马晶
（广州市电力工程设计院有限公司 广州 510220）
摘 要：为提高电网存量设备利用率，在不新增电源布点的前提下，充分挖掘和提升现状电网供电能力，简述了柔性直流输配电技术在电网中应用的可行性。分析柔性直流输配电运行方式的选择，以及从广州地区现有变电站改造和新建变电站两种情况，分析柔直技术在实际安装布置的可行性。基于柔直可提升变电站供电能力，降低电网容载比，减少区域变电站布点，分析评估变电站应用场景和方案实施效果，为广州新型SVG兼柔直装置技术应用提供了技术支撑。
关键词：柔性直流输电技术；运行方式；布置方案
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随着电网建设与规划发展由粗放型向集约化的转变，电网和设备利用效率因与经济性密切相关，越来越受到广泛关注。目前，电网规划项目的建设实施，与建设用地和线路廊道紧密相关。尤其是在老旧城区，随着城市发展，土地资源越来越紧张，变电站用地、高压线行用地、中压走廊用地、中压配电节点（例如电房、分接箱等）用地将越来越难以取得，已成为制约配电网发展的一个重要因素。在不新增电源布点的前提下，充分挖掘和提升现状电网供电能力，在保证供电可靠性的前提下如何优化电网拓扑，提高电网存量设备利用率，已成为未来电网规划建设的重点关注方向。
柔性直流输电技术使得突破交流电网规划设计容载比原则成为可能。通过采用交直流混合电网，合环运行且不增加短路电流，不但提高供电可靠性，还能在变电站间提供功率支援，降低电网规划初始容载比，节省输电走廊，降低输电损耗，柔性直流输电技术可提升站间转供电能力，本文将着重探索柔性直流输配电技术在电网中应用的可行性，对直流运行方式、应用场景、技术方案及经济性展开细致研究。
1柔性直流输配电运行方式选择
柔性直流输配电运行方式可分为单极、双极、和三极运行方式，可将现有交流电缆线路改为单极、双极和三极运行。
1.1单极直流运行方式
将原有的交流输电线路改造为单极直流输电系统，三条线路同时并联以正极或者负极方式运行，利用线路与大地构成直流运行时的单极回路，而两侧的换流站应连有接地装置。
1.2双极直流运行方式
将原有交流输电线路改造成双极直流输电系统，在运行中，利用3 根导线构成直流运行的回路，把其一相作为中性线，其余两相分别作为正负极线路。这种接线方式运行具有灵活方便的特点，而且可靠性还高，此外其结构相当于两个可独立运转的单极输电系统。此接线方式下，一般把中性线的一端连有接地装置以达到保持直流侧部分设备对地电位的目的。
1.3三极直流运行方式
将原有交流输电线路改造成采用电压源换流技术的三极直流输电系统，由两端的换流变压器、电压源换流器及三条输电导线组成，第1极导线和第2极导线的电压、电流极性恒定，第3极导线的电压、电流极性均可翻转，可以通过周期性的改变第3极的电压和电流的极性，实现对第1极、第2极电流的周期性分担，增大系统整体的输送功率。
1.4直流运行方式技术对比
将10kV交流电缆改直流运行后，对各种运行方式下输电能力、系统可靠性、造价等进行对比，单极方式简单、投资少，但有功传输能力低，其接线需要利用大地或金属线构成闭合回路，长期以单极-大地回路运行将导致地电流对接地极地下金属部件造成腐蚀，会导致变压器磁路饱和或者损耗增大等问题，不适合在电力系统中使用。双极接线方式可靠性高、运行方式灵活，但成本较高，双极方式可通过换流器的级联形成金属回线或大地回线。三极直流输电技术充分利用交流电缆改直流的电缆通道，同时兼顾直流输电能力，但设备成本最高，且技术尚不成熟。因此，推荐采用双极运行方式。
2技术方案设想
从广州地区现有变电站改造和新建变电站两种情况，分析柔直技术在实际安装布置的可行性。柔直装置按照12MVA的尺寸考虑。
2.1电气主接线改造
由于柔直装置可作为SVG使用，在变电站增加（改造）柔直装置后与原典设110kV变电站电气主接线图相比，原电容器组可以取消。
2.2 现有变电站户外布置方案
现有户外站我们以110kV南箕站为例，若户外变电站有长不低于30m、宽不低于8m，面积不小于240㎡的空地时，可以布置下一套柔直装置。
2.3 现有变电站户内布置方案
以110kV珠吉站为例，户内变电站拟拆除电容器室前期电容器组，新建柔直装置。由于房间空间受限，布置一组柔直装置后需要占用远期6组电容器组的空间，此时，另外两台主变无法配置无功补偿装置，不利于系统运行。因此户内变电站安装柔直装置的改造方案不可行。
2.4 新建变电站布置方案
以典设110kV变电站为例，变电站2台主变增加2套柔直装置后，变电站征地面积比原来典设方案增加了240㎡（其中一套布置在原电容器的位置）。若远期3台主变配套3套柔直装置，变电站征地面积将比原来典设方案增加了480㎡。
3项目应用场景
柔性直流输配电装置可以实现不同变电站间潮流转移，由于该方案是在变电站母线端到端合环运行，相比于站间多回10kV线路联络方案多次倒闸操作更为方便，无需停电可靠性更高，尤其适合广州中心城区一流电网建设的目标定位。此外柔直可提升变电站供电能力，降低电网容载比，减少区域变电站布点。基于此，可以应用于以下三个场景：
3.1场景一
场景一：变电站10kV出线困难，投产多年后仍轻载运行，无法分担近区电网重载的变电站负荷。
目前广州局越秀区110kV梅花站、从化区110kV云星站属于此种情况。通过柔性直流输配电技术可以得到解决，通过转移重载变电站负荷可提升新投产变电站资产利用率水平。分析周边花穗等重载变电站是否具备柔直安装条件，广州市范围内场景一无可实施站点。
