以上。

图2 CAFS 系统原理

2.4.2 新型高温熔断式换流变降噪装置

换流变在运行中会产生低频噪音，按照环保要求，换流变都加装BOX-IN 降噪装置，用来吸音降噪。但是当变压器发生火灾时，包裹在变压器周围的BOX-IN 装置会阻碍水或泡沫液进入变压器着火部位，影响消防灭火。为有效解决该问题，青豫工程采用了新型高温熔断式换流变降噪装置。该装置配置3 种不同功能模块，兼具火灾熔断性、防爆性、泄爆性3 大特点。可在火灾发生后温度达到220～250 ℃时，熔断模块有效脱落，顶部模块脱落时间≤90 s，前端脱落时间≤180 s。套管周边的高强防爆模块（防爆）可经受峰值压力为240 kPa 的冲击波作用。常规消防模块（泄爆）在经受峰值压力超过160 kPa 的冲击波作用后，呈大块状脱落，能在设备发生爆炸时释放内部压力，减小爆炸破坏力，同时有利于爆炸后消防灭火（图3）。

图3 消防模块安装示意

2.4.3 阀厅耐火能力提升

青豫工程阀厅采用钢结构设计，紧邻换流变，换流变通过阀侧穿墙套管与阀厅内部设备相连，因此阀厅防火尤为重要。按照规范阀厅火灾危险性分类及耐火等级定义为：丁类、（最低）二级。根据《建筑设计防火规范（2018 年版）》规定，二级耐火等级阀厅钢柱的燃烧性能和耐火极限为2.5 h。青豫工程在总结以往换流变火灾事故的基础上，采取了一系列措施提升阀厅防火性能。受端驻马店站采取传统方式，在钢柱上喷涂防火漆提升防火性能，送端海南站受高原低温气候影响，创新采用钢柱外包防火板的方式，主要由龙骨、12 mm 厚纤维增强硅酸盐板以及填充120 kg/m3岩棉组成，该措施防火隔热性能及耐久性好，外观光滑平整、不受季节和气候的影响，阀厅钢柱耐火极限均提升至3.0 h。此外针对屋面耐火性能薄弱的特点，增设了屋面降温喷淋装置，在火灾发生后，可手动开启，对屋面进行喷水降温，以此来提升阀厅防火性能[9]。

2.5 阀厅封堵优化提升

当前换流变故障时有发生，故障后换流变容易发生着火、爆炸等情况。传统的换流变阀侧套管孔洞封堵设计大都采用150 mm 厚单层金属面结构岩棉复合防火板进行封堵，该板的最高使用温度为600～800℃。在高温条件（碳氢火焰，1 100℃）下，岩棉产生碳化，金属面板发生变形，岩棉板间拼缝部位密封失效，火焰窜入，导致封堵系统失效[10]。多起事故案例表明，传统封堵结构，无法抵抗设备故障爆炸后产生的冲击，难以阻挡火焰蔓延至阀厅内。青豫工程创新采用防火封堵+抗爆板的封堵形式（图4），外层抗爆板用来抵御设备爆炸时产生的冲击力，保护内层防火封堵，内层防火封堵用来耐火。内层封堵结构由100 mm不锈钢面岩棉防火板、不锈钢龙骨与100 mm 不锈钢面硅酸铝复合板组成，不锈钢面硅酸铝复合板相比于传统岩棉防火板防火性能更佳，优化后防火封堵耐火时间提升至3 h。该防火封堵结构按照GB 23864—2009（选择碳氢火）标准进行4 h真火试验，试验过程中封堵系统结构完整，未出现漏烟现象。

图4 防火封堵、抗爆板剖面

外层抗爆板采用钢结构，梁柱为结构支撑，钢柱、钢梁均为H 型钢。梁柱两侧安装不锈钢抗冲击板，其具体构造组成为：不锈钢主龙骨、不锈钢辅龙骨、外面板、包边板。青豫工程抗爆板安装于阀侧套管洞口外侧，可有效抵抗设备故障爆炸时产生的冲击，抗爆板等效静荷载超过10 kPa。

2.6 750 kV GIS 户内优化布置

青豫工程送端站地处青藏高原，海拔高度平均在2 880 m，自然条件恶劣，气候严寒，昼夜温差较大，紫外线较强。青海地区户外750 kV GIS设备在运行期间，受年环境温差（温差可达60℃）和日环境温差（温差可达35 ℃）影响，母线筒体和内部导体受热胀冷缩应力多次造成母线筒、盆式绝缘子、支撑绝缘子开裂等故障，对设备及电网稳定运行影响极大。青豫工程送端海南站750 kV 进出线较多，GIS 主母线长度730 m，为国内最长GIS 母线，青豫工程首次采用750 kV GIS户内布置方式，切实解决了高海拔、大温差地区GIS 运行稳定性问题，同时有效改善了GIS 安装环境，提高了750 kV GIS 设备安装质量。

