董言樂，張?zhí)忑垼斚?，劉欣，徐自閑，孟軒

(1. 中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣州510663；2. 電力規(guī)劃設計總院，北京100120)

0 引言

多端直流輸電系統(tǒng)是指含有多個整流站或/和多個逆變站的直流輸電系統(tǒng)[1 - 4]。其最顯著的特點在于能夠實現(xiàn)多電源供電、多落點受電，提供一種更為靈活的輸電方式[5 - 10]。

傳統(tǒng)的兩端直流僅能實現(xiàn)點對點的功率傳輸，無法實現(xiàn)多個區(qū)域電網(wǎng)間的互聯(lián)，因此在由大規(guī)模電源送出且受端多點分散接入、分布在不同區(qū)域的風電等新能源輸送到遠方負荷中心、直流輸電線路中間分支接入負荷或電源等場景下，采用多端直流輸電系統(tǒng)運行更為靈活、對線路走廊的利用更加充分、經(jīng)濟性更好。

我國近年來多端直流工程發(fā)展迅速[11 - 13]、類型多樣，對于優(yōu)化電網(wǎng)結構、促進清潔能源開發(fā)和消納具有重要作用。“十三五”后期，為實現(xiàn)水電資源的充分利用和優(yōu)化配置，推進能源結構轉型升級，我國逐步加強水火互濟的輸電通道規(guī)劃和建設[14 - 15]。因此，在線路走廊緊張地區(qū)，利用原有兩端常規(guī)直流通道進行三端甚至多端化改造，其系統(tǒng)設計與工程實踐具有重大意義。

1 多端直流系統(tǒng)結構與功率傳輸模式

多端直流系統(tǒng)最基本的拓撲結構包括并聯(lián)型和串聯(lián)型，對于某些特殊場合，既有并聯(lián)又有串聯(lián)的混聯(lián)式多端直流輸電系統(tǒng)也有可能得到應用。目前國內外進入工程應用的高壓大容量多端直流輸電系統(tǒng)均采用并聯(lián)型拓撲接線。并聯(lián)型多端直流輸電系統(tǒng)的特點是各換流站均在一個基本相同的直流電壓下運行，直流電壓由其中一個換流站控制，換流站間有功功率的分配和調整主要通過改變換流站的直流電流來實現(xiàn)。

已有換流站A和B構成的雙端直流輸電系統(tǒng)，新建換流站C以及相應直流線路，可以形成三端并聯(lián)型直流系統(tǒng)，拓撲結構如圖1所示。這樣換流站A、C之間輸送功率時，可以利用原有的A、B直流通道。類似地，也可以拓展成三端以上的直流系統(tǒng)。

圖1 雙端改造為三端直流系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of transformation from two-terminal to three-terminal DC system

理論上講，對于任一換流站均可自由控制功率流向的n端直流輸電系統(tǒng)的功率傳輸模式種類數(shù)為f(n)，則：

(1)

實際上，各換流站在系統(tǒng)中的功能定位不同，往往有些換流站只存在特定的功率傳輸方式，如電源匯入點的換流站只以整流模式送出功率或負荷中心的換流站只以逆變模式吸收功率。對于含有m個單向功率傳輸換流站的n端直流輸電系統(tǒng)，

(2)

多端直流系統(tǒng)隨著換流站數(shù)量(直流接入點)的增加，功率傳輸模式迅速增多，具體到直流運行方式則更為復雜多變，為系統(tǒng)運行帶來了更大的靈活性，當然也對控制保護系統(tǒng)帶來了嚴峻考驗。另外，多端直流系統(tǒng)畢竟和直流電網(wǎng)不同，其可靠性也會隨著換流站數(shù)量的增加、系統(tǒng)復雜度的增加和降低。因此，目前世界上現(xiàn)有的常規(guī)多端高壓直流系統(tǒng)，多數(shù)是以三端和兩端模式在運行。例如魁北克-新英格蘭(Quebec-New England)五端直流輸電工程，通常狀態(tài)下保持Radisson、Nicolet和Sandy Pond換流站雙極三端運行，在Radisson或Sandy Pond換流站中斷運行時，則保持Comerford和Des Cantons換流站雙極兩端運行[16 - 17]。

