柔直電網運行方式簡析

劉吉昀，戴瑞成，趙 璧，國文亮，張笑迪

（國網北京檢修公司，北京 100000）

引言

張北柔直電網每年可輸送約140 億千瓦時清潔能源，超過北京市年用電量的十分之一，減少標煤消耗448萬噸、減排二氧化碳1165 萬噸，大幅提升北京地區清潔能源消費比重，全面滿足北京地區以及張家口地區的26個冬奧會場館總計1 億千瓦時的年用電量需求，助力北京冬奧場館實現奧運史上首次實現100%清潔能源供電。為了保證其運行穩定性，由國內科研單位、廠家自主研發±500kV 直流斷路器，其可在3ms 內分斷直流短路電流，以實現故障點近端換流站快速重啟，維持遠端換流站功率傳輸的目的，使四端環網結構靈活多變、運行方式多樣。運行方式大體可分為二次控保運行方式和一次接線運行方式。

1 傳統直流與柔直電網

我國目前大部分直流輸電系統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，形成端對端運行。柔直電網是以全控型IGBT 為核心元件，根據能源輸送需求，建造多個換流站，利用輸電線路連接組網，形成網絡運行。根據2011年國際大電網會議（CIGRE）B4-52 工作組在《HVDC Grid Feasibility Study》報告中給出的定義，直流電網是換流器直流端互聯所構成的網絡化結構電網，2014年進一步明確，直流電網是包含至少3 個換流站和1 個由輸電線路組成的網孔的直流輸電系統[1]。

2 柔直電網特點

柔性直流輸電技術與常規直流輸電技術相比，具有有功、無功靈活控制，可向無源網絡或者弱交流系統供電，不存在換相失敗問題，易于擴展為多端直流輸電系統和直流電網，系統諧波含量小，不需要配置交流濾波器和無功補償裝置等優點，在清潔能源并網、孤島供電、城市異步電網互聯、海上平臺供電等技術領域具有明顯優勢[2-3]。

張北柔直電網配合控制難度大、響應速度快、邏輯復雜，各站控制系統在傳統的雙極控制（站控制）系統、極控制系統的基礎上增加了站間協調控制，如下圖1：

圖1 張北柔直電網控制系統示意圖

站間協調控制主要用于直流電網運行方式優化、切換有功控制模式、調節直流電網電壓、線路過負荷和站間順控聯鎖，在張北和北京站各配置一套站間協調控制系統，北京站為主站，張北站為后備站[4]。

3 柔直電網二次控保方式

換流站二次控保運行方式整體可分為運行模式、有功控制模式和無功控制模式。

換流站運行模式分為柔直（HVDC）運行模式、無功補償（STATCOM）運行模式、空載加壓（OLT）運行模式，柔直（HVDC）運行模式：直流線路運行，柔性直流系統可傳輸有功和無功潮流。無功補償（STATCOM）運行模式：柔性直流系統與交流系統相連，僅參與交流電壓/無功的調節[5]，根據調度規程張北柔直各站暫均不采用無功補償（STATCOM）運行模式?？蛰d加壓（OLT）運行模式：主要用于直流設備檢修、故障后或啟動前，檢驗直流設備的絕緣水平及直流控制系統是否正常，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。正常運行方式下調節站處于定直流電壓控制，保持本站直流電壓穩定，從而使整個柔直電網電壓穩定。受端站處于定有功功率控制，保持本站與交流系統交換的有功功率穩定，控制柔直電網下送地方主網有功功率，又細分為雙極功率控制、單極功率控制，雙極功率控制為每個極分配相同的負荷，單極功率控制僅改變該極的傳輸功率。新能源送出站（孤島運行站）處于定頻率控制，保持新能源并網端頻率穩定。

換流站無功控制模式分為定交流電壓控制、定無功功率控制。定交流電壓控制：正常運行方式下保持交流系統側電壓穩定的控制模式。定無功功率控制：正常運行方式下保持本站直流系統產生的無功功率穩定的控制模式。

4 柔直電網一次接線方式

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

圖2 張北柔直電網接線示意圖

張北柔直電網整體可分為三個層級：正極運行層、負極運行層、金屬回線運行層，北京站、豐寧站設有接地裝置，北京站為主、豐寧站為備，不僅可實現四站環網、兩站端對端運行，各換流站正負極還可獨立運行相當于兩個獨立環網，這使得運行方式比傳統直流輸電工程更為多樣。

如果以交流側連接方式劃分，可將柔直電網運行方式分為兩大類：

（1）孤島運行：交流側僅接入新能源。

（2）聯網運行：交流側與本地交流電網主網相連。

如果以直流側主接線變化劃分，可將本工程運行方式分為兩大類：

（1）雙極運行：正負極運行。

（2）單極運行：僅正極或負極運行。

張北柔直電網在考慮換流閥投切組合和直流網絡拓撲變化時，所有可能的運行方式多達5928 種。如此復雜多變的運行方式對于日常運行是極大挑戰，后經過產、學、研各單位多次討論、艱苦科研攻關，最終利用協調控制系統將張北柔直電網最終運行方式優化為9 種：

表1 張北柔直電網運行方式表

5 監控運行維護

人員合理。目前換流站均為有人值守，且柔直換流站應用新技術較多、設備較復雜，上送監控后臺信息達近10萬條，運維監控難度大，人員選擇尤為重要，公司統籌協調內外部資源，高標準選拔管理、技術人員，以青年員工為主力，抽調學歷高、專業對口、技術過硬的生產骨干，組成一線保障團隊。

管理專業。在總結常規換流站運行經驗基礎上，結合柔性直流設備特點，根據公司運維專業管理傳統，編制了完整齊全的柔性直流換流站運行管理制度，包含安全管理制度、運行管理制度、設備管理制度、培訓管理制度。

科技助力。全站配置變壓器油色譜在線監測系統、SF6 在線監測系統、蓄電池在線監測系統等多個智能監測系統，高清視頻攝像頭站院全覆蓋，閥廳內配置紅外測溫系統，后續將安裝換流變智能巡檢系統，進一步協助運維人員巡檢，同時定期開展狀態監測，加強帶電監測分析，保障設備安全穩定運行。

6 后期工程建議

6.1 改變控制方式

為減少功率調節次數、降低值班監控人員工作量，建議未來工程在上網功率小于受端站最大容量的時候，以調節站定有功功率控制（功率設為0MW）、受端站定直流電壓控制，亦可確保上網功率滿送受端電網。

6.2 增加閥廳監視手段

閥廳在雙極正常運行時禁止進入，日常巡視、故障檢查均通過監視系統進行，現在閥廳監視由消防系統、固定式攝像頭、紅外測溫系統組成。當發生子模塊旁路、黑模塊等故障時運行人員需通過監視系統確認設備實際狀態，由于閥塔、直流斷路器較高且內部結構緊湊，現有手段不能全方面監視、觀察設備狀態，即使增加機器人等地面可移動監視裝置，也不能完全滿足監視需求。建議后續工程以帶上下移動、左右移動滑軌的可見光攝像頭、紅外測溫攝像頭、紫外攝像頭（用于觀察放電現象非消防使用）。

7 結束語

張北柔直電網是中國電網技術的重大突破，具備重大創新引領和示范意義，對其運行方式進行分析、總結，將有助于未來柔性直流電網研究與發展。柔性直流電網發展是大勢所趨，其能夠有效破解新能源大規模并網消納難題，對于推動新能源開發外送、能源轉型和綠色發展，具有顯著的作用和戰略意義。將進一步推動構建清潔低碳、安全高效的能源體系，促進可持續發展，助力“美麗中國”建設。