2.7 模块化组装优化提升

模块化组装是工业厂家按照设计图纸和现场需求，在工厂加工生产出的预制部品部件，然后在施工的工地上进行模块化装配。模块化组装预制部件在工厂加工，可批量生产、标准化养护，有利于提高质量。现场施工过程具有速度快、施工人员少、噪音小、废物废水排放少等特点。青豫工程采用了大量模块化组装设计理念，应用了装配式围墙、装配式电缆沟、装配式散水、装配式灯具基础、装配式保护帽等多种方案，既能有效缩短施工周期、减少现场湿作业及维护量，又能提升工艺质量，提高效率。

3 主设备可靠性提升措施

3.1 特高压套管国产化

青豫工程直流穿墙套管和换流变阀侧套管实现国产化。±200 kV，±400 kV，±800 kV 换流变阀侧套管以及±150 kV，±400 kV，±800 kV 穿墙套管通过全套、严格的设计定型试验和破坏性裕度试验，性能指标优良、工艺质量稳定。在青豫工程中实现了批量应用，从现场交接试验和带电调试情况看，国产化套管各项试验数据正常，经受了全电压、大电流及过负荷等试验考核，运行稳定。换流变网侧套管、阀侧套管、穿墙套管通流能力较常规等级直流工程提高至1.2 倍以上，内绝缘水平提高至1.2 倍以上[11]。

3.2 换流变现场组装技术

以往工程换流变均在制造厂内完成器身组装后再运至换流站，存在换流变器身尺寸和重量过大，运输困难等问题，尤其是高端换流变，运输尺寸成为换流变绝缘裕度提高、容量提升的重大限制因素[11]。青豫工程海南换流站高端800 kV 换流变均采取现场组装方式，在西宁检修基地成功的开展了7 台800 kV 换流变现场组装工作，相关设备均已通过出厂试验及现场交接试验，带电调试全部正常，标志着我国全面攻克了特高压换流变现场大规模组装技术和高海拔环境下的制造工艺控制难题。设备尺寸将不受运输限制，绝缘裕度更大。通过高海拔地区换流变现场组装，研究总结了增加热油循环期间加电冲洗、静放期间在储油柜施加静压力促进浸油的措施，提升了工艺处理的可靠性，填补了高海拔地区换流变制造及现场施工质量工艺标准。

3.3 核心设备优化提升措施

3.3.1 换流变

青豫工程送端换流变首次采用双柱750 kV端部轴向出线，并在油箱内部并联引出的出线方式，换流变网侧出线区域等关键部位的绝缘水平提高至1.3 倍以上；换流变温升限值严格按照2 h 1.2 p.u.过负荷功率在最高环境温度并按海拔3 000 m 修正考虑，在箱底、箱盖处增加磁屏蔽，确保产品的温升满足要求。同时提高了送受端换流变的设计容量，受端容量同送端保持一致，均为415 MVA，提高约1.1 倍。所有换流变分接开关都采用的新型4 真空泡结构或改进型双真空泡结构，简化了内部机械结构，加强了核心部件质量，提高了运行可靠性。

3.3.2 换流阀

青豫工程相对以往的±800 kV/8 GW 直流输电工程有更高的过负荷运行能力，2 h 过负荷从以往的1.05 p.u.提升至1.2 p.u.。换流阀采用5 500 A/8 500 V 晶闸管，相较以往工程，晶闸管的通流能力从5 000 A 提升至5 500 A，通流能力提升约10%；电流提升的同时，晶闸管通态压降小幅下降，从1.82 V 降低至1.81 V，使得过负荷工况下换流阀损耗得到有效控制。针对送端换流站高海拔特点，开展了阀层间间隙U50 试验和阀模块U50 试验，获得了详细阀模块外绝缘裕度数据，对外绝缘空气净距进行设计优化和修正，提高了换流阀运行可靠性。

