國網(wǎng)北京市電力公司 劉吉昀 涂明濤 馬 鋒 李 雪 國文亮

設(shè)計、建設(shè)期間，各科研單、高校、建設(shè)單位、調(diào)試單位等開展大量研究、分析、調(diào)試、論證等工作，但在運(yùn)行過程中仍暴露出新能源大規(guī)模并網(wǎng)、直流電網(wǎng)特性分析不足等問題，也發(fā)生過因控制閉鎖邏輯不完善導(dǎo)致操作過程中直流電網(wǎng)故障的情況。張北直流電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱、運(yùn)行特性復(fù)雜、電網(wǎng)控制復(fù)雜，對運(yùn)行值班人員要求更高，需要在掌握本站運(yùn)行方式的同時，提高直流電網(wǎng)網(wǎng)架思維，全面了解直流電網(wǎng)運(yùn)行方式、控制模式、各項規(guī)定等，確保直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 運(yùn)行方式介紹

1.1 電網(wǎng)運(yùn)行方式

張北直流電網(wǎng)采用四端環(huán)形連接方案，未來可擴(kuò)展為“日”字形七端網(wǎng)絡(luò)，換流站預(yù)留未來擴(kuò)展設(shè)備位置，很容易在送受端建設(shè)新的落點，送受端均可與弱電網(wǎng)或者無源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，可對無功功率和有功功率進(jìn)行獨(dú)立快速地調(diào)節(jié)，實現(xiàn)輸送功率的連續(xù)、快速動態(tài)調(diào)節(jié)[1]。采用真雙極接線方案，包括正極層、負(fù)極層及金屬回線層，延慶站設(shè)置主接地點，阜康站設(shè)置備用接地點。采用“手拉手”環(huán)形接線方式連接，其中正負(fù)極均可獨(dú)立運(yùn)行，相當(dāng)于兩個獨(dú)立環(huán)網(wǎng)，任何一條線路或換流單元的退出不影響直流電網(wǎng)剩余元件的正常運(yùn)行，如圖1所示。

建設(shè)階段設(shè)計運(yùn)行方式44種，其中端對端2種、直流電網(wǎng)42種，直流電網(wǎng)采用兩種基本運(yùn)行方式：全接線運(yùn)行方式和非全接線運(yùn)行方式，具體運(yùn)行方式可以分為8類，分別為全接線運(yùn)行方式（1種）、單換流器退出運(yùn)行（8種）、單極線路退出運(yùn)行（8種）、極母線退出運(yùn)行（8種）、金屬回線退出運(yùn)行（4種）、中性母線退出運(yùn)行（4種）、單換流站退出運(yùn)行（4種）和單通道退出運(yùn)行（5種），一共42種運(yùn)行方式。直流電網(wǎng)不考慮降壓運(yùn)行方式，同一換流站的正、負(fù)極功率方向保持一致。

圖1

1.2 控制模式

根據(jù)換流站與所在地區(qū)交流電網(wǎng)連接方式分為直流聯(lián)網(wǎng)、直流孤島、STATCOM，具體情況如下：

正常運(yùn)行情況下直流電網(wǎng)控制由直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制與換流站控制配合完成，直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制主要包括電壓接管功能、電網(wǎng)電壓范圍控制、NGBS的順控聯(lián)鎖功能、潮流優(yōu)化功能等，協(xié)調(diào)控制功能依賴站間通訊。換流站控制主要功能包括數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、順控與聯(lián)鎖、換流變分接頭控制、換流器充電與解鎖控制、過負(fù)荷限制、功率盈余控制等。在延慶、中都換流站各配置2套直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主站，延慶為主控制站，中都為后備控制站。

中都、康巴諾爾換流站孤島運(yùn)行，采用交流定電壓/定頻率控制，其傳輸?shù)挠泄β始鞍l(fā)出的無功功率由光電場、風(fēng)電場決定；阜康換流站采用定直流電壓控制，通過調(diào)節(jié)調(diào)制波相角保證換流站直流電壓為設(shè)定值，實現(xiàn)全網(wǎng)功率平衡，從而保證直流電網(wǎng)的直流電壓穩(wěn)定；延慶換流站采用定有功功率控制，控制下送電網(wǎng)有功功率值。

1.3 站內(nèi)接線方式

換流站站內(nèi)接線方式應(yīng)能實現(xiàn)上述電網(wǎng)的各種運(yùn)行方式，同時可實現(xiàn)：換流站內(nèi)直流系統(tǒng)的一極進(jìn)行隔離及接地或?qū)χ绷骶€路一極進(jìn)行隔離及接地；對直流電網(wǎng)某一個換流站進(jìn)行隔離及接地；在雙極電流平衡運(yùn)行或金屬回線電流小于定值時，實現(xiàn)主備接地點的在線切換；一極檢修或故障跳閘后不影響保留極的功率；檢修結(jié)束后試驗或重新投入任何一個極不應(yīng)中斷運(yùn)行極輸送功率。本工程應(yīng)用機(jī)械式、固態(tài)式和混合式3種高壓直流斷路器，實現(xiàn)正常運(yùn)行及電網(wǎng)故障時的電流開斷。

