海上換流站交直流系統關鍵試驗方法

喬 美 江海濤 丁海峰

海上換流站交直流系統關鍵試驗方法

喬 美1江海濤1丁海峰2

（1. 中廣核新能源南通有限公司，江蘇 南通 226400； 2. 華潤廣東新能源有限公司，廣州 511500）

隨著我國柔性直流技術不斷發展，海上風電裝機容量不斷增大，海上柔性直流輸送電壓已達到±400kV，海上換流站首次應用成功。本文通過研究江蘇如東±400kV海上風電柔性直流輸電示范工程，重點提出海上換流站系統試驗方法，以期為后續海上風電直流輸電工程應用奠定技術基礎。

海上換流站；±400kV海上風電柔性直流示范工程；±400kV高壓系統試驗；試驗方法

0 引言

江蘇如東±400kV海上風電柔性直流輸電示范工程，額定輸送功率1 100MW，額定直流電壓±400kV，額定直流電流1 375A，海纜長度約為99km，直流出線1回海纜輸送至海上換流站。該工程是我國目前海上風電輸送容量最大的柔性直流輸電工程，對華東地區電力結構配置具有重要戰略意義[1-4]。

直流輸電工程系統試驗是工程建設的最后一道工序[5-8]，試驗的目的是全面考核直流工程的系統性能、設備性能及二次控制保護功能，驗證直流輸電系統各項性能指標是否達到技術規范的要求，以確保工程投入運行后，系統和設備的安全可靠運行。

結合±400kV高壓柔性直流示范工程的可行性研究成果及工程特點，借鑒陸上柔性直流輸電工程系統試驗研究成果[9-13]，本文開展針對±400kV海上風電高壓柔性直流輸電工程系統試驗方法的研究，以期為后續工程現場系統試驗提供技術支撐。

1 海上換流站±400kV柔性直流輸電示范工程特點

1.1 直流系統條件

根據示范工程可行性研究成果，海上風電場遠距離、大容量采用柔性直流輸電。結合江蘇省海上風電工程規劃，該示范工程采用海、陸換流器分層接入華東電網，滿足±400kV直流系統對稱單極額定功率的運行要求。

1.2 換流站一次系統

如東海上柔性直流輸電系統采用對稱單極主接線方式，直流極線正負極橋臂按極配置極線隔離開關、極線避雷器、極線測量元件、海纜終端等設備，換流站一次系統如圖1所示。

換流閥為三相六橋臂結構，每橋臂由閥組件及橋臂電抗器組成。橋臂由若干閥塔串聯而成，每個閥塔一般分層布置多個模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）標準組件。

海上換流站交流進線側220kV配電裝置交流海纜進線6回、聯接變出線2回，采用3/2接線方式。陸上換流站逆變為500kV交流電后，通過1回500kV線路送出。

1.3 換流站二次系統

換流站的交、直流系統合建一個統一平臺的計算機監控系統。換流站內所有交、直流電氣設備的監視、測量、控制等功能均由計算機監控系統實現，計算機監控系統采用模塊化、分層分布式、開放式結構。

直流控制與保護主機配置相互獨立。直流控制系統采用分層分布式結構，按完全雙重化原則配置。直流保護分區配置重疊，以保證所有設備都能得到全面保護。直流保護按三重化配置，每套保護裝置的測量、電源、出口跳閘及通信接口等回路均按完全獨立的原則設計。

交流場控制設備按間隔和串雙重化配置，站用電系統控制和保護系統分開，站用電系統控制主機獨立，雙重化配置。

1.4 換流閥

根據±400kV直流系統試驗經驗，采用不同生產廠商制造的換流閥，換流閥與閥控直流系統滿足技術規范要求。

2 直流一次系統帶電試驗

2.1 試驗條件

1）設備條件

換流閥直流側充電試驗涉及的設備主要有換流閥、直流電流測量裝置、直流電壓測量裝置、直流避雷器、500kV氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）、電纜、內外冷卻系統、直流控制保護柜、閥控柜、直流電源等一、二次設備。閥廳紅外、紫外系統投入運行。

