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1 第 41 卷第 8 期 : 高电压技术 Vol.41, No.8: 年 8 月 31 日 High Voltage Engineering August 31, 2015 DOI: /j hve 特高压直流输电系统规划设计马为民, 樊纪超 ( 国网北京经济技术研究院, 北京 ) 摘要 : 特高压直流输电系统具有电压等级高输送容量大输电距离远运行控制灵活等特点数量众多的 ±800 kv 直流输电工程相继建成投运和持续安全稳定运行, 标志着特高压直流输电技术已经成熟, 具备大规模应用的条件针对特高压直流输电系统对环境以及电网安全的影响等焦点问题, 在总结国内外特高压直流输电技术特点的基础上, 阐述了特高压直流输电系统规划设计中应关注的站址选择环境影响技术方案安全稳定等方面的关键问题和解决思路, 以提高工程的经济性和电网运行的可靠性研究表明, 伴随着电力电子技术的快速发展, 特高压直流输电作为一种成熟适用技术, 其电压等级输电规模将进一步提升, 新型换流技术的应用也将成为可能关键词 : 特高压直流 ; 换流站 ; 环境影响 ; 安全稳定 ; 接线方式 ; 可靠性 Planning and Design of UHVDC Transmission System MA Weimin, FAN Jichao (State Power Economic Research Institute, Beijing , China) Abstract:Ultra-high voltage direct current (UHVDC) transmission system has the characteristics of high voltage level, large capacity, long transmission distance, and flexible control. Continuous security operation of large number of ±800 kv DC transmission projects signifies technical maturity and large-scale application prospect. Perfect solution to the influence of UHVDC transmission system on environment and power grid security can improve economy of the project and reliability of power grid operation. Based on the characteristics of UHVDC technology all over the world, critical problems and measures of UHVDC transmission system in planning and design period are described, including site selection, environmental impact, technology scheme, security and stability.the study reveals that, with the rapid development of power electronic technology, the voltage level and power capacity of UHVDC transmission system will be further enhanced, and application of new converter technology will also possibly become reality. Key words:ultra-high voltage direct current; converter station; environmental impact; security and stability; connection mode; reliability 0 引言 1 进入 21 世纪以来, 随着直流输电装备水平的不断提高, 直流输电技术实现了从超高压到特高压的重大跨越特高压直流输电以其输送容量大输送距离远损耗小单位容量造价低走廊土地资源省等特点, 成为巨量电力高效送出的主要手段特高压直流输电工程的相继建成投运和持续安全稳定运行, 标志着特高压直流输电技术已经成熟, 具备大规模应用的条件 [1-2] 本文给出了世界上已投运在建特高压直流输电工程及其技术特点, 从规划设计的角度指出了特基金资助项目 : 国家电网公司科技项目 (SGZJ0000BGJS ) Project supported by Science and Technology Project of SGCC (SGZJ0000BGJS ). 