本文的研究基于南方電網(wǎng)云貴互聯(lián)通道工程，是我國首個利用原有常規(guī)直流輸電通道(高肇直流)進行三端化改造的±500 kV直流輸電工程。高肇直流輸電工程西起貴州高坡?lián)Q流站，東止于廣東肇慶換流站，雙極額定輸送容量3 GW，于2004年投產(chǎn)。云貴互聯(lián)通道工程新建云南祿勸換流站和±500 kV線路388.8 km，同時對高肇直流進行改造，組成三端直流系統(tǒng)。

其主要功率傳輸模式為：

貴州+云南→廣東、云南→貴州+廣東(3端)；

云南→廣東、云南→貴州、貴州→廣東(2端)。

其直流運行方式有9種，分別為：

1)雙極平衡運行方式；

2)單極大地回路運行方式；

3)單極金屬回路運行方式；

4)云南、廣東雙極，貴州單極大地回路運行方式；

5)云南、貴州雙極，廣東單極大地回路運行方式；

6)廣東、貴州雙極，云南單極大地回路運行方式；

7)云南雙極，廣東正(負)極、貴州負(正)極大地回路運行方式；

8)廣東雙極，云南正(負)極、貴州負(正)極大地回路運行方式；

9)降壓運行方式。

2 基于直流高速開關的中間站改造

2.1 接線與功能

貴州高坡站作為三端直流匯流站，直流出線2回，分別至云南祿勸站和廣東肇慶站。為了實現(xiàn)直流系統(tǒng)的第三站在線投退及直流線路故障隔離，提高整個直流系統(tǒng)的可靠性和可用率，高坡站的直流雙極極母線、至肇慶、祿勸出線側均配備裝設了500 kV直流高速開關(HSS)。

根據(jù)實際工程需要，改造后的三端直流存在“云南和貴州向廣東送電(二送一)”、“云南向貴州和廣東送電(一送二)”運行模式?？梢姡咂抡炯瓤梢宰鳛樗投苏髡?，也可以作為受端逆變站，由于電流方向不變，要通過控制直流電壓的極性來控制功率流向，因此在該站要設置直流極性轉換開關。

綜上，高坡站直流場需新增6臺500 kV直流高速開關和18臺500 kV直流隔離開關等高壓直流電氣設備。改造后高坡站直流場電氣接線如圖2所示。

圖2 直流高速開關配置示意圖Fig.2 DC high-speed switch configuration

其中，直流高速開關主要有以下3個方面作用：

1)直流系統(tǒng)運行于三端模式，需要進行檢修或站內發(fā)生故障等情況下，退出對應端換流站，直流系統(tǒng)轉為兩端模式；

2)直流系統(tǒng)運行于兩端模式，需要將已退出的換流站重新投入運行，直流系統(tǒng)轉為三端模式；

3)發(fā)生直流線路永久故障或檢修，送端換流站快速移相、直流線路電流降為零后，通過斷開HSS1和HSS3實現(xiàn)直流線路故障隔離。

2.2 設備研發(fā)

直流高速開關是在直流550 kV電壓等級直流母線快速開關的基礎上進行研制的[18 - 19]，填補了國內空白，其主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術參數(shù)Tab.1 Main parameters

開關整體外形呈“T”形布置。每臺開關為雙斷口結構，包括滅弧室、均壓電容、軀殼、均壓環(huán)、支柱、機構、二次控制柜，開關每極配用一臺液壓碟簧操動機構，每臺開關配用一個控制柜，其外形如圖3所示。

圖3 直流高速開關實物圖Fig.3 Physical diagram of DC high-speed switch

3 場地受限的直流場改造

改造前高坡站直流出線1回，直流場采用典型極對稱接線，每極配置2組直流濾波器。直流場采用中型布置，直流濾波器布置在每極極母線與中性母線之間，電氣平面布置見圖4(a)。

圖4 高坡?lián)Q流站直流場改造前后平面布置圖Fig.4 Layout diagram of DC yard of Gaopo converter station before and after reconstruction

改造需要新增大量高壓直流電氣設備，這些設備在前期工程設計中未預留位置，按常規(guī)擴建思路需要在圍墻外新征用地，但是本站外部沒有擴建條件。因此，需重點研究場地受限的直流場改造方案，一方面在滿足安全的條件下對新增設備外形尺寸進行優(yōu)化，另一方面對原有設備配置和布置進行合理調整。

