一、創(chuàng )新成果概述

　　“十二五”規劃綱要中明確提出要“發(fā)展特高壓等大容量、高效率、遠距離先進(jìn)輸電技術(shù)”。為了進(jìn)一步發(fā)揮特高壓直流輸電的技術(shù)優(yōu)勢，將輸送容量由8GW提升到10GW。隨著(zhù)特高壓直流輸送容量的增加，直流故障對單一受端交流電網(wǎng)的沖擊越來(lái)越大，特高壓直流工程分層接入500kV交流電網(wǎng)和1000kV特高壓交流電網(wǎng)，可以進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)結構、支撐大規模直流接入，提高電網(wǎng)運行的可靠性和靈活性。本項目圍繞直流系統整體技術(shù)方案、控制保護設計方案、簡(jiǎn)化直流濾波器、絕緣配合、直流分層接入后系統直流諧振、交流側系統靜態(tài)等值及考慮層間影響的交流系統諧波阻抗計算等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展創(chuàng )新性研究，解決直流工程輸送容量提升和分層接入不同交流電網(wǎng)帶來(lái)的一系列重大難題。

　　本項目取得了一系列創(chuàng )新和突破：(1)提出了10GW大容量特高壓直流高端換流器接入500kV交流電網(wǎng)、低端換流器接入特高壓1000kV交流電網(wǎng)的主接線(xiàn)方案，構建了涵蓋分層接入主回路設計、無(wú)功分組設計、濾波器設計、絕緣配合、控制保護策略、暫穩性能設計、主設備性能參數優(yōu)化設計等整體技術(shù)方案;(2)研發(fā)了分層接入不同電網(wǎng)的直流系統控制策略、無(wú)功控制策略、高低端串聯(lián)閥組電壓平衡控制策略，提出各功能的原理及實(shí)現方法;提出分層接入直流系統的保護分區和功能配置，以及降低不同交流系統之間的故障耦合、減小故障范圍的策略;(3)提出了以控制直流側諧波電壓為目的的簡(jiǎn)化直流濾波器設計方法，解決了設備絕緣約束大、直流諧振風(fēng)險高的難題，顯著(zhù)降低了直流濾波器造價(jià)及占地面積，提升了直流工程的技術(shù)經(jīng)濟水平;(4)攻克了直流高低端閥組分別控制、分層接入不同交流電網(wǎng)以及簡(jiǎn)化直流濾波器設計等多因素限制下的直流系統過(guò)電壓與絕緣配合關(guān)鍵技術(shù)，將高端換流器和極線(xiàn)設備絕緣水平控制在傳統的1600kV，與傳統線(xiàn)性外推方法相比降低了5%，實(shí)現了可靠性和經(jīng)濟性的有機統一。(5)提出采用智能劃分節點(diǎn)分區的靜態(tài)等值方法和計及層間諧波交互影響的交流系統等效諧波阻抗計算方法，并開(kāi)發(fā)了相應的分析計算軟件;提出基于波參數的直流線(xiàn)路諧波阻抗解析計算方法，總結分層接入特高壓直流輸電系統直流諧振的特征及規律。

　　本項目研究成果經(jīng)中國電機工程學(xué)會(huì )鑒定，認為項目取得了顯著(zhù)的社會(huì )經(jīng)濟效益，具有廣泛推廣應用前景，整體技術(shù)居國際領(lǐng)先水平。相關(guān)研究成果直接應用于錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂等10GW工程成套設計、設備制造和工程建設，為每工程節約成套設計費用約1億元，節約設備費用約13億元，通過(guò)在成套環(huán)節推進(jìn)國產(chǎn)設備代替進(jìn)口設備為每工程節約費用約11億元。

　　本項目成果解決了輸送容量提升和直流分層接入帶來(lái)一系列重大難題，確保大容量分層接入特高壓直流技術(shù)方案的順利實(shí)施，相關(guān)研究成果直接應用于錫盟-泰州等大容量分層接入特高壓直流工程成套設計、設備規范編制和工程建設、調試，并推動(dòng)相關(guān)設備廠(chǎng)家在本領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng )新。本項目成果項目研究成果填補了國內大容量特高壓直流接入特高壓交流技術(shù)的空白，進(jìn)一步提升了我國在直流輸電設計領(lǐng)域的核心競爭力，對全面支撐“三型兩網(wǎng)”建設，提高我國在大范圍內高效優(yōu)化能源資源配置的能力具有重要意義。