2）保護配置

（1）海上換流站直流場區域、閥廳區域由直流極保護提供保護，相關電流互感器（current trans- former, CT）均經過帶負荷校驗。

（2）海上換流站聯接變壓器閥側配電裝置區域由閥側連接線過電流、聯變差動保護提供保護，相關CT均經過帶負荷校驗。

2.2 試驗方法

換流閥直流側充電試驗涉及的主要設備有換流閥、直流控制保護柜、閥控柜及控制系統。試驗過程如下。

1）直流電源裝置接線如圖2所示，連好一次、二次接線，驗證直流電源裝置傳動無問題。

圖2 直流電源裝置接線

2）直流電源裝置空載加壓到±400kV，穩定5min；空載加壓后，直流電源降壓為零，分開直流電源開關S1，合入放電桿開關S2和S3，直流電源裝置各部位充分放電。

3）海上站換流閥通過臨時接線與直流電源裝置連接如圖3所示，海上平臺直流側充電帶電范圍如圖4所示。設定換流閥運行方式，直流場WP-Q21、Q22、Q23、Q24接地開關處于分位，WP-Q11、Q12隔離開關處于合位；閥廳P1.VH-Q21、Q22，P2.VH- Q21、Q22，聯接變壓器閥側配電裝置WS-Q21、Q22、Q23、Q25、Q26接地開關處于分位，Q24、Q27接地開關處于合位，Q11、Q13隔離開關處于分位，Q12、Q14隔離開關處于分位，開關Q1和Q2處于分位。

圖3 海上站換流閥與直流電源裝置臨時接線

4）直流電源裝置打開開關S2和S3，合上電源開關S1，給換流閥緩慢加壓，加到最小取能電源700V，檢查模塊狀態是否正常；直流電壓加到額定電壓后，穩定5min；加壓結束后，斷開直流電源進線開關S1，退出直流電源。

