高压柔性直流换流站控制保护系统的设计与研究

邓柱锋

摘要：柔性直流输电因其在新能源并网方面具有特殊优势，近年来在国内外发展迅速。柔性直流换流站作为该技术的核心，研究其平面布置优化，对减少占地面积和投资成本具有重大意义。针对超高压柔性直流换流站换流区的平面布置，提出换流变阀侧汇流母线采用高位跨线布置于主变防火墙联合构架上、启动回路区开关设备采用HGIS（混合式气体绝缘组合电器）、桥臂电抗采用二合一油浸式穿墙伸入阀厅内的优化方案，减少了换流站的占地面积，提高了围墙内的用地系数，对柔性直流换流站的设计和工程建设具有参考意义。

关键词：高压柔性直流换流站;控制保护系统;设计与研究

引言

柔性直流输电的送端、受端均可与弱电网或无源电网连接，运行方式灵活，非常适合风电和光伏等新能源的大规模汇集和送出。柔直换流站内复杂的控保系统、监控系统、换流阀及换流变的冷却系统等均离不开站用电系统的交直流供电。与常规变电站相比，柔直换流站的站用电系统具有规模大、容量大、供电分散、可靠性要求高等特点。柔直换流站站用电系统均配置有备自投功能，以提高站用电系统的安全稳定性，与常规变电站配置独立备自投装置不同，换流站备自投功能集成在站用电控制系统中，因此备自投功能受站用电控制主机程序影响，考虑不全面就可能造成备自投装置误动，产生严重后果。

1换流变区

换流变按照结构可分为三相三绕组、三相双绕组、单相三绕组和单相双绕组。对于容量较小的柔性直流输电工程，可采用三相换流变，在换流变内部实现阀侧绕组星形或三角形联结，变压器制造工艺成熟，每台换流变在阀侧仅3个出线套管，如南汇和舟山柔性直流输电工程。对于大容量柔性直流输电工程，一般采用单相双绕组换流变，每台换流变阀侧有2个套管出线，需要在换流变外完成绕组星形或三角形接线。单相三绕组多用于单极12脉动接线的直流输电工程，换流变阀侧1组繞组需接成星形，另1组接成三角形，目前还少有工程应用。±350kV柔性直流工程输送容量较大，换流变采用单相双绕组结构，阀侧套管需通过汇流母线连成三角形。常规接线方案中，阀侧常采用三相支撑式汇流管母平行布置，换流变阀侧套管通过支撑绝缘子跨接至汇流管母，完成三角形接线。此方案接线灵活，可适应不同接线组别。但换流变阀侧B/A相出线需同时对散热片校核3m、对C相管母校核4m，其只能从2个安全距离校核线的夹缝中穿过，需设置一列额外的支撑式支柱绝缘子助其过渡，增加了换流区的长度。考虑三相平行布置的管母间至少间距5m，初步布置下来，常规方案换流变区的长度为36.5m。考虑到常规方案中换流变阀侧出线汇流困难，可考虑将三相支撑式汇流管母改为高位跨线，虽然远处的A/B相出线同样需要支撑绝缘子过渡，但无须设置额外的过渡支撑绝缘子。此外，三相汇流采用高位跨线后，可不受散热片的空间限制，进一步朝换流变网侧移动，充分利用换流变正上方空间。考虑风偏的影响，C相跨线到构架梁控制在5m，相邻跨线间距控制在7m，整个换流变区的长度可优化为33m。