3.3.3 直流控保系统

青豫工程在总结以往工程的基础上，进一步优化完善，提升了控保系统的可靠性及标准化程度。采用交流滤波器大组母线、交流滤波器小组配置保护装置，提升了保护标准化程度。控保程序兼容受端交流系统分裂及合环运行，满足了母联断路器位置变化下的不同无功策略需求。新增通过PMU（向量测量单元）将直流控制保护相关数据上送国调的功能，强化了控保系统与PMU接口联系。调相机后台与直流控制保护系统后台合二为一，方便运维人员在同一操作界面同时监视调相机及换流站的相关运行状态，大大提升运维的便捷性。

3.3.4 罐式断路器

青豫工程滤波器场断路器相比以往工程，在设备试验中补充了机械寿命、密封试验、壳体强度等试验项目，同时进行了“1 轮型式试验+4 轮裕度试验”共5 轮C2 级试验严格考核，进一步提高了设备的安全性和可靠性。

4 控制保护策略优化措施

为适应清洁能源外送，提高系统可靠性，青豫直流在控制保护策略方面采取了一系列优化提升措施。

4.1 分接开关控制策略优化

分接开关是换流变的核心部件，其可靠运行对于换流变极其重要。当前换流变发生的故障事故中，有很大一部分是因为分接开关故障引起的，直接影响设备安全和电网稳定[13]。青豫工程创新采用送端换流阀大角度运行策略和受端换流站定直流电压策略：送端换流阀稳态运行触发角范围为10～25°，受端熄弧角稳态范围为19.5±2°。在交流电压波动或直流功率调整时，送端触发角、受端熄弧角均有一定调整空间，优先调整角度，当角度调整达到限制后，再调整分接开关。该优化可显著减少换流变分接头动作次数。尤其是对送端换流变，传统控制方式直流系统功率从0.1 p.u.至1.0 p.u.上升过程中，分接头逐渐升高，按照额定交流电压计算，双极全压时分接头需动作13次，而采用优化策略后，双极全压时分接头只需动作3 次。根据青豫工程现场系统调试结果，直流功率从0.1 p.u.升至约0.7 p.u.时，分接开关保持不变，当功率超过0.7 p.u.，触发角达到限制后，分接开关才开始动作，有效降减少了分接开关动作次数，提高了设备运行稳定性。

4.2 电流控制器优化策略

青豫工程以输送清洁能源为主，而送端新能源基地近区网架支撑比较薄弱，系统扰动时的过电压问题严重制约直流输送能力。青豫工程创新采用电流控制器优化策略（图5），设计了根据电流变化趋势动态调整PI 参数的电流控制器优化策略，可抑制故障电流增大，避免直流电流中断，以此改善换相失败期间送端系统的低电压和过电压现象[14]。

图5 电流控制器优化策略原理

该优化策略将直流电流实测值ID与IORD指令值进行比较，除判断二者的大小外，同时判断电流变化趋势，即di/dt 方向，将电流控制器的控制分为四个象限，动态调整PI 参数，使得电流控制器调节更加合理。在青豫工程系统调试中，开展了逆变侧交流线路故障试验。双极低端阀组运行，母联合位，双极功率0.2 p.u.（800 MW）。双极功率控制，极一不带策略，极二带策略，逆变侧交流线路C 相接地故障。极一、极二初始电流均为1 000 A。故障期间，极一最高电流3 500 A，极二最高3 200 A；极一最低电流5 A，极二最低电流400 A。系统调试数据证明，电流控制器优化策略对于降低故障期间的电流峰值、避免电流中断的改善作用较为明显（图6）。

图6 电流控制器优化策略现场试验波形

4.3 新增单极闭锁快切交流滤波器

青豫工程为快速抑制单极闭锁时无功过剩引起的换流站交流过电压，增加了单极闭锁快切交流滤波器的策略。直流系统单极闭锁时，综合判断健全极功率转带情况，快速切除与单极闭锁损失有功功率相匹配的交流滤波器，且剩余滤波器数量满足健全极最小和绝对最小滤波器需求，完成时间在150 ms 以内。从试验波形和结果对比可以看出该策略有利于抑制交流过电压（图7，图8，表2）。

图7 传统控制策略电压变化

图8 快切控制策略电压变化

表2 传统切除滤波器策略与快速切除滤波器策略对比kV

4.4 调相机控制策略优化

传统换流站调相机和换流器为独立控制，联系很少。青豫工程把直流的运行功率传输至调相机DCS 系统，调相机可基于直流的运行状态进行优化控制，实现了调相机与直流控保的协调控制。直流小功率时，调相机按照进相方式运行，以适当控制换流母线电压水平，也为换流站解锁和低功率运行时无功过剩提供补偿。直流功率提升后，适当增加调相机无功出力，保证换流母线电压，补偿潮流汇集时交流系统无功消耗，也为直流闭锁后稳态电压控制提供支持。每台调相机的无功出力按图9 所示参考值进行控制。

