特高压直流输电系统成套设计及其国产化

2006年8月Power System Technology Aug. 2006 文章编号：1000-3673（2006）16-0001-05 中图分类号：TM721.3 文献标识码：A 学科代码：470?4051

特高压直流输电系统成套设计及其国产化

常浩，樊纪超

（北京网联直流工程技术有限公司，北京市东城区100005）

System Design and its Localization of UHVDC Transmission Project

CHANG Hao，FAN Ji-chao

（Beijing Wanglian HVDC Engineering Technology Co. Ltd.，Dongcheng District，Beijing 100005，China）

ABSTRACT: UHV transmission system provides significant benefits for bulk power transmission over extreme long distance. Construction of UHV projects will not only ensure the secure, reliable and economic transfer of large power energy, but also contribute for the significant reduction of corridor, the upgrade of transmission technology, and the improvement of manufacture level. UHVAC and UHVDC projects will be developed to be an important part of state grid in eleventh five-year state grid planning. The system design and its localization of HVDC transmission projects, the key technology problems and main research contents of system design of UHVDC transmission projects are briefly introduced. By solving the key technology problems and completing main research contents, the local company will have the ability of being independently charged with system design of UHVDC transmission projects.

Key works: UHVDC transmission; system design; localization

摘要：特高压输电具有远距离、大容量、低损耗的优势，是实现能源资源优化配置的有效途径，能够取得良好的社会经济综合效益。发展特高压电网可以推动我国电力技术创新和电工制造业的技术升级。在我国电网的“十一五”规划中，直流特高压将与交流特高压共同发展，最终成为全国骨干网架的重要组成部分。本文介绍了高压直流输电系统成套设计的国产化历程，分析了特高压直流输电系统成套设计的关键技术问题，并简述了当前特高压直流输电系统成套设计的主要研究内容。通过解决关键技术问题，实现对原有常规高压直流输电系统成套设计引进技术和成果的消化、吸收、再创新，国内将具备独立承担特高压直流输电工程的系统研究和成套设计能力。

关键词：特高压直流输电；成套设计；国产化

0 引言

特高压输电具有远距离、大容量、低损耗的优势，是实现我国能源资源优化配置的有效途径，能够取得良好的社会经济综合效益。发展特高压电网可以推动我国电力技术创新和电工制造业的技术升级。在我国电网“十一五”规划中，直流特高压将与交流特高压共同发展，最终成为全国骨干网架的重要组成部分[1-11]。目前国内外的特高压研究工作主要包括特高压交流(UHVAC)和特高压直流(UHVDC)输电技术[12-16]。

金沙江一期向家坝、溪洛渡大型水电站的电力外送将采用±800 kV直流输电技术，具有比三峡工程更高的直流电压、更远的送电距离和更大的输送容量，其建设将对我国电网的跨越式发展和全国联网格局的形成产生巨大的影响。对于±800 kV直流输电，由于目前世界上还没有成熟技术，在中国及至世界上仍是一个具有相当多技术难点的工程实践课题。

在向家坝－上海±800 kV直流工程起始阶段，北京网联直流工程技术有限公司（以下简称为网联公司）在常规高压直流工程的系统研究和成套设计(以下简称为成套设计)基础上，根据特高压直流输电自身的特点和技术难点，在更高的直流技术水平上对第一个特高压直流工程开展成套设计工作，编制特高压直流主设备及直流控制保护系统的采购规范。同时，将利用现有的软硬件环境，对成套设计的主要结论和控制策略进行验证。

本文将对高压直流输电系统成套设计的国产化历程进行简要介绍，分析特高压直流输电系统成套设计的关键技术问题及解决方案，并概述当前特高压直流输电系统成套设计的主要研究内容。

1 直流输电系统成套设计及其国产化

1.1 直流输电系统成套设计技术

直流换流站是一个非常复杂的系统，设备种类和数量、直流技术科技含量、设计及工程建设难度

远超过交流变电站。如何将众多设备组合成一个有机整体，使之实现直流系统的整体功能，达到科学合理、经济节约、安全可靠、保护环境、可持续发展的工程目标是直流输电系统成套设计的基本任务。

直流输电系统成套设计技术是直流输电的核心技术，开展成套设计工作是实施直流工程的必要前提。它统筹考虑功能规范书的要求、参考国内外设备企业的制造能力、换流站址及系统条件，优化直流系统整体性能，研究并设计主回路参数、控制保护系统结构及功能，明确各设备之间的技术接口要求，提出设备技术规范、设备监理导则、调试验收方案等直流工程建设全过程的技术要求和管理方案，协调设备制造、试验和质量监控，降低工程造价，确保工程质量和进度。

