浅谈特高压直流一次设备运行可靠性分析
国网公司运行分公司宜宾特高压管理处、国网四川省电力公司宜宾供电公司的研究人员宋秭霖、程玲，在2015年第6期《电气技术》杂志上撰文，当发生冰雪灾害时，双换流器并联运行可进一步增大直流线路的电流，使输电线路的融冰能力显著提高。±800 kV特高压直流工程中配备了单极双12脉动换流器串联设计，能够提供46种可供选择的运行方式，并具有换流器在线投退功能。
此模块式使特高压直流工程具有更多的选择性和更高的可靠性。首先通过对比常规直流工程与特高压直流工程一次设备接线方式，分析了单极双12脉动换流器的运行稳定性。随后研究了直流线路的融冰能力并对单极双12脉动换流器的内部故障进行可靠性分析。希望为今后单极双12脉动换流器的应用提供帮助。
±800 kV特高压直流工程与±500 kV常规直流输电工程在一次设备上最大的不同是特有的单极双12脉动换流器串联接线结构。此结构使得特高压直流工程直流输电系统拥有45种可供选择的运行方式。
其中具有实际意义的运行方式有：双极双换流器接线、双极换流器不平衡接线、双极单换流器接线3种。多种运行方式的优点在于：每个换流模块相对独立，提升了工程设计的可靠性指标，使能量不可利用率小于0.5%，双极强迫停运率小于0.05次/年，较±500kV直流输电工程的0.1次/年降低50%。除此之外，其还具有双极高端换流器并联融冰运行方式和单换流器在线投退功能[1]。
可靠性是检验±800 kV特高压直流工程安全运行的重要指标。鉴于国内±500 kV常规直流输电工程具有较成熟的运行模式和较高的可靠性，本文将结合以往常规直流工程的运行特点，对具体设备发生故障时进行假设分析。随后从特高压直流工程一次设备的运行特点、应对不同程度的冰雪灾害的融冰模式方面进行对比分析。希望为今后特高压直流一次设备运行提供参考。
1 两种直流工程的运行方式对比
±800kV特高压直流工程主回路接线如图1a所示，其与±500kV常规直流输电工程最显著的不同为：主回路接线结构采用每极2 个12 脉动换流器串联的接线方式[2-3]。其将直流输电系统电压由±500kV提高到了±800kV，双极共4个12 脉动换流器，且每极的单12脉动换流器可以独立运行。
根据±800kV特高压直流工程的主回路接线方式，可以有以下7类接线运行方式：1）双极双换流器接线运行方式；2）双极换流器不平衡接线运行方式8种（一极完整+另一极1/2）；3）双极单换流器接线运行方式16种；4）单极双换流器大地回线运行方式2种；5）单极双换流器金属回线运行方式2种；6）单极单换流器大地回线运行方式8种；7）单极单换流器金属回线运行方式8种。
总的接线方式共有45种。
±500kV常规直流输电工程的接线方式如图1b所示，其主回路接线结构为每极一个12脉动换流器，双极由2个12 脉动换流器串联组成，共有3类接线运行方式：1）双极双换流器大地回线运行方式；2）单极单换流器大地回线运行方式，包括极1、极2单换流器大地回线运行方式2种；3）单极单换流器金属回线运行方式，包括极1、极2单换流器金属回线运行方式2种。
总的接线方式共有5种。
图1a ±800kV特高压直流工程接线图
图1b ±500kV常规直流工程接线图
其中，在±800kV特高压直流工程正常运行及一次设备临时检修状态下，较为常用的运行方式有：双极双换流器接线、双极换流器不平衡接线、双极单换流器接线三种，如图2所示。
图2 特高压工程常用接线运行方式图
±500kV常规直流输电工程，较为常用的接线运行方式有：双极双换流器大地回线和单极单换流器大地回线。特高压直流工程中常用运行方式25种，特殊运行方式20种。常规直流输电工程常用运行方式3种，特殊运行方式2种。
可见，单纯从一次设备接线运行方式上比较，特高压直流工程拥有更多的运行方式可供选择，接线方式更为灵活。特高压直流工程与常规直流输电工程相比，除了采用了每极双12脉动换流器串联的接线方式外，每个12脉动换流器的直流侧还并联安装了旁通断路器和旁路刀闸、阴极刀闸、阳极刀闸，如图3所示，采用这种接线结构便于实现特高压直流工程特有的换流器在线投入\退出功能。
图3 旁路开关与阴/阳极刀闸
