劉吉昀，戴瑞成，趙 璧，國(guó)文亮，張笑迪

（國(guó)網(wǎng)北京檢修公司，北京 100000）

引言

張北柔直電網(wǎng)每年可輸送約140 億千瓦時(shí)清潔能源，超過(guò)北京市年用電量的十分之一，減少標(biāo)煤消耗448萬(wàn)噸、減排二氧化碳1165 萬(wàn)噸，大幅提升北京地區(qū)清潔能源消費(fèi)比重，全面滿足北京地區(qū)以及張家口地區(qū)的26個(gè)冬奧會(huì)場(chǎng)館總計(jì)1 億千瓦時(shí)的年用電量需求，助力北京冬奧場(chǎng)館實(shí)現(xiàn)奧運(yùn)史上首次實(shí)現(xiàn)100%清潔能源供電。為了保證其運(yùn)行穩(wěn)定性，由國(guó)內(nèi)科研單位、廠家自主研發(fā)±500kV 直流斷路器，其可在3ms 內(nèi)分?jǐn)嘀绷鞫搪冯娏?，以?shí)現(xiàn)故障點(diǎn)近端換流站快速重啟，維持遠(yuǎn)端換流站功率傳輸?shù)哪康?，使四端環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活多變、運(yùn)行方式多樣。運(yùn)行方式大體可分為二次控保運(yùn)行方式和一次接線運(yùn)行方式。

1 傳統(tǒng)直流與柔直電網(wǎng)

我國(guó)目前大部分直流輸電系統(tǒng)在能源送出端和接收端以半控型晶閘管為核心元件各建造一座換流站，形成端對(duì)端運(yùn)行。柔直電網(wǎng)是以全控型IGBT 為核心元件，根據(jù)能源輸送需求，建造多個(gè)換流站，利用輸電線路連接組網(wǎng)，形成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。根據(jù)2011年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）B4-52 工作組在《HVDC Grid Feasibility Study》報(bào)告中給出的定義，直流電網(wǎng)是換流器直流端互聯(lián)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)電網(wǎng)，2014年進(jìn)一步明確，直流電網(wǎng)是包含至少3 個(gè)換流站和1 個(gè)由輸電線路組成的網(wǎng)孔的直流輸電系統(tǒng)[1]。

2 柔直電網(wǎng)特點(diǎn)

柔性直流輸電技術(shù)與常規(guī)直流輸電技術(shù)相比，具有有功、無(wú)功靈活控制，可向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)或者弱交流系統(tǒng)供電，不存在換相失敗問(wèn)題，易于擴(kuò)展為多端直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)，系統(tǒng)諧波含量小，不需要配置交流濾波器和無(wú)功補(bǔ)償裝置等優(yōu)點(diǎn)，在清潔能源并網(wǎng)、孤島供電、城市異步電網(wǎng)互聯(lián)、海上平臺(tái)供電等技術(shù)領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)[2-3]。

張北柔直電網(wǎng)配合控制難度大、響應(yīng)速度快、邏輯復(fù)雜，各站控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)的雙極控制（站控制）系統(tǒng)、極控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了站間協(xié)調(diào)控制，如下圖1：

圖1 張北柔直電網(wǎng)控制系統(tǒng)示意圖

站間協(xié)調(diào)控制主要用于直流電網(wǎng)運(yùn)行方式優(yōu)化、切換有功控制模式、調(diào)節(jié)直流電網(wǎng)電壓、線路過(guò)負(fù)荷和站間順控聯(lián)鎖，在張北和北京站各配置一套站間協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，北京站為主站，張北站為后備站[4]。