按照成套设计的要求以及以往常规直流工程的实践经验，完整的成套设计工作包括直流系统研究、成套设计书编制、设备技术规范编制、设备监理、控制保护系统联合功能及性能测试、工程的现场调试等6个阶段。

1.2 直流输电工程国产化

直流输电工程国产化主要包括直流系统研究和成套设计、工程设计技术以及直流设备制造国产化两大范畴。推进直流输电工程国产化，不仅是市场竞争的需要，也是进一步提高我国重大技术装备和产业研发水平、增强企业核心竞争力、带动国内相关产业链全面进步的重大举措。

为了做到自主咨询研究、自主成套设计、自主制造供货、自主建设调试等直流工程全过程国产化，业主组织国内制造企业、设计单位、相关科研机构等力量，构建了直流系统研究和成套设计、工程设计以及设备制造产业体系。目前，国内设计单位、直流设备制造企业已经通过常规高压直流输电工程的技术引进和消化吸收，基本上掌握了常规直流输电核心设计技术和常规直流关键设备制造的部分核心技术。

通过三常、三广、贵广、灵宝、三沪等直流工程的经验积累，我国在直流输电建设方面取得了长足进步，直流工程国产化水平不断提高，已完全具备独立建设大规模直流工程能力[17-18]。直流工程的设计与建设已初步实现了从承包商交钥匙工程—部分交钥匙工程－业主负责组织建设的模式转变。

我国将以特高压直流输电工程建设为契机，培养一批高素质的直流工程研究、设计、调试技术及管理人才，全面推动自主研发和科技创新，掌握特高压直流输电核心技术，实现特高压直流输电工程科研、系统研究、成套设计、工程设计和设备制造的国产化，为逐步实现直流输电技术研究的国际领先优势打好基础。

1.3 高压直流输电系统成套设计国产化进程

鉴于高压直流输电技术科技含量高，以及直流工程相对于交流工程而言市场份额很小的特点，长期以来直流输电系统成套设计被少数跨国集团所垄断。为了结束高压直流输电系统成套设计技术完全依靠外国技术力量的局面，在三常直流工程建设伊始，原国家电力公司就高度重视直流输电系统成套设计国产化工作，于1996年7月17日组建网联公司，全力支持和推进我国直流工程自主建设的进程。

在三广和贵广I回直流工程的承包合同中，受原国家电力公司委托，网联公司代表中方分别与ABB和西门子公司签订了直流换流站系统、设备以及控制保护系统的系统研究和成套设计技术转让协议，并完成了系统研究和成套设计技术的消化吸收。网联公司作为技术总负责方，独立完成了西北－华中联网灵宝背靠背直流工程的系统研究和成套设计以及设备采购规范的编制工作，利用自身的仿真设备对厂家的换流站控制保护设备进行了整体功能和性能测试，帮助厂家整改测试中发现的问题，并完成了该工程现场的设备和分系统调试。通过上述技术转让和灵宝背靠背直流工程的实际锻炼和工程检验，网联公司已完全具备了独立承担常规高压直流输电工程的系统研究、成套设计能力[19]。至今，网联公司已经独立完成以及正在开展若干个常规高压以及特高压直流工程的系统研究和成套设计工作。

1.4 特高压直流输电系统成套设计的关键技术

相对于常规高压直流输电系统成套设计，±800kV直流输电系统成套设计还存在以下问题：（1）适用于特高压直流输电系统研究、成套设计的专用工具有待于进一步的完善和开发。

（2）适用于特高压直流输电系统成套设计的规程和设备规范短缺[20]。

（3）相对于常规直流工程，特高压直流输电系统成套设计中还面临一些新问题，如双12脉动阀组中各12脉动阀组电压的配置方式、适应于双12脉动阀组接线的控制策略和顺序控制的确定、特高压直流的绝缘配合等。

根据工程建设的实际需要和研究内容的特点，将±800kV直流输电系统成套设计关键技术研究分成3个部分：

（1）特高压直流输电系统成套设计专用软件工具平台的开发与完善，包括特高压直流稳态参数计算平台、特高压直流控制保护模型、换流站绝缘配合分析程序等。

（2）标准、设备技术规范及监理导则的研究，包括高压直流技术标准、规程、导则以及设备技术规范、设备监理导则。

（3）特高压直流输电系统成套设计中所面临的新问题的专项研究，包括换流阀组电压配置方式、直流系统的稳态设计和动态特性、直流系统控制策略仿真、换流站过电压与绝缘配合、设备外绝缘、设备噪声及对环境影响、换流变压器有载分接调压开关、交直流滤波器性能等。