2换流站技术监督信息管理系统设计

特高压直流输电系统的核心为换流站，特高压换流站实现交直流转换的核心元件是换流阀，正常工况下通态平均电流高达3750A，长期运行时将产生大量热量。阀冷系统是换流站最重要的辅助系统，若阀冷系统运行异常，不仅易引起阀片损坏，而且可导致直流输电系统发生闭锁事故，严重影响影响设备安全和系统稳定运行。换流站阀冷系统正常运行后的日常运维及技术监督显得尤为重要。换流阀为换流站的核心设备，其在运行中通过的大电流会产生大量的热量，会导致晶闸管和电抗器等阀组件元件的温度上升，这就需要有阀水冷却系统对换流阀进行冷却，因此阀水冷系统是一个换流站内最核心、技术含量最高、造价也最昂贵的部分。换流阀运维状况的好坏关系着换流站运行的质量与安全。国内所有换流站的阀水冷系统均由阀内冷系统和阀外冷系统两部分组成。阀内冷系统是一个密闭的循环系统，它通过冷却介质的流动带走换流阀产生的热量。从大方面分，阀内冷水系统可以分为主水回路和水处理回路两部分。实际工程中区分的更细致，一般将阀内冷水系统拆分为以下几个部分：主循环冷却回路、水处理回路、氮气稳压回路和换流阀冷却回路。结合换流站运行情况、阀冷却系统的组成结构和影响阀冷却系统正常工作的主要因素，开发的数据库重点对阀冷却系统的水质和垢样数据进行信息管理，水质包括内冷水、外冷水、SVC系统等各类水样的检测指标、检测类别、检测时间等，垢样主要是阀冷系统电极结垢情况进行监督信息管理，包括形貌、元素分析等，保存历年历次的分析数据，便于阀冷系统的监督、运维工作。同时，数据库对换流站内涉及的工业水、调相机化学水、外排废水的数据均进行管理，对站内主设备的振动、噪声、直流合成场强、工频电磁场、绝缘油、六氟化硫气体、污秽等重要且关键指标进行管理。本系统的设计对换流站阀冷系统重要水质资料及站区主要设备的关键数据进行管理，实现了对数据的统计分析、历年数据的对比、各类数据和报告的保存，为换流站安全稳定运行提供数据保障。

3运行维护策略

为做好蓄电池日常运行维护，避免因维护不到位造成蓄电池的非正常容量衰减，主要采取如下运维措施。（1）做好蓄电池组的初充电及交接验收试验;每组蓄电池投运前均要抽样进行蓄电池解剖，合格后方可投运。（2）针对不同厂家蓄电池性能要求，优化蓄电池的浮充、均充电压，保证电池的最佳运行电压和运行状态，防止长期欠充或过充电。（3）做好蓄电池室环境温度和湿度的维护控制，确保温度控制在25℃，湿度控制在合理范围内，避免因温度过高，使得蓄电池组寿命下降。（4）蓄电池核对性充放电试验时，应避免蓄电池长时间脱离直流母线或充电机空置，及时对已进行放电试验的蓄电池充电，防止极板活性物质结晶，逆反应失败。（5）严格按照定检周期对蓄电池组开展核对性放电试验，并对试验结果做好数据归档和趋势分析，根据蓄电池放电数据有针对性的加强日常巡视，并适当调整放电试验周期，确保准确及时发现蓄电池容量不足或渗液、漏液问题，并及时更换。（6）对蓄电池巡检参数按照直流系统技术规范进行整定，确保定值合理，可准确可靠反映蓄电池组的运行情况。（7）蓄电池极柱接线处线耳与巡检仪压接后，再用热缩管包裹，加大拉伸韧度，降低机械应力或人为拉扯造成断线的风险。（8）蓄电池单体电压采集线采用低阻抗的一体式保险盒，保证蓄电池电压采集正确。考虑从低压直流母线处接取蓄电池电压巡检仪的电源，减少蓄电池出口处负载。（9）根据日常消缺情况及时采购备品，调整并修编蓄电池、蓄电池巡检装置、蓄电池巡检模块、蓄电池采样线的备品定额，确保储备足够数量的备品。（10）修编蓄电池组特巡指导书，重点开展电池壳体、电池极柱、电池导轨/电池架、蓄电池间连接导体紧固程度检查，蓄电池内阻、电压的检查、测试工作，并按照年度运维策略进行专业巡维。（11）将故障频繁的蓄电池设备的巡检周期调整至更高频次。在基建阶段把好设备质量关，在技术规范上对产品性能、使用寿命等技术参数提出更高要求。通过电力企业在直流电源系统蓄电池相关技术规范或招标技术规范书中严格制定对蓄电池使用寿命的要求，从源头和政策上，提高厂家生产的蓄电池质量，改善目前蓄电池使用寿命偏短的状况。

结语

整改和优化的站用电控制系统经测试无误后投入使用，避免了类似事故的发生，提高了站用电系统的安全稳定水平，为柔性直流换流站的长期稳定运行奠定基础。

参考文献：

[1]韩亮，白小会，陈波，等.张北±500kV柔性直流电网换流站控制保护系统设计[J].电力建设，2017，38（3）：42-47.