高压直流输电系统需重点关注的技术问题和解决思路, 基于全球电网发展需求和电力电子技术进步描绘了特高压直流输电技术的未来发展趋势 1 特高压直流输电技术发展现状 2004 年中国开始筹划建设特高压直流输电工程, 相继建成了特高压技术国家工程实验室西藏高海拔高压试验基地等, 形成了国际领先的直流试验研究体系 [3] 伴随着向家坝上海等多个 ±800 kv 直流输电工程投入商业运行, 中国特高压直流输电技术走在世界前列当前中国加快落实大气污染防治行动计划, 拟建 12 条外送输电通道中包含 5 个 ±800 kv 直流输电工程, 其中宁东浙江滇西北广东晋北江苏工程已经开工印度巴西亦加快 ±800 kv 直流输电工程建设进度, 以期早日

2 2546 高电压技术 2015, 41(8) 发挥大规模送电作用 [4-5] 表 1 列出了国内外 15 个已投运在建 ±800 kv 直流输电工程的基本情况目前世界上已投运的特高压直流输电工程共有 6 个, 均在中国境内 ; 在建 9 个, 其中印度 3 个巴西 2 个中国 4 个这些直流输电系统额定输送容量 3 000~8 000 MW, 线路长度 1 100~2 500 km, 满足了大型水电火电和新能源外送至负荷中心的要求当前特高压直流输电有 2 种主要的技术方案在中国, 通常采用等压双 12 脉动换流器串联主接线方式, 运行接线方式从采用单一换流器时的 5 种增加到 46 种, 极大提升了直流系统的安全性灵活性和可靠性 [6-10] 同时由于一些工程采用了新一代 6 英寸晶闸管, 将器件通流能力提升至 A, 输送容量显著提高, 达 MW 其他国家的直流输电工程更多采用单换流器的主接线方式, 单回直流输电系统的容量相对较低, 一般建设双回直流输电系统, 尽可能减少单个大容量直流输电系统故障时引起过大的功率损失和对系统的冲击如印度占城克鲁克什特工程 (Champa-Kurukshetra) 巴西美丽山水电送出工程 (Belo Monte Transmission System), 及巴西伊泰普马德拉河 ±600 kv 直流输电工程, 单回直流输电系统容量一般为 3 000~4 000 MW 但这些工程的过负荷能力通常较高, 如印度东北阿格拉三端工程 (North-East Agra) 长期过负荷水平达额定容量的 1.33 倍, 巴西美丽山水电送出工程 0.5 h 过负荷水平达额定容量的 1.33 倍, 当 1 个单极因故退出运行时, 可通过其他 3 个健全极的过负荷运行完全避免直流功率的损失, 提高了直流系统的能量可用率印度东北阿格拉三端工程则是世界上首个多端特高压直流工程, 它由 2 个送端换流站 1 个受端换流站构成, 采用换流器并联模式印度占城克鲁克什特工程 (Champa-Kurukshetra) 无接地极, 采用金属返回方式解决单极运行问题, 直流线路与金属返回线路同塔架设 2 特高压直流输电系统规划设计中重点关注问题特高压直流输电系统电压高电流大, 输送距离远, 对环境以及电网安全的影响成为倍受关注的焦点问题为了充分发挥特高压直流输电系统在能源大规模大范围配置方面的能力, 在其规划设计中应重点关注站址选择环境影响技术方案安全稳定等问题 2.1 站址选择由于特高压直流输电系统过电压水平高设备体积大, 选择低海拔低地震强度大件运输条件较好的换流站址, 对降低设备和建构筑物造价提高设备运行稳定性尤为重要海拔高度的提高将带来空气间隙和设备外绝缘水平的明显降低, 材料和设备散热条件的劣化, 表 1 国内外已投运在建 ±800 kv 直流输电工程 Table 1 ±800 kv DC transmission projects in operation and on construction 国别工程名称额定容量长期过负荷接入交流线路长度投运时间接线方式送电类型 /MW 能力标幺值电压 /kv /km /a 向家坝上海水电云南广东水电锦屏苏南水电普洱江门水电中国哈密南郑州双换流器串联 500 火电新能源溪洛渡浙西水电宁东浙江 /500 火电滇西北广东水电酒泉湖南 /500 火电新能源晋北江苏火电印度东北阿格拉三端双换流器并联 400 水电印度占城克鲁克什特 Ⅰ 回 (2 h) 400 火电单换流器占城克鲁克什特 Ⅱ 回 (2 h) 400 火电巴西美丽山水电送出 Ⅰ 回 (0.5 h) 500 水电单换流器美丽山水电送出 Ⅱ 回 (0.5 h) 500 水电注 : 长期过负荷能力的基准值为该工程额定容量