网联公司以金沙江一期工程向家坝－上海±800 kV直流输电工程为对象，通过关键技术研究的实施和完成，将具备独立承担特高压直流输电工程的系统研究和成套设计能力。

2 特高压直流输电系统成套设计

在特高压直流输电工程起始阶段，在常规高压直流系统成套设计的基础上，根据特高压直流的自身特点和技术难点，网联公司正在积极推进±800kV直流输电系统成套设计工作，现将当前其主要研究内容作一简述。

2.1 直流系统稳态参数设计

完成直流系统总体方案设计，进行无功补偿方案的优化、确定无功平衡原则及有关的直流控制策略，确定一次系统主接线、直流系统性能要求、直流系统定值及主回路参数、直流系统主设备参数，进行直流系统可靠性、可用率及损耗计算。

（1）直流系统主接线方案的确定。根据直流系统的运行参数要求，提出主接线方案，确定平波电抗器的布置方式和位置、直流滤波器型式及数量、直流侧开关及避雷器配置方案。

（2）直流系统短路电流计算。确定系统条件等输入参数、换流阀的短路电流能力；计算直流侧短路电流，选择换流变的阻抗。

（3）主回路参数的确定。确定交流系统条件、用于设计计算的公差、直流系统的额定运行参数，计算直流系统各种运行工况下的运行参数、换流器的工作电压限值、换流变压器的有载调压抽头范围，计算换流变的阀侧电压、额定容量、额定电流等参数。

（4）无功补偿方案优化和无功投切计算。确定两侧交流系统无功提供、吸收能力及无功平衡原则，计算无功补偿容量和分组；根据主回路参数计算结果提供的考虑各种偏差后的换流器无功消耗，分别确定两端换流站无功补偿总量；计算两端换流站短路容量，确定无功小组容量；进行各种运行工况下无功投切的计算，确定相关的直流系统控制策略。

2.2 直流系统性能研究

应用两端交流系统等值模型，研究直流系统对功率、电流指令的响应以及交流系统电压降低或发生故障时的动态特性；研究直流系统发生单极或双极闭锁时的交流系统工频过电压；评价送端交流系统机组发生次同步振荡的可能性，研究采用直流附加控制抑制次同步振荡的措施；研究利用直流系统进行两侧交流系统频率控制；研究利用直流进行紧急功率控制以提高系统稳定性。

（1）用于DPS研究的交流系统等值。选择用于DPS研究的典型运行方式，确定两侧交流系统等值范围；对保留节点进行频率阻抗扫描，并据此得出等值网络阻抗；进行用于动态性能研究的交流系统等值，建立等值网络；从潮流、短路水平、电压恢复特性等方面验证等值网的有效性。

（2）直流系统动态性能及控制策略研究。根据主回路参数计算的结果及主接线方式，建立工程采用的直流系统模型；根据交流系统等值研究的结果建立等值网模型；根据功能规范书要求，进行直流系统对功率、电流指令的响应及交流系统电压降低或发生故障时动态特性的研究；根据研究结论，提出对直流控制保护系统控制参数优化设计的意见。

（3）工频过电压研究。利用等值网络对直流系统单极/双极闭锁时的工频过电压进行计算，提出抑制工频过电压的措施；依据全国联网数据，进行典型方式下工频过电压的校核计算，并提出分析意见。

（4）发电机次同步振荡研究。进行各种正常及极端方式下发电机对交流系统短路水平贡献因子的计算分析，据此判断整流站附近发电机发生次同步振荡的可能性，提出利用直流调制抑制次同步振荡的措施。

2.3 滤波器设计

根据工程确定的系统条件和2.1节中确定的主接线方案，特别是结合无功平衡和系统控制条件，对交流滤波器、直流滤波器、平波电抗器和RI滤波器进行设计。研究交流滤波器方案及其性能、稳态及暂态定值，交流滤波器的最小要求，不同直流滤波器方案时的滤波性能；研究直流滤波器、PLC/RI滤波器的稳态及暂态定值。

2.4 绝缘配合以及断路器、避雷器性能研究

根据±800kV直流输电工程的新特点，对两端换流站的绝缘配合设计以及断路器和避雷器的可能方案及其性能进行研究。

（1）换流站的绝缘配合。根据±800kV直流系统的极线电压升高、换流变上部Y/Y变的绝缘水平升高等新特点，对各种可能的换流站各型避雷器的配置、避雷器性能参数、设备的绝缘水平和绝缘裕度、空气间隙耐受水平以及绝缘爬电比距的最小电压等进行研究。