5）解鎖換流閥20ms，檢查換流閥輸出的交流電壓波形是否與控保下發波形一致。

圖4 海上平臺直流側充電帶電范圍

6）解鎖換流閥100ms，檢查換流閥輸出的交流電壓波形是否與控保下發波形一致。

7）解鎖換流閥500ms，檢查換流閥輸出的交流電壓波形是否與控保下發波形一致。

8）閉鎖換流閥，拉開直流出線的WP-Q11、Q12，換流閥拉開相應隔離開關，合上接地開關。

9）直流電源裝置合上S2、S3，直流電源裝置放電。

10）試驗結束。

2.3 試驗判據

1）試驗啟動和停止操作順序應能正確執行。

2）換流閥子模塊電源正確取能，直流側電容電壓均衡。

3）監控系統設備狀態、遙測、遙信等信息正確。

4）控制保護裝置無異常，控制系統運行穩定。

5）換流閥輸出的交流電壓符合要求。

3 交流一次系統帶電試驗

江蘇如東海上風電柔性直流輸電工程電氣設備安裝及分系統試驗過程中，交流一次系統帶電試驗順利完成，為后續海上風電柔性直流輸電系統試驗提供了寶貴經驗。

3.1 試驗應具備的條件及帶電范圍

1）試驗應具備的條件

（1）斷開閥室500kV系統與閥體連接的一次導線。閥室500kV系統與閥體連接的一次導線斷引點如圖5所示。

（2）1號、2號聯接變散熱器、油枕的閥門應打開，油位正常，無滲漏現象。

（3）1號、2號站用變散熱器、油枕的閥門應打開，油位正常，無滲漏現象。

（4）各帶電設備外觀整潔，設備編號標志正確。

（5）各開關、刀開關傳動正確，操作系統正常。

（6）CT二次回路阻值合理，無開路現象。

（7）電壓互感器（potential transformer, PT）二次回路阻值合格，無短路現象。中性點應可靠接入N600。

（8）各帶電設備及裝置的絕緣試驗應合格。

（9）所有操作、保護、信號的交、直流電源保險應齊備、完好可用。

（10）220kV及500kV、10kV站用系統相關裝置及系統的測點配置完成，并與海上站臨時后臺及陸上站后臺傳動完畢。

（11）220kV及500kV、10kV站用系統等相關一次設備交接試驗完成并合格。

圖5 閥室500kV系統與閥體連接的一次導線斷引點

（12）確認220kV及500kV、10kV站用系統等保護臨時定值已整定完畢。

（13）試驗電源與調壓器之間配置10kV開關柜及保護裝置定值整定完畢，保護裝置帶斷路器傳動正確。

（14）核對保護定值，應與定值單相符。

（15）220kV及500kV、10kV站用系統相關保護實際傳動至相應斷路器。

（16）試驗過程中設備長期帶有高電壓，確保無關人員離場。

2）保護配置

（1）海上換流站直流場區域、閥廳區域由直流極保護提供保護，相關CT均經過帶負荷校驗。

（2）海上換流站聯接變壓器閥側配電裝置區域由閥側連接線過電流、聯變差動保護提供保護，相關CT均經過帶負荷校驗。

3）帶電范圍

（1）1號、2號聯接變及其高低壓側連接的一次電纜、220kV側PT及CT，500kV側套管CT，1號、2號站用變及其高低壓側連接的一次電纜。

（2）220kVⅠ母線、Ⅱ母線及母線PT，220kV第一至第四串斷路器Q1、Q2、Q3及其附屬隔離開關、接地開關、CT等，220kV第五串斷路器Q1、Q3及其附屬隔離開關、接地開關、CT等。

（3）500kV母線及其PT，斷路器Q1、Q2及其附屬隔離開關、接地開關、CT等。

（4）1號、2號聯接變保護柜，1號、2號站用變保護柜。

（5）220kVⅠ母線、Ⅱ母線相關母線保護柜，220kV第一至第四串Q1、Q2、Q3斷路器保護柜，220kV第五串Q1、Q3斷路器保護柜，H6、H8、H10出線間隔線路保護柜。500kV Q1、Q2斷路器保護柜。

（6）調壓變壓器及其一、二次10kV高壓電纜。

（7）10kV工作Ⅰ段、Ⅱ段母線及其PT。10kV工作Ⅰ段進線10K12間隔斷路器及其CT、隔離開關、接地開關，10kV工作Ⅱ段進線10K22間隔斷路器及其CT、隔離開關、接地開關，10kV 10K14間隔母聯斷路器及其CT、隔離開關、接地開關，10kV 10K24間隔CT、隔離開關、接地開關。

（8）10kV工作Ⅱ段進線10K23間隔斷路器及其CT、隔離開關、接地開關，10K23間隔保護裝置。

3.2 換流變、站用變帶電試驗

1）試驗步驟

（1）確認與2號站用變相關聯斷路器、隔離開關在冷備用狀態。

（2）2號站用變充電如圖6所示，具體如下。

圖6 2號站用變充電

a）將調壓變壓器電源柜斷路器轉為運行。

b）緩慢調節調壓變壓器電壓從0升至10kV，調節過程要求平穩，調節升壓過程中，由專人檢查1號站用變等設備無異常。

c）進行電氣二次電壓向量檢查。

d）試驗完成后，緩慢調節調壓變壓器電壓從10kV降至0。

（3）2號聯接變充電如圖7所示，具體如下。

圖7 2號聯接變充電

a）通過網絡監控系統（network control system, NCS）后臺操作，將220kV第五串斷路器Q3、220kV第三串斷路器Q1、Q2、Q3轉運行。