表1

采用“半橋MMC+直流斷路器”方案，對稱真雙極接線，直流部分采用簡化單母線接線，分兩極，每1極由上下橋臂各1個MMC換流器組成[2]。利用安控策略切除接入直流電網(wǎng)的機(jī)組無法滿足直流電網(wǎng)故障清除速度的要求，在送端站設(shè)有交流耗能裝置，由晶閘管閥組控制投切，在故障發(fā)生后1.4ms時間內(nèi)快速投入并吸收系統(tǒng)盈余功率，為安控策略切除風(fēng)機(jī)爭取時間[3]。

換流變、啟動電阻及橋臂電抗器布置在戶外，橋臂電抗器與閥體設(shè)備通過穿墻套管連接，換流閥、直流斷路器及二者之間的測量裝置、避雷器和開關(guān)等設(shè)備放置在閥廳內(nèi)，直流側(cè)匯流母線采用單母線方式放置在閥廳內(nèi)，直流正、負(fù)極出線經(jīng)穿墻套管連至站外直流輸電線，直流側(cè)配置直流限流電抗器、中性線開關(guān)（NBS）、金屬回線開關(guān)（MBS）及中性線接地開關(guān)（NBGS）等設(shè)備，延慶、阜康站設(shè)接地裝置，中都、康巴諾爾站設(shè)耗能裝置，接線圖如圖2所示。

圖2

交流部分均采用GIS設(shè)備，500kV采用1個半斷路器接線、220kV采用雙母線雙分段接線、66kV側(cè)采用單母線單元接線，變壓器選用500kV單相三繞組自耦、無勵磁調(diào)壓油浸式變壓器。中都、康巴諾爾換流站裝設(shè)交流耗能裝置，交流耗能裝置主要由晶閘管閥、耗能電阻、66kV GIS和交流耗能變壓器組成，并接于220kV/66kV降壓變低壓側(cè)。

2 相關(guān)運(yùn)行規(guī)定

國網(wǎng)公司出臺《直流換流站五項管理規(guī)定》、十八項反措、直流二十一項反措、柔直反措等，規(guī)定中對換流站運(yùn)行期間的運(yùn)行維護(hù)、倒閘操作、故障及異常處理、特色要求等加以明確，各級堅持“安全第一，分級負(fù)責(zé)，精益管理，標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)，運(yùn)維到位”的原則，做好日常工作。發(fā)布89號文、“六查六禁”，加強(qiáng)倒閘操作管理，提高運(yùn)行操作水平。

張北直流電網(wǎng)屬于華北網(wǎng)調(diào)調(diào)度范圍，其先后在2020年、2022年制訂并修訂《±500千伏張北柔性直流輸電系統(tǒng)調(diào)度管理規(guī)定》，加強(qiáng)對張北直流電網(wǎng)運(yùn)行方式、倒閘操作、繼電保護(hù)、自動化、事故處理及配套新能源場站等方面管理。

調(diào)試單位在調(diào)試結(jié)束后編寫《張北柔直工程直流標(biāo)準(zhǔn)操作手冊》，同時將調(diào)試報告移交運(yùn)行單位，可作為運(yùn)行單位日常操作、事故處理、運(yùn)維等工作的參考。

張北直流電網(wǎng)分屬北京、冀北公司管轄，在總結(jié)常規(guī)換流站運(yùn)行經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合柔性直流設(shè)備特點，編制了完整齊全的柔性直流換流站運(yùn)行管理制度，各自根據(jù)本站實際編制現(xiàn)場運(yùn)行規(guī)程，詳細(xì)規(guī)定各一次、二次、輔助、消防等設(shè)備運(yùn)行要求。針對不同站設(shè)備特點、運(yùn)行方式，根據(jù)“六查六禁”要求，逐項制定專項管控措施，根據(jù)操作任務(wù)編制風(fēng)險預(yù)控措施卡，針對較為復(fù)雜操作，提前組織倒閘操作任務(wù)勘察，落實到崗到位把關(guān)要求，實行差異化管控措施，杜絕運(yùn)維責(zé)任事件發(fā)生。

3 操作注意事項

在張北柔直電網(wǎng)設(shè)計聯(lián)調(diào)、系統(tǒng)調(diào)試、試運(yùn)行期間，成套設(shè)計單位、調(diào)試單位、運(yùn)維單位、技術(shù)支撐單位、控保廠家等，通過模擬仿真、現(xiàn)場調(diào)試等手段，分析直流電網(wǎng)特性，提高網(wǎng)架意識，總結(jié)出部分操作要點，有助于調(diào)度、運(yùn)行單位日常工作。