　　二、主要做法

　　根據國家對大規模、遠距離輸電的持續發(fā)展需要，進(jìn)一步提升特高壓直流輸電能力，可更好發(fā)揮其固有的大容量、遠距離輸電優(yōu)勢，對提高輸電效率和效益、節約輸電走廊、保證能源安全、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步具有重大意義。為發(fā)揮特高壓直流輸電的技術(shù)優(yōu)勢，國家電網(wǎng)公司將錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂等±800kV特高壓直流輸電工程的輸送容量由8GW提升到10GW。然而，隨著(zhù)特高壓直流輸送容量的增加，故障對電網(wǎng)的沖擊越來(lái)越大，受端交流系統電壓支撐、潮流分配轉移以及直流系統安全穩定運行控制、運行可靠性等方面存在一系列問(wèn)題，對電網(wǎng)的安全穩定運行帶來(lái)了很大的影響。

　　為了綜合解決這些難題，我國開(kāi)創(chuàng )了特高壓直流分層接入交流電網(wǎng)的創(chuàng )新性接入方式，將特高壓直流受端的高、低端換流變分別直接接入兩個(gè)不同電壓等級交流電網(wǎng)。高、低端換流變通過(guò)不同電壓等級的交流系統形成環(huán)網(wǎng)，受端交流系統之間聯(lián)系較強，相互影響作用更加明顯和復雜。此外，特高壓直流分層接入方式具有獨特的運行控制方式，可在不同運行方式下實(shí)現電網(wǎng)潮流在不同電壓等級交流系統完成按需分配轉移。

　　從特高壓直流的拓撲結構上看，分層接入方案相當于位于同一個(gè)換流站內的多端直流系統，其主接線(xiàn)設計及主回路參數計算、運行控制保護策略、過(guò)電壓與絕緣配合、直流諧振、交流系統諧波阻抗分析、主設備參數選擇等與常規的特高壓直流工程相比有較大的差異，并帶來(lái)一系列重大難題，有必要對此開(kāi)展詳細的研究。

　　本項目圍繞大容量分層接入特高壓直流系統整體技術(shù)方案、控制保護設計方案、簡(jiǎn)化直流濾波器、絕緣配合、直流分層接入后系統直流諧振、交流側系統靜態(tài)等值及考慮層間影響的交流系統諧波阻抗計算等方面開(kāi)展創(chuàng )新性研究。本項目研究成果不僅能夠為我國特高壓電網(wǎng)的建設提供強有力的支撐，也將推動(dòng)國內電力裝備的自主創(chuàng )新和研發(fā)制造水平的大幅提升，提高在國際電工裝備市場(chǎng)的綜合競爭力，具有重大的政治和經(jīng)濟意義。

　　三、主要創(chuàng )新點(diǎn)

　　主要創(chuàng )新點(diǎn)1：提出了10GW大容量特高壓直流高端換流器接入500kV交流電網(wǎng)、低端換流器接入特高壓1000kV交流電網(wǎng)的主接線(xiàn)方案，構建了涵蓋分層接入主回路設計、無(wú)功分組設計、濾波器設計、絕緣配合、控制保護策略、暫穩性能設計、直流動(dòng)態(tài)響應、主設備性能參數優(yōu)化設計等整體技術(shù)方案。

　　±800kV特高壓直流輸電工程輸送容量由傳統的8GW提升到10GW，并首次采用換流站交流側分層接入兩個(gè)交流系統的方案，網(wǎng)側接入最高電壓等級也由750kV提升到1000kV。

　　主要創(chuàng )新成果：

　?、偈状翁岢隽颂馗邏褐绷鞣謱咏尤?00kV/1000kV交流電網(wǎng)的主接線(xiàn)設計方案(如圖1所示)，解決了超大直流輸送容量對單一電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊問(wèn)題，實(shí)現了10GW大容量系統功率的安全穩定傳輸。同時(shí)，雙12脈動(dòng)高端換流器接入500kV交流電網(wǎng)，低端換流器接入1000kV特高壓交流電網(wǎng)，避免了高端換流變網(wǎng)、閥側同時(shí)接入特高壓電網(wǎng)引發(fā)的復雜設計難題，降低了研發(fā)難度和設備制造費用。