b）緩慢調節調壓變壓器電壓從0升至10kV，給2號站用變、2號聯接變、220kVⅠ母線、Ⅱ母線及母線PT充電。

c）設備運行無異常后，通過NCS后臺操作，500kV Q2斷路器轉運行，給500kV母線及其PT充電。

d）由專人檢查充電設備無異常。

e）進行電氣二次電壓向量檢查。

f）試驗完成后，緩慢調節調壓變壓器電壓從10kV降至0。

（4）1號站用變充電如圖8所示，具體如下。

圖8 1號站用變充電

a）通過NCS后臺操作，將220kV第五串斷路器Q1轉運行。

b）將調壓變壓器電源柜斷路器轉為運行。

c）緩慢調節調壓變壓器電壓從0升至10kV，給1號站用變充電。

d）進行電氣二次電壓向量檢查。

e）試驗完成后，緩慢調節調壓變壓器電壓從10kV降至0。

f）通過NCS后臺操作，將220kV第五串斷路器Q1、220kV第三串斷路器Q1、Q2、Q3、550kV斷路器Q2由運行轉冷備用。

（5）1號聯接變充電如圖9所示，具體如下。

a）通過NCS后臺操作，將220kV第二串斷路器Q1、Q2、Q3轉運行。

b）緩慢調節調壓變壓器電壓從0升至10kV，給1號聯接變、220kVⅠ母線、Ⅱ母線及母線PT充電。

c）設備運行無異常后，通過NCS后臺操作，500kV斷路器Q1轉運行，給500kV母線及其PT充電。

圖9 1號聯接變充電

d）由專人檢查充電設備無異常。

e）進行電氣二次電壓向量檢查。

f）試驗完成后，緩慢調節調壓變壓器電壓從10kV降至0。

g）通過NCS后臺操作，將220kV第三串斷路器Q1、Q2、Q3、500kV斷路器Q1由運行轉冷備用。

（6）220kV第一串、第四串設備充電如圖10所示，具體如下。

圖10 220kV第一串、第四串設備充電

a）通過NCS后臺操作，將220kV第一串斷路器Q1、Q2、Q3、220kV第四串斷路器Q1、Q2、Q3依次轉運行。

b）由專人檢查充電設備無異常。

c）進行電氣二次電壓向量檢查。

d）試驗完成后，緩慢調節調壓變壓器電壓從10kV降至0。

e）通過NCS后臺操作，將220kV第一串斷路器Q1、Q2、Q3、220kV第四串斷路器Q1、Q2、Q3、220kV第五串斷路器Q3由運行轉冷備用。

f）一次帶電試驗完成。

2）試驗判據

（1）電壓、油溫等數據正常。

（2）換流變絕緣滿足要求，無異常放電現象。

（3）換流變無異常報警、無保護跳閘等情況。

3.3 一次通流向量測試試驗

1）試驗說明

（1）一次通流向量測試系統如圖11所示，本次試驗設置2個短路點：K1點，10kV工作Ⅱ段進線10K23間隔斷路器接地隔離開關；K2點，2號聯接變高壓側斷路器Q2所屬Q25接地開關。試驗采用零起升壓方式，經計算，試驗設備及容量滿足試驗要求。

圖11 一次通流向量測試系統

（2）為了驗證試驗方法的正確性，采用仿真模型進行試驗判斷。在換流變閥側施加試驗電源、站用變10kV側接地時建立仿真模型如圖12所示，仿真測試結果符合實際要求。

圖12 仿真模型示意圖

換流變閥側416kV施加10kV試驗電源（相電壓峰值8.16kV）時，仿真波形如圖13所示，220kV側交流電壓有效值為5.37kV，10kV側交流電壓為0；416kV側一次電流峰值為6.7A，220kV側一次電流峰值為11.8A，10kV側一次電流峰值為270A。

圖13 仿真波形

2）試驗步驟

（1）確認220kV第一至第四串Q1、Q2、Q3斷路器，500kV Q1、Q2斷路器，10kV工作Ⅰ段進線10K12間隔斷路器、10kV工作Ⅱ段進線10K22間隔斷路器、10kV工作Ⅱ段進線10K23間隔斷路器，10kV 10K14間隔母聯斷路器，10kV 10K24間隔隔離開關在冷備用狀態。

（2）1號站用變低壓側短路試驗如圖14所示，具體如下。

圖14 1號站用變低壓側短路試驗

a）通過NCS后臺操作，將500kV斷路器Q1、220kV第二串斷路器Q3、220kV第三串斷路器Q1、Q2、Q3、220kV第五串斷路器Q1、10kV工作Ⅰ段進線10K12間隔斷路器、10kV 10K14間隔母聯斷路器、10kV 10K24間隔隔離開關、10kV工作Ⅱ段進線10K23間隔斷路器接地開關轉運行。