3 柔直電網(wǎng)二次控保方式

換流站二次控保運(yùn)行方式整體可分為運(yùn)行模式、有功控制模式和無(wú)功控制模式。

換流站運(yùn)行模式分為柔直（HVDC）運(yùn)行模式、無(wú)功補(bǔ)償（STATCOM）運(yùn)行模式、空載加壓（OLT）運(yùn)行模式，柔直（HVDC）運(yùn)行模式：直流線路運(yùn)行，柔性直流系統(tǒng)可傳輸有功和無(wú)功潮流。無(wú)功補(bǔ)償（STATCOM）運(yùn)行模式：柔性直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)相連，僅參與交流電壓/無(wú)功的調(diào)節(jié)[5]，根據(jù)調(diào)度規(guī)程張北柔直各站暫均不采用無(wú)功補(bǔ)償（STATCOM）運(yùn)行模式?？蛰d加壓（OLT）運(yùn)行模式：主要用于直流設(shè)備檢修、故障后或啟動(dòng)前，檢驗(yàn)直流設(shè)備的絕緣水平及直流控制系統(tǒng)是否正常，分為帶線路OLT 和不帶線路OLT。

換流站有功控制模式分為定直流電壓控制、定有功功率控制、定頻率控制。正常運(yùn)行方式下調(diào)節(jié)站處于定直流電壓控制，保持本站直流電壓穩(wěn)定，從而使整個(gè)柔直電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。受端站處于定有功功率控制，保持本站與交流系統(tǒng)交換的有功功率穩(wěn)定，控制柔直電網(wǎng)下送地方主網(wǎng)有功功率，又細(xì)分為雙極功率控制、單極功率控制，雙極功率控制為每個(gè)極分配相同的負(fù)荷，單極功率控制僅改變?cè)摌O的傳輸功率。新能源送出站（孤島運(yùn)行站）處于定頻率控制，保持新能源并網(wǎng)端頻率穩(wěn)定。

換流站無(wú)功控制模式分為定交流電壓控制、定無(wú)功功率控制。定交流電壓控制：正常運(yùn)行方式下保持交流系統(tǒng)側(cè)電壓穩(wěn)定的控制模式。定無(wú)功功率控制：正常運(yùn)行方式下保持本站直流系統(tǒng)產(chǎn)生的無(wú)功功率穩(wěn)定的控制模式。

4 柔直電網(wǎng)一次接線方式

張北柔直工程采用雙極對(duì)稱（真雙極）接線方式進(jìn)行四端組網(wǎng)，即正負(fù)極極線加金屬回線，如圖2。且極線裝設(shè)有直流斷路器，可以直接切斷故障電流，隔絕故障線路，同時(shí)設(shè)有旁路刀閘便于在線投退，即使直流斷路器故障，整個(gè)柔直電網(wǎng)亦可運(yùn)行，因此柔直電網(wǎng)也伴生出了靈活多變的運(yùn)行方式。

圖2 張北柔直電網(wǎng)接線示意圖

張北柔直電網(wǎng)整體可分為三個(gè)層級(jí)：正極運(yùn)行層、負(fù)極運(yùn)行層、金屬回線運(yùn)行層，北京站、豐寧站設(shè)有接地裝置，北京站為主、豐寧站為備，不僅可實(shí)現(xiàn)四站環(huán)網(wǎng)、兩站端對(duì)端運(yùn)行，各換流站正負(fù)極還可獨(dú)立運(yùn)行相當(dāng)于兩個(gè)獨(dú)立環(huán)網(wǎng)，這使得運(yùn)行方式比傳統(tǒng)直流輸電工程更為多樣。

如果以交流側(cè)連接方式劃分，可將柔直電網(wǎng)運(yùn)行方式分為兩大類：

（1）孤島運(yùn)行：交流側(cè)僅接入新能源。

（2）聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行：交流側(cè)與本地交流電網(wǎng)主網(wǎng)相連。

如果以直流側(cè)主接線變化劃分，可將本工程運(yùn)行方式分為兩大類：

（1）雙極運(yùn)行：正負(fù)極運(yùn)行。

（2）單極運(yùn)行：僅正極或負(fù)極運(yùn)行。

張北柔直電網(wǎng)在考慮換流閥投切組合和直流網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r(shí)，所有可能的運(yùn)行方式多達(dá)5928 種。如此復(fù)雜多變的運(yùn)行方式對(duì)于日常運(yùn)行是極大挑戰(zhàn)，后經(jīng)過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研各單位多次討論、艱苦科研攻關(guān)，最終利用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將張北柔直電網(wǎng)最終運(yùn)行方式優(yōu)化為9 種：