　?、卺槍Ω叩投碎y組接入不同交流電網(wǎng)給傳統直流帶來(lái)的系統計算機理顛覆問(wèn)題，創(chuàng )新性提出閥組接入不同電壓幅值、不同電壓相角、不同頻率偏差、兼容高低端換流變壓器不同短路阻抗、不同分接頭級差的新型主回路設計、無(wú)功分組設計、控制保護、絕緣配合方法;首次針對網(wǎng)側交流電壓等級為1000kV的特高壓直流換流站進(jìn)行了完整建模仿真，研發(fā)確定了斷路器最嚴重的恢復電壓特性，優(yōu)化提出了交流濾波器小組斷路器上的2900kV的恢復電壓水平，最大限度的降低了設備的制造難度，解決了1000kV交流系統濾波器的在線(xiàn)開(kāi)斷問(wèn)題;建立了接入含大規模風(fēng)/火/水電機組交流電網(wǎng)的10GW直流系統動(dòng)態(tài)響應模型，全面仿真驗證了大容量直流系統對復雜交流電網(wǎng)的適應性。

　?、凼状翁岢隽藫Q流閥、換流變、平波電抗器、穿墻套管、斷路器、直流測量裝置等全套主設備技術(shù)規范，優(yōu)化確定了設備的技術(shù)參數、性能要求、結構要求、試驗要求等，大力推進(jìn)了大容量國產(chǎn)化設備的研發(fā)、制造和工程應用。完成設備技術(shù)規范32本，形成國網(wǎng)公司企業(yè)標準5項。

　　依托錫盟-泰州工程，全面攻克了涵蓋主回路設計、無(wú)功分組設計、濾波器設計、絕緣配合、控制保護策略、暫穩性能設計、直流系統動(dòng)態(tài)響應、主設備性能參數優(yōu)化設計等10GW大容量特高壓直流分層成套設計關(guān)鍵技術(shù)。

　　主要創(chuàng )新點(diǎn)2：研發(fā)了分層接入不同電網(wǎng)的直流系統控制策略、無(wú)功控制策略、高低端串聯(lián)閥組電壓平衡控制策略，提出各功能的原理及實(shí)現方法;提出分層接入直流系統的保護分區和功能配置，以及降低不同交流系統之間的故障耦合、減小故障范圍的策略。

　　本項目結合高低端閥組分層接入不同交流系統的特點(diǎn)，創(chuàng )新性地提出了分層接入不同電網(wǎng)的直流系統控制策略和保護策略。

　　主要創(chuàng )新成果：

　?、偬岢隽诉m應分層接入方式的控制保護系統整體方案、系統分層結構和功能配置。形成國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準1項。

　?、谔岢隽诉m用于正、反送運行的直流系統控制策略，包括受端分層接入的基本控制策略、高低端串聯(lián)閥組電壓平衡控制策略、無(wú)功控制策略，實(shí)現了分層接入直流系統的穩定運行控制功能。

　?、厶岢隽朔謱咏尤胫绷飨到y的保護配置和受端分層側抵御換相失敗的方法，以降低不同交流系統或不同換流器之間的故障耦合，防止故障范圍擴大。

　?、芴岢龌谥绷麟妷和蛔兞康膿Q相失敗快速預測方法，響應速度提升到1ms，有效解決一極故障時(shí)由于線(xiàn)路耦合引起對極換相失敗的問(wèn)題，如圖2所示;提出了測量值與計算值智能切換的控制保護邏輯，避免了中點(diǎn)分壓器故障導致的閥組閉鎖，提高了直流系統的運行可靠性;提出了多斷口串并聯(lián)型的轉換開(kāi)關(guān)結構及多目標決策的控制保護策略，解決了傳統直流轉換開(kāi)關(guān)通流能力不足的問(wèn)題，保障了大電流轉換的可靠性和安全性。

　　主要創(chuàng )新點(diǎn)3：提出了以控制直流側諧波電壓為目的的簡(jiǎn)化直流濾波器設計方法，解決了設備絕緣約束大、直流諧振風(fēng)險高的難題，顯著(zhù)降低了直流濾波器造價(jià)及占地面積，提升了直流工程的技術(shù)經(jīng)濟水平。

　　隨著(zhù)直流輸送容量的大幅提升，直流濾波器的研制難度加大，體積和造價(jià)也都大幅增加，因而傳統直流濾波器設計成為了限制大容量直流工程技術(shù)經(jīng)濟水平的關(guān)鍵因素。

　　主要創(chuàng )新成果：

　?、偻ㄟ^(guò)協(xié)同考慮直流設備絕緣水平和直流系統諧振風(fēng)險對直流濾波器設計的高度依賴(lài)性，創(chuàng )新性提出了以控制直流側諧波電壓為目的的簡(jiǎn)化直流濾波器設計方法和簡(jiǎn)化濾波器的基本形式，確定了直流濾波器必須保留的諧振支路。直流系統存在2次諧振風(fēng)險，12次特征諧波電壓幅值較高，對直流線(xiàn)路出口運行電壓峰值影響較大，因此簡(jiǎn)化直流濾波器需設置2次和12次支路。