图9 调相机无功参考值

调相机控制策略优化后，加强了调相机与直流系统的联系，可以更加充分利用调相机无功快速调节特点，有利用调节新能源功率波动对电网造成的扰动。

5 新一代调相机特性及对新能源外送的作用

5.1 新一代调相机基本情况

青豫工程是世界首条以输送清洁能源为主的输电大通道，其送端海南站和送出线路处于风力发电、光伏发电广泛分布的偏远地区，新能源装机容量大、配套常规电源容量较小、电压支撑能力相对较弱、短路容量不足等问题突出。青豫工程输送能力严重依赖于送端近区常规电源的开机方式，直接影响了清洁能源消纳和电网运行方式的灵活性；同时换流站近区汇集大规模风电、光伏等新能源，直流故障例如双极闭锁或换相失败时，将导致换流站及其附近750 kV 变电站暂态电压剧烈变化，很容易导致新能源机组大面积脱网，严重威胁新能源发电和送端电网的安全稳定运行，限制了新能源外送和消纳能力。

为解决青豫工程直流送端动态无功供给不足和电压支撑能力较弱的突出问题，实现直流大规模有功输送，须匹配大规模动态无功，即“大直流输电、强无功支撑”。青豫工程送端海南换流站配备4 台新一代调相机。作为旋转设备，此类新型调相机是基于电磁响应的动态无功电源，通过核心电磁参数优化以及过负荷、耐冲击能力特殊设计，在电网故障时能够自主提供大容量的动态无功功率。与SVC（静止无功补偿装置）、STATCOM（静止同步补偿器）等传统基于电力电子技术的动态无功补偿装置相比，既能为系统提供短路容量，又具有更好的无功出力特性，在降低直流送端暂态过电压、抑制直流受端换相失败、减少送端电网近区风机脱网等方面具备独特优势。新一代调相机在设备维护、技术特性等方面进行了大幅改进完善，充分适应在高海拔地区的运行需求。

5.2 新一代调相机性能参数

青豫工程调相机是在首批调相机设计及成功运行的基础上，为满足调相机高海拔、深度进相运行、适应清洁能源外送要求下，进行技术创新研发的新一代调相机。相对于首批调相机工程，其性能指标得到了进一步的提升（表3）。

表3 青豫工程调相机性能指标对比

新一代调相机为高海拔深度进相新型调相机，无功功率调节范围-250～300 Mvar，调相机定转子均采取空气冷却，适用于平原和高原地区,满足3 000 m 高海拔地区运行需求。采用自并励静态励磁方式，强励时间为15 s，强励倍数电压可达3.5，电流可达2.5，短时过载能力突出，可有效改善电网突发故障下电压产生的瞬间波动。

新一代调相机进行了电磁参数深度优化，在维持调相机快速动态响应能力的基础上大幅提高调相机的进相深度，相对于传统调相机-150 Mvar进相能力，新一代调相机进相深度提升至-250 Mvar，提高了67%，能够更大范围的调节系统电压，有利于新能源外送。

新一代调相机对电磁方案的损耗进行了优化，降低了定子损耗，同时对转子截面进行了设计优化，增加了散热能力，提高了调相机高海拔环境运行能力。此外对整体外观进行了提升，对顶罩形式、螺栓把合、轴承管线、隔音罩空间等进行优化，进一步提高了现场安装及后期运维便利性。

5.3 新一代调相机对新能源外送的作用

新一代调相机对抑制系统电压波动具有明显作用，可有效提升新能源输送能力。以青豫工程输送8 000 MW 为例，当直流发生连续三次换相失败时作为试验条件，通过仿真试验表明，在4台调相机的作用下，可将近区风机暂态过电压降低至1.3 p.u.以下，并降低换流母线暂态过电压46 kV，约6.1%。对解决新能源外送中系统暂态过电压问题效果显著（图10，图11）。

图10 调相机对新能源暂态过电压影响

图11 调相机对换流站暂态过电压影响

海南站4 台调相机可向系统提供约4.09 kA短路电流，在正常运行方式下，可减少换相失败导致的电压波动，有效抑制直流故障后近区风机脱网问题。同时可置换送端常规机组开机，提高新能源外送能力，仿真研究表明，调相机投入运行后，每台调相机可增加500 MW 新能源输送，青豫工程4 台调相机累计可增加2 000 MW 新能源输送能力。