表1 張北柔直電網(wǎng)運(yùn)行方式表

5 監(jiān)控運(yùn)行維護(hù)

人員合理。目前換流站均為有人值守，且柔直換流站應(yīng)用新技術(shù)較多、設(shè)備較復(fù)雜，上送監(jiān)控后臺(tái)信息達(dá)近10萬(wàn)條，運(yùn)維監(jiān)控難度大，人員選擇尤為重要，公司統(tǒng)籌協(xié)調(diào)內(nèi)外部資源，高標(biāo)準(zhǔn)選拔管理、技術(shù)人員，以青年員工為主力，抽調(diào)學(xué)歷高、專業(yè)對(duì)口、技術(shù)過(guò)硬的生產(chǎn)骨干，組成一線保障團(tuán)隊(duì)。

管理專業(yè)。在總結(jié)常規(guī)換流站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合柔性直流設(shè)備特點(diǎn)，根據(jù)公司運(yùn)維專業(yè)管理傳統(tǒng)，編制了完整齊全的柔性直流換流站運(yùn)行管理制度，包含安全管理制度、運(yùn)行管理制度、設(shè)備管理制度、培訓(xùn)管理制度。

科技助力。全站配置變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、SF6 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等多個(gè)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，高清視頻攝像頭站院全覆蓋，閥廳內(nèi)配置紅外測(cè)溫系統(tǒng)，后續(xù)將安裝換流變智能巡檢系統(tǒng)，進(jìn)一步協(xié)助運(yùn)維人員巡檢，同時(shí)定期開(kāi)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)帶電監(jiān)測(cè)分析，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 后期工程建議

6.1 改變控制方式

為減少功率調(diào)節(jié)次數(shù)、降低值班監(jiān)控人員工作量，建議未來(lái)工程在上網(wǎng)功率小于受端站最大容量的時(shí)候，以調(diào)節(jié)站定有功功率控制（功率設(shè)為0MW）、受端站定直流電壓控制，亦可確保上網(wǎng)功率滿送受端電網(wǎng)。

6.2 增加閥廳監(jiān)視手段

閥廳在雙極正常運(yùn)行時(shí)禁止進(jìn)入，日常巡視、故障檢查均通過(guò)監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行，現(xiàn)在閥廳監(jiān)視由消防系統(tǒng)、固定式攝像頭、紅外測(cè)溫系統(tǒng)組成。當(dāng)發(fā)生子模塊旁路、黑模塊等故障時(shí)運(yùn)行人員需通過(guò)監(jiān)視系統(tǒng)確認(rèn)設(shè)備實(shí)際狀態(tài)，由于閥塔、直流斷路器較高且內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)有手段不能全方面監(jiān)視、觀察設(shè)備狀態(tài)，即使增加機(jī)器人等地面可移動(dòng)監(jiān)視裝置，也不能完全滿足監(jiān)視需求。建議后續(xù)工程以帶上下移動(dòng)、左右移動(dòng)滑軌的可見(jiàn)光攝像頭、紅外測(cè)溫?cái)z像頭、紫外攝像頭（用于觀察放電現(xiàn)象非消防使用）。

7 結(jié)束語(yǔ)

張北柔直電網(wǎng)是中國(guó)電網(wǎng)技術(shù)的重大突破，具備重大創(chuàng)新引領(lǐng)和示范意義，對(duì)其運(yùn)行方式進(jìn)行分析、總結(jié)，將有助于未來(lái)柔性直流電網(wǎng)研究與發(fā)展。柔性直流電網(wǎng)發(fā)展是大勢(shì)所趨，其能夠有效破解新能源大規(guī)模并網(wǎng)消納難題，對(duì)于推動(dòng)新能源開(kāi)發(fā)外送、能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展，具有顯著的作用和戰(zhàn)略意義。將進(jìn)一步推動(dòng)構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，助力“美麗中國(guó)”建設(shè)。