在±800 kV特高压直流工程中，由于每一个12脉动换流器均可独立运行，所以每个12 脉动单换流器均可通过控制解锁/闭锁时间与旁路区域一次设备之间相互配合来实现单个12脉动换流器的在线投入\退出功能。
正常运行时，如果有一个12脉动换流器发生故障，由直流控制系统的相关顺序控制程序来操作与其并联的旁路区域的旁通断路器、旁通刀闸、阴/阳极刀闸的合闸，与换流器的闭锁时间相互配合、协调控制，来实现故障的12脉动换流器的在线隔离退出。
同时，发生故障的12脉动换流器被清除后，极控制系统的顺序控制程序在另一个未发生故障的12脉动换流器不停运的情况下，将清除故障后的12脉动换流器投入运行，且交/直流系统不产生过大的扰动。
当12脉动换流器在线由停运转入运行时，换流器零功率解锁，换流器触发角由逆变状态向整流状态移相至90°左右，然后将直流电流升至正常运行电流。整流站和逆变站的旁通断路器均分闸后，控制系统再调节换流器触发角将直流侧电压升高至设定值。
即待投入的换流器以零功率解锁，此时由于其旁通断路器处于闭合状态，换流器的两端为短路状态，流过电流较小，所以逐渐地减小触发角，可使换流器的电流逐渐增大。
2 两种直流工程融冰方式对比
特高压直流工程中除了上述的45种运行方式以外，还有一种特殊的运行方式：双极高端换流器并联融冰运行方式[4]。由于特高压直流工程中的换流器是按照模块化原则设计的, 所以需要在两端换流站内增加少量连接线和避雷器, 就能方便地通过直流场开关操作, 使换流器的常规串联运行方式切换为双极的2个高端换流器并联融冰运行方式。
目前，常规直流工程实际中采用双极功率异向运行的融冰模式，即一极功率正送运行，另一极功率反送运行的方式，这种运行方式在特高压直流工程中也可以实现。这种双极功率异向的预防性融冰模式的优点是不需对主接线进行改动，不增加一次设备投资, 对控制保护系统软件功能的修改也很少, 容易实施。
但由于一次设备的接线方式没有改变，其对输电线路只能施加至额定值左右的电流，电流值无法进一步提升[5-6]。如果大量覆冰已形成并威胁到输电线路及杆塔的安全, 并需要在很短时间内融化覆冰，这种额定的线路电流已不能满足融冰要求情况下, 特高压直流工程的双极高端换流器并联融冰模式的优点便得以体现。
由于其双极2个高端换流器的接线方式从原有的串联方式转换为并联接线方式，在额定电压不变的情况下，可产生远大于额定电流的直流线路电流, 大大增加直流输电线路的抗冰灾能力, 提高特高压直流输电工程在强冰雪气候条件下的运行可靠性。
3 单12换流器内故障可靠性分析
假设单12脉动换流器内元器件故障发生在常规直流输电工程中，这将直接导致直流系统单极停运，从而降低了直流输电系统的运行可靠性[7]。同类故障若发生在特高压直流工程中，由于其具有单极双12脉动换流器串联接线结构和更多可供选择的运行方式。并可配合换流器在线投退功能，所以当单个换流器发生故障时，不会导致整个单极停运，对直流系统输送功率造成的影响较小。
同时故障换流器的隔离检修过程不会影响同极中的另一个12脉动换流器的正常运行，更不会造成单极强迫停运，而且故障清除后的12 脉动换流器可在线投入运行，对交、直流系统均不产生过大的扰动。
由于特高压直流工程的单极停运率比常规直流输电系统的单极停运率低，同时双极故障停运率也会相对较少，单极和双极停运次数的减少，系统强迫能量不可用率也会相应减少。
因此，特高压直流工程的单极运行可靠性和能量可用率将远高于常规直流输电工程。
4 结论
1）通过对特高压直流工程与常规直流工程的一次设备的运行接线方式比较，发现特高压直流工程接线结构的常规运行方式和特殊运行方式数量远大于常规直流输电工程。单12脉动换流器内部元器件发生故障时，可以保证直流输电系统在不损失直流负荷（输送功率低于4800MW）的情况下，将故障换流器隔离检修。不仅为故障设备的隔离检修提供很大的便利性，还大大降低了因换流器内元器件故障导致单双极强迫停运的风险，提高了直流输电系统的可靠性。
2）特高压直流工程具有双极4换流器串联结构，通过在两端换流站内增加少量连接线、避雷器和直流场一次开关的操作，便可改变直流场一次设备的接线结构，形成双极高端换流器并联运行的方式。直流输电线路上的电流远大于系统的额定电流，因此其融冰能力显著提高。