結合站址環(huán)境條件，為節(jié)省布置空間，新增的500 kV直流隔離開關采用雙柱伸縮式、地刀為伸縮式；直流高速開關設備長度由8 500 mm降為8 210 mm；結合直流極線耦合電容器設備高度由9 182 mm降為8 712 mm，均壓環(huán)外徑由3 500 mm縮小為2 600 mm。

另外，為了給圍墻內改建提供有利條件，根據(jù)系統(tǒng)研究結果，每極拆除一組靠極線側直流濾波器，其電容器單元串入保留的直流濾波器組C1電容器塔低壓端；接地極監(jiān)視系統(tǒng)改用基于高頻脈沖反射方式的技術方案，不再采用需增加阻斷濾波器、注入濾波器、注入變壓器等設備的注入電流方式；將直流極性轉換開關布置在雙極極母線直流高速開關和金屬回線之間，極性轉換回路采用軟導線跨線布置在中性線設備上方。

基于上述方法和措施，可以最大程度地提高空間利用率，完成圍墻內直流場改造的創(chuàng)舉。改造后平面布置圖如圖4(b)所示。

4 三維數(shù)字化設計技術應用

當建設項目呈現(xiàn)出復雜化、集成化、龐大化的特點，三維協(xié)同設計、仿真虛擬技術的應用將發(fā)揮重要作用。本項目的研究主要基于Revit軟件平臺，可高效地結合三維模型和二維平面，利用共享屬性信息實現(xiàn)二維標注的關聯(lián)， 實現(xiàn)了模型平面、立面、剖面的信息高效聯(lián)動，其直觀化、形象化、精確化[20 - 22]特點，有助于提高設計水平和工作效率。

4.1 電氣安全凈距校驗

高坡?lián)Q流站直流場設備布置緊湊，存在多處電氣安全凈距控制敏感點。比如直流極性轉換回路切線和另外一極帶電體之間需滿足11 m空氣凈距要求，如圖5所示。由于布置空間受限，極線耦合電容器、融冰隔離開關至周邊設施之間空氣凈距緊張等。采用三維可視化手段對帶電設備及導體開展電氣安全凈距校驗，并對相關布置進行調整和優(yōu)化，提高了設計精度和安全性。

圖5 直流極性轉換回路電氣安全凈距校驗Fig.5 Verification of electrical safety clearance of DC polarity conversion circuit

4.2 綜合碰撞檢查

對于復雜的換流站改造項目，對直流場區(qū)域地下基礎、電纜溝等設備模型進行三維硬碰撞檢查，可以最大程度地降低工程建設中可能出現(xiàn)的碰撞隱患，如圖6所示。直流場改建最大化利用前期電纜溝和道路設施，采用三維手段校驗設備布置，盡量避免新設備及架塔基礎開挖過程中對已有電纜溝及道路設施造成損壞。由于三維模型的唯一性、可視化、協(xié)同性，實現(xiàn)各專業(yè)設計成果的同步更新與完善，避免施工時出現(xiàn)設計變更及返工，縮短項目周期，降低項目建設成本。

圖6 綜合碰撞檢查界面Fig.6 Clash detective interface

4.3 三維可視化支持

對高坡?lián)Q流站直流場可以建立改造前后的三維數(shù)字化成品，如圖7所示。配合數(shù)據(jù)庫支持，可以如在現(xiàn)場般觀察、測量設備、建構筑物、地下設施的定位及相對位置關系，更直觀地展示直流場改造方案和前后對比差異。

圖7 高坡?lián)Q流站直流場改造前后的三維數(shù)字化對比Fig.7 Three dimensional digital comparison of DC field of Gaopo converter station before and after reconstruction

5 結論

針對兩端常規(guī)直流輸電系統(tǒng)的多端化改造問題，本文研究了多端直流輸電拓撲結構、功率傳輸模式，根據(jù)實際需求和條件、技術經(jīng)濟可行性確定改造后的直流運行方式。

本文提出了一種基于新型直流高速開關設備的中間換流站改造方法。在前期工程無預留位置、站外無擴建條件的約束條件下，通過采取優(yōu)化設備外形尺寸、配置方案、布置方式等措施，最大程度地提高空間利用率，完成圍墻內直流場改造的創(chuàng)舉。另外，研究和設計實踐證實了在直流系統(tǒng)多端化改造工程中采用三維設計的技術優(yōu)勢。本研究基于國內首個利用原有直流輸電通道進行三端改造的直流輸電工程，其系統(tǒng)設計與工程實踐具有典型意義。