3.2场景二
场景二：高峰负荷期间，主变重载且不满足N-1，在变电站主变故障或检修情况下，通过该装置将负荷转移至邻近变电站。
2020 年高峰负荷日，广州市不满足主变N-1要求的共计18座（按1.4倍过载能力校核），其中“民营、龙归、龙口”故障下配网无法转供。筛选周边变电站可实施情况，选取负载水平不高，具备柔直安装条件，分析龙归与均禾柔直组合方案、龙口与凤凰柔直组合方案具备可实施性，可作为场景二试点进行推广。
在此场景下，我们以110kV 变电站，2×63MVA主变，配置2×2×6Mvar无功补偿装置规模为例，柔直转供电方案和低压转供电方案按调12MW负荷估算，高压转供电方案按扩建一台主变估算，对基于柔性直流输配电装置的变电站间转供电方案与常规基建方案作出评估如下：
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综上所述，当方案二扩建第三路电源线行较困难，且方案一变电站之间10kV电缆通道可实施或2回备用10kV电缆，又亟需解决变电站不满足N-1问题时，可考虑采用场景二。
3.3场景三
场景三：应用于创建国际一流配电网的供电示范区。
对标国际一流配电网用户年平均停电时间为5.2分钟，通过建设柔性直流配电网，变电站之间可合环运行，发生故障或停电检修时运行人员无需倒闸操作转电，可大大减少配电网故障和施工停电时间。比如越秀区党政军保供电示范区，如图1所示。
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图1越秀区党政军保供电示范区
由上图可以看出，国际一流配电网的供电示范区周边现状有越秀、府学、文德、东堤、较场、中旅、区庄、盘福等变电站，布点十分密集，通过应用柔性直流技术，增加临近变电站之间的电气联系，可提升各个变电站的供电能力，规划可以减少1个变电站。
由于新建变电站柔直方案可实施性强，对于可靠性要求高的规划新区新建变电站，可考虑采用场景三。
4 社会经济评价
4.1社会评价
（1）提升存量电网供电能力，减少变电站布点以及10kV馈线联络管廊征地。
根据供电能力初步估算，变电站采用柔直方案后，每4座110kV变电站可减少一座变电站布点（4座柔直站在满足N-1可靠性供电的前提下，供电能力相当于5座常规站）。
（2）有利于维护社会稳定，减少电网建设阻力。
长期以来，居民对电网中变电站的电磁辐射存在误解，变电站在前期选址、征地赔偿中存在阻碍，尤其是靠近居民区的位置，经常会受到村民的阻挠，或因费用赔偿没有谈妥而使得电网企业不得不另选站址，导致新的站址远离负荷中心，造成线路建设成本增加、电能损耗增大等多种问题，造成极大的人力、物力和财力资源的浪费。
4.2 经济评价
（1）原有站柔直方案改造
根据场景二，以龙归与均禾柔直组合方案、龙口与凤凰柔直组合方案为例，对原有站改造情况下扩建#3主变方案和加装柔直装置方案，进行经济性对比。
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由上表可知，在满足场景二的前提下，柔直方案低于扩建#3主变方案1625万元。由此可知，目前在原有变电站改造侧推广柔性直流输电技术具备经济优势，当变电站扩建第三路电源线行较困难，又亟需解决变电站不满足N-1问题时，在部分原有变电站中可进行推广，具体可行性需要进一步勘查设计确定。
（2）新建变电站组网方案
根据场景三，分析基于区域电网供电能力相同的条件下，常规变电站与配置双极柔直装置方案的变电站的组网方案，进行经济性对比。
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由上表可知，区域供电能力相同的前提下，柔直方案高于常规变电站方案1793万元，在单位供电能力投资方面，常规方案为670.24元/kVA，柔直方案为709.41元/kVA。由此可知，目前在新建变电站采用柔直装置组网方案中，推广柔性直流输电技术在经济上并不占经济优势，目前仅作为局部试点，待技术成熟且形成规模后，设备造价降低，可以大范围推广。
5 结论
（1）在变电站内安装柔性直流输配电装置，可以替代电容器组发出或吸收无功功率，响应速度快，具备闪变抑制，谐波补偿等功能，提升变电站动态无功补偿能力（+12Mvar~-12Mvar），还具备电能质量治理功能。
（2）运用柔性直流输配电技术，基于同等无功补偿能力的条件下，还可提升变电站10%的供电能力。
（3）在变电站内安装柔性直流输配电装置，推荐采用双极运行方式。
（4）变电站进行柔性直流输配电改造，为确保供电可靠性，建议采用高电压等级交流电缆改直流运行方案。
（5）变电站进行柔性直流输配电改造，为防止故障范围扩大，应采用通过联接变压器接入交流系统方式。
（6）广州现有变电站中，对于空地较多户外变电站，一般可以安装一套柔直装置；但对于户内变电站均不具备改造条件。对于新建变电站需要增加征地。每增加1套柔直装置，变电站征地面积增加240㎡。
（7）为满足组网要求考虑每座变电站配置两套柔直装置，单座变电站采用柔直方案相比常规变电站工程，建设总投资增加约1775万元。
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作者简介：
马晶（1985），女，汉族、广东省佛山市，工程师，主要从事城市电网规划设计、分布式发电技术方面的研究。