b）緩慢調節調壓變壓器，給短路點連接的設備升電流，待二次電流達到相位表測量精度時，停止升電流，并維持電流不變。

c）要求調節升電流過程平穩，升電流過程中，由專人檢查設備有無異常。

d）進行電氣二次電流向量檢查。

e）試驗完成后，緩慢調節調壓變壓器電流降至0。

f）通過NCS后臺操作，將220kV第三串斷路器Q1、Q2、Q3由運行轉冷備用。

（3）1號站用變低壓側短路試驗（第一串）如圖15所示，具體如下。

圖15 1號站用變低壓側短路試驗（第一串）

a）通過NCS后臺操作，將220kV第一串斷路器Q1、Q2、Q3轉運行。

b）緩慢調節調壓變壓器，給短路點連接的設備升電流，待二次電流達到相位表測量精度時，停止升電流，并維持電流不變。

c）要求調節升電流過程平穩，升電流過程中，由專人檢查設備有無異常。

d）進行電氣二次電流向量檢查。

e）試驗完成后，緩慢調節調壓變壓器電流降至0。

f）通過NCS后臺操作，將220kV第一串斷路器Q1、Q2、Q3由運行轉冷備用。

（4）1號站用變低壓側短路試驗（第四串）如圖16所示，具體如下。

a）通過NCS后臺操作，將220kV第四串斷路器Q1、Q2、Q3轉運行。

b）緩慢調節調壓變壓器，給短路點連接的設備升電流，待二次電流達到相位表測量精度時，停止升電流，并維持電流不變。

c）要求調節升電流過程平穩，升電流過程中，由專人檢查設備有無異常。

d）進行電氣二次電流向量檢查。

圖16 1號站用變低壓側短路試驗（第四串）

e）試驗完成后，緩慢調節調壓變壓器電流降至0。

f）通過NCS后臺操作，將220kV第四串斷路器Q1、Q2、Q3、220kV第五串斷路器Q1、10kV工作Ⅰ段進線10K12間隔斷路器、10kV 10K14間隔母聯斷路器、10kV 10K24間隔隔離開關由運行轉冷備用。

（5）2號站用變低壓側短路試驗如圖17所示，具體如下。

圖17 2號站用變低壓側短路試驗

a）通過NCS后臺操作，將220kV第五串斷路器Q1、10kV工作Ⅱ段進線10K22間隔斷路器轉運行。

b）緩慢調節調壓變壓器，給短路點連接的設備升電流，待二次電流達到相位表測量精度時，停止升電流，并維持電流不變。

c）要求調節升電流過程平穩，升電流過程中，由專人檢查設備有無異常。

d）進行電氣二次電流向量檢查。

e）試驗完成后，緩慢調節調壓變壓器電流降至0。

f）通過NCS后臺操作，將220kV第二串斷路器Q3、220kV第五串斷路器Q3、將10kV工作Ⅱ段進線10K22間隔斷路器運行轉冷備用；將10kV工作Ⅱ段進線10K23間隔斷路器接地開關分開。

（6）2號聯接變高壓側短路試驗如圖18所示，具體如下。

圖18 2號聯接變高壓側短路試驗

a）通過NCS后臺操作，將220kV第二串斷路器Q1、Q2、220kV第三串斷路器Q1、500kV斷路器Q2轉運行，將Q25接地開關轉為合閘狀態。

b）緩慢調節調壓變壓器，給短路點連接的設備升電流，待二次電流達到相位表測量精度時，停止升電流，并維持電流不變。

c）要求調節升電流過程平穩，升電流過程中，由專人檢查設備有無異常。

d）進行電氣二次電流向量檢查。

e）試驗完成后，緩慢調節調壓變壓器電流降至0。

f）通過NCS后臺操作，將220kV第二串斷路器Q1、Q2、220kV第三串斷路器Q1、500kV斷路器Q1、Q2由運行轉冷備用。分開500kV Q25接地開關。

g）至此，一次通流試驗完成并合格。

3）試驗判據

交流站系統啟動過程中，要求交流采樣回路正確，無電壓短路、電流開路情況，各電氣元件電壓正確、向量正確。

4 結論

通過上述對±400kV海上風電柔性直流輸電示范工程交、直流系統關鍵試驗方法的研究分析可知，在現有試驗條件和基礎上，所做的交、直流一次系統帶電試驗有效地檢驗了試驗流程、試驗方法的正確性和完整性，滿足了±400kV海上風電柔性直流輸電試驗的要求。

本文給出的試驗方法在如東海上換流站工程中的應用證明了其可行性和有效性。

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Key test methods for alternating current and direct current systems of offshore converter stations

QIAO Mei1JIANG Haitao1DING Haifeng2

(1. China Guangdong Nuclear New Energy Nantong Co., Ltd, Nantong, Jiangsu 226400; 2. China Resources Guangdong New Energy Co., Ltd, Guangzhou 511500)

With the development of flexible DC technology in China, the installed capacity of offshore wind power continues to increase. The offshore flexible DC transmission voltage has reached ±400kV, marking the first application of offshore converter station successful. By studying the tests of the ±400kV flexible DC transmission demonstration project for wind power in Rudong, Jiangsu, the testing method for the offshore converter station system is proposed to lay a technical foundation for the subsequent application of offshore wind DC transmission projects.

offshore converter station; ±400kV offshore wind power flexible DC demonstration project; ±400kV high voltage system test; test method

2023-07-04

2023-09-04

喬 美（1980—），男，江蘇省南京市人，本科，高級工程師，研究方向為電力設備安裝技術、新能源發電、高壓試驗。