3 马为民, 樊纪超 : 特高压直流输电系统规划设计 2547 以及电晕损耗的提高特高压换流站采用长空气间隙, 一旦发生闪络则放电路径的分散性特别大, 可能会对设备人身安全带来严重的威胁因此尽量选择低海拔的特高压换流站址, 当前站址海拔均 <2 000 m 特高压换流设备与常规换流设备相比, 在体量上更大结构体系上更复杂, 在地震中也更易损坏特高压换流站高 / 低端阀厅跨度高度均较大, 屋架下悬吊的换流阀等设备荷载更大, 在地震作用下换流阀与主体结构相互作用较为复杂, 其结构体系抗震性能要求更苛刻低地震强度的换流站址, 可明显减少工程建设成本, 保障长期稳定运行大件运输往往在工程方案可行性论证中起到举足轻重的作用随着直流电压等级的提高和输送容量的增大, 换流变压器的运输尺寸和重量均会增加, 可能超出现有车辆的运输能力或道路的运输限制, 需要研发新的运输工具或采用换流变压器现场组装方案另外, 在接地极址的选择基础上, 还需关注地中电流对地下金属设施电气设备以及电网运行的影响 [11] 尽量选择土壤电阻率分布情况较理想的接地极址, 并详细调查极址附近有无油气管网重要埋地金属设施等, 分析入地电流对其不利影响并提出解决措施必要时对临近的变电站发电厂升压站等电力设施采取隔离措施 2.2 环境影响特高压直流输电系统容量大路径长, 如不采取特殊设计或措施, 工程的建设和运行将对环境造成较大的影响环境影响评价因子包括声环境水环境生态环境和电磁环境建设期评价重点为对生态环境的影响, 运行期评价重点为直流输电线路的合成场强和噪声影响预测, 换流站噪声影响预测, 并对输电线路换流站附近的环境敏感点进行环境影响预测及评价换流站选址和路径选择应尽量避让城镇规划区居民密集区以及自然保护区风景名胜区森林公园历史文化遗迹等生态敏感区和集中林区, 直流输电线路临近民房时应适当抬高导线对地高度换流站设备选型优先采用低噪声设备, 充分利用站内建构筑物的挡声作用, 尽量将声源较大的设备布置在远离敏感点的位置, 并采取局部加高围墙方式实现站界噪声达标合理选择导线直径及导线分裂数, 以降低合成场强直流磁感应强度电晕噪声以及无线电干扰水平 2.3 技术方案受站址环境运输条件和设备制造水平的限制, 单个换流器的额定容量不宜过大因此, 对于大容量特高压直流输电系统, 通常采用多换流器串联或并联接线方式例如, 可供选择的接线方式有每极 2 个 12 脉动换流器串联或并联模式, 同时为减小直流故障对电网的冲击, 可将串联或并联的换流器分别接入不同的交流母线 [12-13] 对于换流器串联接线方式, 每个换流器需配置旁路开关由于每个单极每端拥有 2 个换流器, 所以对于某些换流器故障, 并不会导致整个单极停运与采用单 12 脉动换流器接线方式的常规直流输电系统相比, 特高压直流输电系统的单双极停运率较低通常由换流站设备故障引起的强迫能量不可用率 0.5%, 单极强迫停运率 2 次 /a, 双极强迫停运率 0.05 次 /a 导线截面及分裂数的选择是直流线路设计的关键环节目前特高压直流输电线路有多种导线型式可供选择例如, 对于 ±800 kv/8 000 MW 直流输电系统, 溪洛渡浙西工程输送年利用小时数较低的水电, 直流导线采用 6 分裂 900 mm 2, 电流密度 0.93 A/mm 2 ; 哈密南郑州工程输送年利用小时数较高的火电风电, 直流导线采用 6 分裂 mm 2, 电流密度 0.83 A/mm 2 ; 宁东浙江等在建工程以输送火电新能源为主, 直流导线提升至 6 分裂 mm 2, 电流密度 0.67 A/mm 2 对于 ±800 kv/ MW 直流工程, 直流导线采用 8 分裂 mm 2, 电流密度降至 0.63 A/mm 安全稳定当前,±800 kv 直流输电功率可达 MW, ±1 100 kv 直流输电功率高达 MW 特高压直流输电系统数量的增多和容量的提升, 将对同步电网的安全稳定性提出更大的挑战特高压直流输电系统额定容量应与送端电源发展受端负荷需求送受端电网规模输电距离等相适应如果单回直流输电系统额定功率过大, 故障时将引起输电功率大幅波动, 对送受端交流系统产生较大冲击, 从而危及电网的稳定性因此, 应合理确定直流输电系统额定容量, 并提高交流系统的动态无功支撑能力对于多直流馈入的电力系统, 如果换流站交流母线间电气距离过近, 交直流系统之间以及直流系