（2）交流侧、直流侧暂态过电压研究。根据避雷器的几种预布置方案，计算严重工况下发生交流、直流暂态过电压时避雷器的吸收能量、配合电流。

（3）断路器性能研究。计算严重工况下滤波器断路器断口暂态过电压、确定断路器的性能指标。

（4）避雷器设备规范的制定。根据过电压计算结果，估算避雷器的有关技术参数，制定相关的设备技术规范。

2.5 换流阀和换流变参数设计

完成换流阀、换流变参数的研究，编写换流阀、换流变的设备采购规范，向厂家提供制造设备所需的系统设计参数和系统的功能、性能要求。

2.6 控制保护系统设计

（1）换流站控制系统分层结构研究。主要针对运行人员控制、站控、双极控制、极控制、换流器控制，通过对目前流行的几种分层结构综合分析研究，并结合特高压直流工程每极为双12脉动换流器串联的接线特点，提出硬件分层结构和软件功能配置。

（2）直流控制系统研究。主要包括直流控制系统的功能、性能、控制策略、硬件结构等研究内容。尤其是针对特高压直流工程的特点探索与常规直流工程不同的控制特点。

（3）站控系统研究。主要包括站控系统的功能、性能、硬件结构等研究内容。重点针对特高压直流工程的接线特点及其运行方式，对换流站顺序控制进行研究，包括正常以及故障情况下的启动/停运单换流器、启动/停运单极、启动/停运双极等与常规直流工程不同的顺序控制。

（4）直流保护系统研究。主要包括保护分区原则、故障类型、动作出口类型等研究内容。提出特高压直流工程的直流保护配置方案，保护系统的保护算法原则、判据以及与控制系统的协调配合原则。研究重点为针对特高压直流主接线特点，进行尽量减少双极停运的保护系统配置的基本研究。

（5）运行人员控制系统研究。研究主要集中在站LAN网、数据库、数据采集、现场总线、接口等方面。

另外，对于直流控制保护系统，将在仿真系统上进行相关的直流系统保护定值和直流控制参数的研究。

2.7 仿真校核及验证

为保证特高压直流系统成套设计方案的正确性和最优性，应对其进行仿真校核及验证。对成套设计的主回路、过电压和直流控制保护系统中的关键功能和性能等在RTDS仿真设备上做进一步的验证和校核。

3 结语

大量常规直流工程的实施和应用，为我国积累了丰富的科研、设计、设备制造经验，这是我国顺利开展特高压直流输电工程设计的基础。

我国通过常规高压直流输电系统成套设计引进技术和成果的消化、吸收、再创新，已经掌握了常规直流输电系统成套设计的核心技术，具备了独立承担特高压直流输电工程的系统研究和成套设计能力。通过解决一系列关键技术问题，我国的特高压直流输电工程的系统研究和成套设计技术将达到国际先进水平。

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收稿日期：2006-08-02

作者简介：

常浩（1957－），男，教授级高级工程师，北京网联直流工程技术有限公司总经理，从事直流输电的技术管理和研究工作，E-mail：haochang@https://www.wendangku.net/doc/df18951571.html,；

樊纪超（1977－），男，博士，从事直流输电的技术研究工作，E-mail：jichao-fan@https://www.wendangku.net/doc/df18951571.html,。

（责任编辑宋书芳）

特高压直流试验基地奠基仪式在京举行 12项设备指标或试验性能将创世界第一

2006年8月10日10:00，伴随着雄壮的军乐声和震耳的鞭炮声，数辆工程车同时鸣笛，北京市中关村科技园区昌平园东区迎来了特高压电网建设的历史性时刻，国家电网公司总经理刘振亚，副总经理舒印彪和来自国家科技部、中国工程院的领导、专家共同为特高压直流试验基地挥锹奠基。

该基地占地80000m2，将于2007年12月竣工并投入使用。一期工程由8个部分组成，基地建成之后，总共将有直流试验线段同塔双回电压等级、基地综合试验能力等12项设备指标或试验性能居世界第一位。

中国是世界直流输电大国，世界上最高电压等级±800kV的直流输电工程即将在中国建设投运。实现这一世界性创举，面临着许多重大技术难关，一系列课题亟待研究解决。针对我国气候和环境的特殊性，线路电晕特性和电磁环境影响，以及高海拔、覆冰、重污秽等恶劣自然条件下的外绝缘特性等都需要进行深入的试验研究。由中国电力科学研究院承担的特高压直流试验基地的建设，将紧紧围绕公司建设特高压电网的目标，充分利用现在的技术和设备条件，借鉴国外的先进技术和经验，建成国际一流的直流特高压试验基地，最大限度地实现基地建设的技术经济合理优化。

出席奠基仪式的国家科技部副秘书长王志学认为，特高压直流实验基地的建设是在科学技术大会的精神指引下全面落实科学发展观的重大举措，是加快我国电力基础设施建设构建和谐社会的具体体现，对于我国发展先进生产力和建设国家坚强电网都具有十分重大的现实意义和深远的历史意义。