運(yùn)維人員直流部分倒閘操作主要采用順序控制，順序控制可對換流站內(nèi)開關(guān)、刀閘的分/合操作和換流閥從接地到運(yùn)行、從運(yùn)行到接地等提供自動執(zhí)行功能，OWS系統(tǒng)、DLC就地控制屏均可進(jìn)行操作。

經(jīng)過現(xiàn)場實際操作，直流電網(wǎng)操作基本確定了啟停方式，先合入兩個接地裝置，再連接中延（先延慶后中都）、阜諾（先阜康后康巴諾爾）金屬回線，再連接中延、阜諾極線，由延慶、阜康交流側(cè)充電，四站解鎖運(yùn)行，中都、康巴諾爾進(jìn)行站用變倒閘、耗能變和耗能裝置轉(zhuǎn)運(yùn)行，新能源場站發(fā)電，后再四端環(huán)網(wǎng)，阜康站接地裝置拉開，延慶站正、負(fù)極有功控制方式轉(zhuǎn)為雙極功率控制。

由于張北柔直電網(wǎng)的復(fù)雜性和輸送新能源的特性，在系統(tǒng)調(diào)試過程中，2020年12月張北工程康巴諾爾站向交流側(cè)諾英線充電過程中，也發(fā)生了多次1500Hz左右的高頻振蕩的現(xiàn)象[4]。后續(xù)分析原因后，制訂相應(yīng)操作規(guī)定，新能源場站并網(wǎng)發(fā)電時，需要逐個場站進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電（新能源并網(wǎng)發(fā)電的機(jī)組越多系統(tǒng)越穩(wěn)定），避免出現(xiàn)同時有兩條及以上220kV空線路運(yùn)行的情況出現(xiàn)。

針對張北柔直電網(wǎng)首臺首套設(shè)備，同時總結(jié)出部分操作注意事項：直流線路允許單側(cè)旁路，在四端啟動運(yùn)行時，同一極層不允許同時有兩臺及以上高壓直流開關(guān)旁路運(yùn)行；極母線開關(guān)不允許開斷直流電流；閥充電必須經(jīng)過充電電阻，同時滿足啟動電阻沖擊規(guī)定；直流斷路器操作后存在自鎖時間限制；金屬回線不能進(jìn)行OLT試驗，只有正、負(fù)極線可以進(jìn)行OLT試驗；自動功率曲線功能投入之前，需將定直流功率站的功率與自動功率曲線的功率調(diào)整一致；柔直系統(tǒng)啟動運(yùn)行后，需要先將孤島站耗能變和耗能裝置轉(zhuǎn)運(yùn)行，再啟動新能源并網(wǎng)運(yùn)行；四套協(xié)控主機(jī)全部故障后（方式優(yōu)化功能退出、協(xié)控?zé)o法計算柔直輸電能力），協(xié)控主站申請四端柔直系統(tǒng)停運(yùn)；先將停運(yùn)極轉(zhuǎn)為單極功率控制，并降至0再進(jìn)行一次設(shè)備操作；全自動功率曲線投入前，在得到調(diào)度認(rèn)可后，先根據(jù)曲線功率值，將功率值與自動功率曲線調(diào)整一致。

目前，直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)有運(yùn)行方式優(yōu)化，張北柔直電網(wǎng)四端運(yùn)行時，發(fā)生故障后自動轉(zhuǎn)換至調(diào)度規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行方式。運(yùn)行方式優(yōu)化動作必須依靠事故總信號來觸發(fā)，保護(hù)動作后，換流器先閉鎖然后直流線路隔離，其他的不存在先后順序，各電氣元件收到優(yōu)化方式信號后各自獨(dú)立退出。阜延直流、中諾直流的正、負(fù)極線、金屬回線全部處于斷開（線路任一側(cè)斷開定義為斷開狀態(tài)）狀態(tài)，方式優(yōu)化功能自動閉鎖，其他運(yùn)行方式下方式優(yōu)化功能自動投入。

4 結(jié)語

本文針對張北柔性直流電網(wǎng)工程，介紹電網(wǎng)運(yùn)行方式、站內(nèi)接線特點，提出部分倒閘操作要點。隨著運(yùn)行時間增長，技術(shù)人員、運(yùn)維人員對柔直電網(wǎng)運(yùn)行特點、設(shè)備狀態(tài)會有更加全面、系統(tǒng)的認(rèn)知，可進(jìn)一步推動柔性直流電網(wǎng)、電力電子技術(shù)發(fā)展，對于推動新能源開發(fā)外送、能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展具有顯著的作用。