4 2548 高电压技术 2015, 41(8) 统之间的相互影响将会很显著例如, 交流系统的某一故障可能会引起多回直流输电系统同时或相继发生换相失败, 而某一直流输电系统发生故障也可能影响其他直流输电系统的运行, 这都将对送受端交流系统的安全稳定性产生严重影响因此, 应统筹规划多直流馈入的电力系统, 将其作为一个整体进行系统分析在中国, 大规模新能源与传统电源打捆并通过特高压直流输电系统实现外送的工程应用逐渐增多 [14] 风电光伏等新能源不仅接入分散功率波动性强, 而且通常并网电压等级低, 对换流站交流母线的电压支撑能力较弱, 不利于直流输电系统的稳定运行同时, 这些新能源所用逆变器的控制会造成近区交流系统的振荡, 与直流输电系统的控制交织在一起, 对火电机组的正常运行提出了特殊要求 3 特高压直流输电技术发展趋势构建全球能源互联网理念的提出, 为保障能源的安全清洁高效和可持续供应提供了解决思路特高压直流输电作为一种成熟适用技术, 可用于大型能源基地超远距离超大容量电力外送和跨国跨洲骨干通道建设 2015 年中国正在建设的特高压直流输电工程达 6 个, 锡盟泰州上海庙山东 ±800 kv 直流输电工程将于近期开工建设, 预计到 2020 年新增投运工程达 14 个, 包括 ±1 100 kv 直流输电工程 2 个 [15-16] 巴西印度在建工程即将陆续投产, 并提出了建设若干回特高压直流输电系统的远期规划目标 [17-18] 3.1 传统直流输电系统的规模进一步提升直流输电在输电容量和输电距离方面存在多样化的需求例如, 西藏水电新疆火电外送和跨国输电等项目的输电距离 >3 000 km, 需要进一步提升直流电压以降低输电损耗, 同时为改善工程的经济性, 单回直流系统输电容量也将增加以准东华东工程为例, 该工程是 1 个采用架空输电线路的双极地制直流输电系统, 额定输送容量 MW, 额定电压 ±1 100 kv, 每极 2 个 12 脉动换流器串联接线, 按照 550 kv+550 kv 平均分配电压, 送端网侧接入 750 kv 交流系统, 受端高端换流器接入 500 kv 交流系统, 低端换流器接入 kv 交流系统, 以降低设备的技术难度, 改善受端电网单点注入大功率后的潮流分布 ±1 100 kv 及以上电压等级的直流输电系统需重点解决设备制造外绝缘设计系统稳定等难题例如 : 换流变压器制造需解决有限尺寸条件下绝缘水平大幅提高后阀侧绕组承受交直流复合电压和极性反转电压时的主纵绝缘问题和超大电流引起的热点温升问题而在外绝缘设计方面, 由于操作冲击的闪络电压与间隙长度具有非线性饱和趋势, 随着操作冲击电压水平的提高, 换流变压器阀侧套管穿墙套管以及设备绝缘支撑等的设计及制造难度大大增加输送容量的提升使直流系统与所接入的交流系统发生更大的功率交换, 给交流系统的安全稳定带来很大的压力和风险, 需要进一步加强交直流混合系统的研究 3.2 新型换流技术的应用直流输电本质上是以电力电子技术为基础的电力电子技术是电力行业过去 30 年最重大的技术进步, 随着该技术走向成熟, 也将会是未来重要的电气技术发展趋势之一传统的直流输电技术采用三相桥式单晶硅晶闸管换流器, 逆变器发生换相失败是这一技术难以克服的缺点, 尤其对于特高压这样的特大型直流输电系统, 直接影响着电网的安全当前人们正探索用其它的电力电子器件取代单晶硅晶闸管例如, 碳化硅器件不需要恢复时间, 因而不会发生换相失败, 但器件的参数和水平目前还很低, 远未达到直流输电应用的程度电压源换流技术是基于绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 和脉冲宽度调制技术 (PMW) 发展起来的新型直流输电技术, 目前已经得到小规模应用 [19-20] 同样地, 受到元件参数水平的限制, 目前输送容量仅达到 MW, 要在特高压直流输电系统中得到应用还需继续研究但随着电力电子技术的快速发展以及大功率全控器件性价比的不断提高, 电压源换流器 (VSC) 的电压等级和容量将会不断增大, 工程损耗和造价不断降低, 电压源换流技术在直流输电市场份额会逐渐加大, 有可能成为未来直流输电的主流技术之一 4 结论 1) 世界上第 1 回特高压直流输电系统自 2010 年投运以来已运行 5 年, 长期的安全可靠运行标志着特高压直流输电技术已经成熟, 具备大规模应用的条件 2) 在特高压直流输电系统规划设计中, 需综合论证解决换流站址环境影响技术方案安全

马为民, 樊纪超 : 特高压直流输电系统规划设计 2549 稳定等问题, 以提高直流输电系统投运后电网的运行可靠性和工程经济性 3) 特高压直流输电技术伴随着全球能源需求的发展具有更加广阔的应用空间, 电力电子技术的发展必将推动传统直流输电系统的电压等级输电规模进一步提升和新型换流技术的应用范围逐步扩大参考文献 References [1] 刘振亚. 特高压交直流电网 [M].