　?、谔岢鍪澜缡讉€(gè)±800kV直流工程簡(jiǎn)化直流濾波器技術(shù)方案，比選確定了主電容取值、并聯(lián)諧振頻率、濾波器電阻取值、濾波器電阻接線(xiàn)形式。簡(jiǎn)化直流濾波器可有效限制諧波電壓，直流線(xiàn)路出口運行電壓峰值控制在850kV以下;同時(shí)顯著(zhù)降低了直流濾波器主電容值，高壓電容器塔由常規的三塔布置“瘦身”為單塔結構(如圖3所示)，大幅降低設備研制難度、占地面積和濾波器投資費用。形成國家標準1項。

　　主要創(chuàng )新點(diǎn)4：攻克了直流高低端閥組分別控制、分層接入不同交流電網(wǎng)以及簡(jiǎn)化直流濾波器設計等多因素限制下的直流系統過(guò)電壓與絕緣配合關(guān)鍵技術(shù)，將高端換流器和極線(xiàn)設備絕緣水平控制在傳統的1600kV，與傳統線(xiàn)性外推方法相比降低了5%，實(shí)現了可靠性和經(jīng)濟性的有機統一。

　　項目依托工程首次在±800kV特高壓直流工程中采用高低端閥組分別控制、接入兩個(gè)不同交流系統的拓撲結構，并采用簡(jiǎn)化直流濾波器設計方案，引發(fā)直流系統的諧波電壓水平顯著(zhù)增大，進(jìn)一步造成直流系統各點(diǎn)的穩態(tài)運行電壓大幅升高，對傳統絕緣配合方案下設備的絕緣性能帶來(lái)極大風(fēng)險。

　　主要創(chuàng )新成果：

　?、偈状谓o出了直流分層接入和簡(jiǎn)化直流濾波器設計下的各電氣節點(diǎn)持續運行電壓特征，確定了系統設備和避雷器設備的穩態(tài)運行電壓。在傳統特高壓直流系統中，由于平波電抗器采用極線(xiàn)和中性線(xiàn)均置方案，400kV中點(diǎn)電壓為純直流電壓;極線(xiàn)出口電壓因直流濾波器的諧波濾除作用，呈現800kV直流疊加極小的紋波電壓，穩態(tài)運行電壓峰值不超過(guò)812kV(考慮測量偏差)。采用直流高低端閥組接入不同交流系統(兩交流系統幅值、相角、頻率可能完全不同)拓撲結構，同時(shí)直流濾波器采用簡(jiǎn)化設計方案，造成400kV中點(diǎn)電壓達430kV，極線(xiàn)出口電壓達850kV。

　?、趧?chuàng )新性提出直流高低端閥組分別控制、分層接入不同交流電網(wǎng)以及簡(jiǎn)化直流濾波器設計換流站避雷器配置方案和關(guān)鍵參數。由于400kV中點(diǎn)電壓和極線(xiàn)出口電壓的提高，采用傳統的線(xiàn)性外推方法，高端設備的操作沖擊/雷電沖擊絕緣水平將達到1675kV/1870kV。

　?、弁ㄟ^(guò)定量分析高端設備持續運行電壓提高對避雷器荷電率選取的影響、不同荷電率水平對避雷器老化特性的影響以及閥廳內空氣間隙操作沖擊放點(diǎn)特性，借助關(guān)鍵故障情況下直流系統精準的電壓控制措施，提出了新型避雷器配置方案和關(guān)鍵參數。成功將高端換流器和極線(xiàn)出口處設備的操作/雷電絕緣水平控制到1600kV/1800kV，與傳統根據運行電壓峰值線(xiàn)性外推相比分別降低了5%和4%，從而避免了±800kV高端設備和極線(xiàn)設備的重新研制以及閥廳設計尺寸的增加，極大的提升了工程可靠性和經(jīng)濟性。

　　主要創(chuàng )新點(diǎn)5：提出采用智能劃分節點(diǎn)分區的靜態(tài)等值方法和計及層間諧波交互影響的交流系統等效諧波阻抗計算方法，解決了直流分層接入交流系統的諧波阻抗掃描的難題，并開(kāi)發(fā)了相應的分析計算軟件，為工程設計提供了有效的分析工具;提出基于波參數的直流線(xiàn)路諧波阻抗解析計算方法，得到交流系統、直流線(xiàn)路、設備參數等因素對直流系統諧振的影響，總結分層接入特高壓直流輸電系統直流諧振的特征及規律。

　　主要創(chuàng )新成果：

　?、偬岢隽私?、直流混聯(lián)系統以及直流分層接入系統靜態(tài)等值方法，通過(guò)工程算例驗證了等值方法的準確性。采用基于廣度優(yōu)先搜索算法的節點(diǎn)分區方法，簡(jiǎn)化等值過(guò)程;采用平衡節點(diǎn)分群方法，提高系統潮流收斂性，如圖6。

　?、趶睦碚撋贤茖Р⒍x了諧波交互影響因子，提出了層間諧波相互影響的評價(jià)方法，解決了分層接入系統交流濾波器設計的難題。

　?、坶_(kāi)發(fā)了電力系統等值阻抗掃描軟件，不受系統節點(diǎn)數量限制，采用改進(jìn)節點(diǎn)法、稀疏矩陣技術(shù)與節點(diǎn)優(yōu)化編號方法，提高求解速度和數據檢索效率，滿(mǎn)足了工程設計需要。

　?、芴岢龌诰€(xiàn)路分布參數以及波參數的直流線(xiàn)路諧波阻抗解析計算方法，并建立長(cháng)線(xiàn)路鏈式π模型，通過(guò)數學(xué)計算推導出線(xiàn)路的諧振頻率與諧振阻抗的幅值與相角，在低頻段范圍內能夠準確地仿真輸電線(xiàn)路的諧波阻抗特性。

　?、菀霌Q流變、平抗、中性點(diǎn)電容等直流側設備并考慮交流系統短路阻抗、交流濾波器阻抗，得到交流系統、直流線(xiàn)路、設備參數等因素對直流系統諧振的影響，總結了大容量特高壓直流輸電系統諧振的特征及規律，當線(xiàn)路長(cháng)度接近敏感長(cháng)度(1500km以上)時(shí)容易在50Hz和100Hz附近引發(fā)低頻諧振。

　?、藁谏鲜鲋C波阻抗解析計算方法，開(kāi)發(fā)直流阻抗掃描軟件，采用圖形化界面搭建直流回路模型，分析直流回路的諧振及阻抗特性，為選擇合理的抑制諧波設備提供依據。

　　四、應用成效

　　錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂特工程額定直流電壓±800kV，額定功率10GW，建成后成為首批大容量特高壓直流接入特高壓交流工程，且直流工程容量為世界之最。根據本項目研究成果，形成了服務(wù)于錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂直流輸電工程的系統研究、成套設計、仿真試驗、測試驗證的主設備采購規范。以項目為依托，國網(wǎng)經(jīng)研院形成了具有完全自主知識產(chǎn)權的直流工程成套設計軟硬件平臺，對公司占領(lǐng)更高電壓等級、更大容量直流設計的制高點(diǎn)，進(jìn)一步提高在直流設計領(lǐng)域的核心競爭力，全面支撐公司一流電網(wǎng)建設具有重要意義。研究成果成功指導錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂10GW大容量特高壓直流工程換流變壓器、換流閥、穿墻套管、平波電抗器、小組斷路器、控制保護裝置等主設備研制，目前，所有設備均已通過(guò)全套試驗驗證并投入工程應用。

　　通過(guò)應用本項目成果，可為每工程節約成套設計費用約1億元;通過(guò)優(yōu)化成套設計方案，大幅降低高端設備絕緣水平，可為每工程節約設備費用約13億元;成功推動(dòng)國內廠(chǎng)家開(kāi)展主設備研發(fā)代替進(jìn)口設備可為每工程節約約11億元。錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂工程均在2016年完成成套設計(共3×1億元)和設備研發(fā)，在2017年完成全部設備制造(共3×13+3×11億元)工作。

　　本項目研究成果已成功應用于錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂工程。每年運行小時(shí)按6000小時(shí)計算，每工程的輸送電量為60000GWh/年，若目前每度電的電價(jià)按0.4元、過(guò)網(wǎng)電價(jià)按照0.1元計算，3個(gè)工程每年可為國網(wǎng)公司增加的經(jīng)濟收入為720億元，利潤為180億元，稅金按照利潤的10%考慮，可新增稅收18億元。

　　五、可推廣性

　　本項目的研究成果整體應用于錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂等±800kV分層接入特高壓直流輸電工程的系統研究、成套設計、仿真試驗、測試驗證以及設備采購規范的編制，確保了工程的順利建設和投運。

　　研究成果還成功應用于后續陜北-湖北、雅中-江西、青海-河南等特高壓直流工程的成套設計和設備規范的編制，推廣應用前景十分廣闊。