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5 马为民, 樊纪超 : 特高压直流输电系统规划设计 2549 稳定等问题, 以提高直流输电系统投运后电网的运行可靠性和工程经济性 3) 特高压直流输电技术伴随着全球能源需求的发展具有更加广阔的应用空间, 电力电子技术的发展必将推动传统直流输电系统的电压等级输电规模进一步提升和新型换流技术的应用范围逐步扩大参考文献 References [1] 刘振亚. 特高压交直流电网 [M]. 北京 : 中国电力出版社,2013: LIU Zhenya. Ultra-high voltage AC & DC grid[m]. Beijing, China: China Electric Power Press, 2013: [2] 刘振亚. 全球能源互联网 [M]. 北京 : 中国电力出版社,2015: LIU Zhenya. Global energy internet[m]. Beijing, China: China Electric Power Press, 2015: [3] 张文亮, 于永清, 李光范, 等. 特高压直流技术研究 [J]. 中国电机工程学报,2007,27(22):1-7. ZHANG Wenliang, YU Yongqing, LI Guangfan, et al. Researches on UHVDC technology[j]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(22): 1-7. [4] Balzi A, Kumar A. Possible HVDC power transmission solutions for remote hydroelectric plants in challenging environments[c] Colloquium on HVDC and Power Electronics to Boost Network Performance. Brasilia, Brazil: CIGRE, 2013: [5] 何大愚. 印度电力建设及其特高压交直流输电规划 [J]. 中国电力, 2008,41(2): HE Dayu. Review on India's electric power construction and planning of UHVDC & UHVAC transmissions[j]. Electric Power, 2008, 41(2): [6] 马为民. ±800kV 特高压直流系统换流器控制 [J]. 高电压技术, 2006,32(9): MA Weimin. Converter control in 800 kv DC transmission system[j]. High Voltage Engineering, 2006, 32(9): [7] 尹健, 马玉龙, 蒲莹. 特高压直流工程的换流器并联融冰方式与试验研究 [J]. 电力建设,2014,35(6): YIN Jian, MA Yulong, PU Ying. De-icing mode of parallel converters in UHVDC transmission and its test study[j]. Electric Power Constraction, 2014, 35(6): [8] 马为民, 聂定珍, 曹燕明, 等. 特高压直流换流站系统优化设计 [J]. 高电压技术,2010,36(1): MA Weimin, NIE Dingzhen, CAO Yanming, et al. Optimal design for UHVDC converter station[j]. High Voltage Engineering, 2010, 36(1): [9] 聂定珍, 马为民, 郑劲. ±800 kv 特高压直流换流站绝缘配合 [J]. 高电压技术,2006,32(9): NIE Dingzhen, MA Weimin, ZHENG Jin. Insulation coordination for ±800 kv UHVDC converter stations[j]. High Voltage Engineering, 2006, 32(9): [10] 周静, 马为民, 蒋维勇, 等. 特高压直流工程的可靠性 [J]. 高电压技术,2010,36(1): ZHOU Jing, MA Weimin, JIANG Weiyong, et al. Reliability about UHVDC project[j]. High Voltage Engineering, 2010, 36(1): [11] 全江涛, 谢志成, 陈科基, 等. 特 / 超高压直流输电系统单极运行下变压器中性点直流电流分布规律仿真分析 [J]. 高电压技术, 2015,41(3): QUAN Jiangtao, XIE Zhicheng, CHEN Keji, et al. Mechanism analysis and simulation of DC current distribution along transformer neutral point under the condition of UHVDC/HVDC single-pole operation[j]. High Voltage Engineering, 2015, 41(3): [12] 刘振亚, 秦晓辉, 赵良, 等. 特高压直流分层接入方式在多馈入直流电网的应用研究 [J]. 中国电机工程学报,2013,33(10):1-7. LIU Zhenya, QIN Xiaohui, ZHAO Liang, et al. Study on the application of UHVDC hierarchical connection mode to multi-infeed HVDC system[j]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(10): 1-7. [13] Lescale V F, Kumar A, Juhlin L E, et al. Challenges with multi-terminal UHVDC transmissions[c] International Conference on Power System Technology & IEEE Power India Conference. New Delhi, India: IEEE, 2008: 1-7. [14] 刘振亚, 张启平, 董存, 等. 通过特高压直流实现大型能源基地风光火电力大规模高效率安全外送研究 [J]. 中国电机工程学报, 2014,34(16): LIU Zhenya, ZHANG Qiping, DONG Cun, et al. Efficient and security transmission of wind, photovoltaic and thermal power of large-scale energy resource bases through UHVDC projects[j]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(16): [15] 张涛, 聂定珍, 马为民. ±1 100 kv 特高压直流输电系统换流变压器设计 [J]. 高电压技术,2012,38(12): ZHANG Tao, NIE Dingzhen, MA Weimin. Design of ±1 100 kv UHVDC converter transformers[j]. High Voltage Engineering, 2012, 38(12): [16] 张猛, 王国金, 张月华, 等. ±1 100 kv 特高压干式平波电抗器绝缘设计与试验分析 [J]. 高电压技术,2015,41(5): ZHANG Meng, WANG Guojin, ZHANG Yuehua, et al. Insulation design and test analysis of ±1 100 kv UHV dry-type smoothing reactor[j]. High Voltage Engineering, 2015, 41(5): [17] Government of India Ministry of Power. Report of the working group on power for twelfth plan ( )[R]. New Delhi, India: Government of India Ministry of Power, 2012: [18] Ministry of Mines and Energy. Ten-year energy expansion plan 2023[R]. Brasilia, Brazil: Ministry of Mines and Energy, 2014: [19] 马为民, 吴方劼, 杨一鸣, 等. 柔性直流输电技术的现状及应用前景分析 [J]. 高电压技术,2014,40(8): MA Weimin, WU Fangjie, YANG Yiming, et al. Flexible HVDC transmission technology s today and tomorrow[j]. High Voltage Engineering, 2014, 40(8): [20] 李亚男, 蒋维勇, 余世峰, 等. 舟山多端柔性直流输电工程系统设计 [J]. 高电压技术,2014,40(8): LI Yanan, JIANG Weiyong, YU Shifeng, et al. System design of Zhoushan multi-terminal VSC-HVDC transmission project[j]. High Voltage Engineering, 2014, 40(8): MA Weimin Ph.D. Senior engineer FAN Jichao Ph.D. Senior engineer 马为民 1966, 男, 博士, 高工主要从事直流输电工程成套设计工作 maweimin@chinasperi.sgcc.com.cn 樊纪超 1977, 男, 博士, 高工主要从事直流输电工程成套设计工作 fanjichao@chinasperi.sgcc.com.cn 收稿日期修回日期编辑卫李静

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Microsoft Word - 工矿企业电气工程师手册P91例高压网络三相短路计算.do 工矿企业电气工程师手册 P91 例高压网络三相短路计算 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 工矿企业电气工程师手册 P91 例高压网络三相短路计算菲律宾 BANAOANG 泵站工程 91 运行方式高压网络三相短路计算审查者: 校核者: 日期: 日期: 计算者: 日期: 1.网络结构数据高压网络总数: 12 高压网络节点总数: 7 2.基本数据 2. 1 基准值基准功率: