一、創新成果概述
「十二五」規劃綱要中明確提出要「發展特高壓等大容量、高效率、遠距離先進輸電技術」。為了進一步發揮特高壓直流輸電的技術優勢，將輸送容量由8GW提升到10GW。隨著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的衝擊越來越大，特高壓直流工程分層接入500kV交流電網和1000kV特高壓交流電網，可以進一步優化電網結構、支撐大規模直流接入，提高電網運行的可靠性和靈活性。本項目圍繞直流系統整體技術方案、控制保護設計方案、簡化直流濾波器、絕緣配合、直流分層接入後系統直流諧振、交流側系統靜態等值及考慮層間影響的交流系統諧波阻抗計算等關鍵技術開展創新性研究，解決直流工程輸送容量提升和分層接入不同交流電網帶來的一系列重大難題。
本項目取得了一系列創新和突破：(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、低端換流器接入特高壓1000kV交流電網的主接線方案，構建了涵蓋分層接入主迴路設計、無功分組設計、濾波器設計、絕緣配合、控制保護策略、暫穩性能設計、主設備性能參數優化設計等整體技術方案;(2)研發了分層接入不同電網的直流系統控制策略、無功控制策略、高低端串聯閥組電壓平衡控制策略，提出各功能的原理及實現方法;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、減小故障範圍的策略;(3)提出了以控制直流側諧波電壓為目的的簡化直流濾波器設計方法，解決了設備絕緣約束大、直流諧振風險高的難題，顯著降低了直流濾波器造價及佔地面積，提升了直流工程的技術經濟水平;(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以及簡化直流濾波器設計等多因素限制下的直流系統過電壓與絕緣配合關鍵技術，將高端換流器和極線設備絕緣水平控制在傳統的1600kV，與傳統線性外推方法相比降低了5%，實現了可靠性和經濟性的有機統一。(5)提出採用智能劃分節點分區的靜態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，並開發了相應的分析計算軟體;提出基于波參數的直流線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徵及規律。
本項目研究成果經中國電機工程學會鑑定，認為項目取得了顯著的社會經濟效益，具有廣泛推廣應用前景，整體技術居國際領先水平。相關研究成果直接應用於錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂等10GW工程成套設計、設備製造和工程建設，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，通過在成套環節推進國產設備代替進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一系列重大難題，確保大容量分層接入特高壓直流技術方案的順利實施，相關研究成果直接應用於錫盟-泰州等大容量分層接入特高壓直流工程成套設計、設備規範編制和工程建設、調試，並推動相關設備廠家在本領域的技術創新。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的空白，進一步提升了我國在直流輸電設計領域的核心競爭力，對全面支撐「三型兩網」建設，提高我國在大範圍內高效優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展需要，進一步提升特高壓直流輸電能力，可更好發揮其固有的大容量、遠距離輸電優勢，對提高輸電效率和效益、節約輸電走廊、保證能源安全、推動技術進步具有重大意義。為發揮特高壓直流輸電的技術優勢，國家電網公司將錫盟-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，隨著特高壓直流輸送容量的增加，故障對電網的衝擊越來越大，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題，對電網的安全穩定運行帶來了很大的影響。
為了綜合解決這些難題，我國開創了特高壓直流分層接入交流電網的創新性接入方式，將特高壓直流受端的高、低端換流變分別直接接入兩個不同電壓等級交流電網。高、低端換流變通過不同電壓等級的交流系統形成環網，受端交流系統之間聯繫較強，相互影響作用更加明顯和複雜。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現電網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，分層接入方案相當於位於同一個換流站內的多端直流系統，其主接線設計及主迴路參數計算、運行控制保護策略、過電壓與絕緣配合、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，並帶來一系列重大難題，有必要對此開展詳細的研究。
本項目圍繞大容量分層接入特高壓直流系統整體技術方案、控制保護設計方案、簡化直流濾波器、絕緣配合、直流分層接入後系統直流諧振、交流側系統靜態等值及考慮層間影響的交流系統諧波阻抗計算等方面開展創新性研究。本項目研究成果不僅能夠為我國特高壓電網的建設提供強有力的支撐，也將推動國內電力裝備的自主創新和研發製造水平的大幅提升，提高在國際電工裝備市場的綜合競爭力，具有重大的政治和經濟意義。
三、主要創新點
主要創新點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、低端換流器接入特高壓1000kV交流電網的主接線方案，構建了涵蓋分層接入主迴路設計、無功分組設計、濾波器設計、絕緣配合、控制保護策略、暫穩性能設計、直流動態響應、主設備性能參數優化設計等整體技術方案。
±800kV特高壓直流輸電工程輸送容量由傳統的8GW提升到10GW，並首次採用換流站交流側分層接入兩個交流系統的方案，網側接入最高電壓等級也由750kV提升到1000kV。
主要創新成果：
①首次提出了特高壓直流分層接入500kV/1000kV交流電網的主接線設計方案(如圖1所示)，解決了超大直流輸送容量對單一電網帶來的衝擊問題，實現了10GW大容量系統功率的安全穩定傳輸。同時，雙12脈動高端換流器接入500kV交流電網，低端換流器接入1000kV特高壓交流電網，避免了高端換流變網、閥側同時接入特高壓電網引發的複雜設計難題，降低了研發難度和設備製造費用。
②針對高低端閥組接入不同交流電網給傳統直流帶來的系統計算機理顛覆問題，創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迴路設計、無功分組設計、控制保護、絕緣配合方法;首次針對網側交流電壓等級為1000kV的特高壓直流換流站進行了完整建模仿真，研發確定了斷路器最嚴重的恢復電壓特性，優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製造難度，解決了1000kV交流系統濾波器的在線開斷問題;建立了接入含大規模風/火/水電機組交流電網的10GW直流系統動態響應模型，全面仿真驗證了大容量直流系統對複雜交流電網的適應性。
③首次提出了換流閥、換流變、平波電抗器、穿牆套管、斷路器、直流測量裝置等全套主設備技術規範，優化確定了設備的技術參數、性能要求、結構要求、試驗要求等，大力推進了大容量國產化設備的研發、製造和工程應用。完成設備技術規範32本，形成國網公司企業標準5項。
依託錫盟-泰州工程，全面攻克了涵蓋主迴路設計、無功分組設計、濾波器設計、絕緣配合、控制保護策略、暫穩性能設計、直流系統動態響應、主設備性能參數優化設計等10GW大容量特高壓直流分層成套設計關鍵技術。
主要創新點2：研發了分層接入不同電網的直流系統控制策略、無功控制策略、高低端串聯閥組電壓平衡控制策略，提出各功能的原理及實現方法;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、減小故障範圍的策略。
本項目結合高低端閥組分層接入不同交流系統的特點，創新性地提出了分層接入不同電網的直流系統控制策略和保護策略。
主要創新成果：
①提出了適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。形成國家電網公司企業標準1項。
②提出了適用於正、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、高低端串聯閥組電壓平衡控制策略、無功控制策略，實現了分層接入直流系統的穩定運行控制功能。
③提出了分層接入直流系統的保護配置和受端分層側抵禦換相失敗的方法，以降低不同交流系統或不同換流器之間的故障耦合，防止故障範圍擴大。
④提出基於直流電壓突變量的換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由於線路耦合引起對極換相失敗的問題，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;提出了多斷口串並聯型的轉換開關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關通流能力不足的問題，保障了大電流轉換的可靠性和安全性。
主要創新點3：提出了以控制直流側諧波電壓為目的的簡化直流濾波器設計方法，解決了設備絕緣約束大、直流諧振風險高的難題，顯著降低了直流濾波器造價及佔地面積，提升了直流工程的技術經濟水平。
隨著直流輸送容量的大幅提升，直流濾波器的研製難度加大，體積和造價也都大幅增加，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經濟水平的關鍵因素。
主要創新成果：
①通過協同考慮直流設備絕緣水平和直流系統諧振風險對直流濾波器設計的高度依賴性，創新性提出了以控制直流側諧波電壓為目的的簡化直流濾波器設計方法和簡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次諧振風險，12次特徵諧波電壓幅值較高，對直流線路出口運行電壓峰值影響較大，因此簡化直流濾波器需設置2次和12次支路。
②提出世界首個±800kV直流工程簡化直流濾波器技術方案，比選確定了主電容取值、並聯諧振頻率、濾波器電阻取值、濾波器電阻接線形式。簡化直流濾波器可有效限制諧波電壓，直流線路出口運行電壓峰值控制在850kV以下;同時顯著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)，大幅降低設備研製難度、佔地面積和濾波器投資費用。形成國家標準1項。
主要創新點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以及簡化直流濾波器設計等多因素限制下的直流系統過電壓與絕緣配合關鍵技術，將高端換流器和極線設備絕緣水平控制在傳統的1600kV，與傳統線性外推方法相比降低了5%，實現了可靠性和經濟性的有機統一。
項目依託工程首次在±800kV特高壓直流工程中採用高低端閥組分別控制、接入兩個不同交流系統的拓撲結構，並採用簡化直流濾波器設計方案，引發直流系統的諧波電壓水平顯著增大，進一步造成直流系統各點的穩態運行電壓大幅升高，對傳統絕緣配合方案下設備的絕緣性能帶來極大風險。
主要創新成果：
①首次給出了直流分層接入和簡化直流濾波器設計下的各電氣節點持續運行電壓特徵，確定了系統設備和避雷器設備的穩態運行電壓。在傳統特高壓直流系統中，由於平波電抗器採用極線和中性線均置方案，400kV中點電壓為純直流電壓;極線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，穩態運行電壓峰值不超過812kV(考慮測量偏差)。採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，同時直流濾波器採用簡化設計方案，造成400kV中點電壓達430kV，極線出口電壓達850kV。
②創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以及簡化直流濾波器設計換流站避雷器配置方案和關鍵參數。由於400kV中點電壓和極線出口電壓的提高，採用傳統的線性外推方法，高端設備的操作衝擊/雷電衝擊絕緣水平將達到1675kV/1870kV。
③通過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衝擊放點特性，藉助關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鍵參數。成功將高端換流器和極線出口處設備的操作/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高端設備和極線設備的重新研製以及閥廳設計尺寸的增加，極大的提升了工程可靠性和經濟性。
主要創新點5：提出採用智能劃分節點分區的靜態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，並開發了相應的分析計算軟體，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路諧波阻抗解析計算方法，得到交流系統、直流線路、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徵及規律。
主要創新成果：
①提出了交、直流混聯繫統以及直流分層接入系統靜態等值方法，通過工程算例驗證了等值方法的準確性。採用基於廣度優先搜索算法的節點分區方法，簡化等值過程;採用平衡節點分群方法，提高系統潮流收斂性，如圖6。
②從理論上推導並定義了諧波交互影響因子，提出了層間諧波相互影響的評價方法，解決了分層接入系統交流濾波器設計的難題。
③開發了電力系統等值阻抗掃描軟體，不受系統節點數量限制，採用改進節點法、稀疏矩陣技術與節點優化編號方法，提高求解速度和數據檢索效率，滿足了工程設計需要。
④提出基於線路分布參數以及波參數的直流線路諧波阻抗解析計算方法，並建立長線路鏈式π模型，通過數學計算推導出線路的諧振頻率與諧振阻抗的幅值與相角，在低頻段範圍內能夠準確地仿真輸電線路的諧波阻抗特性。
⑤引入換流變、平抗、中性點電容等直流側設備並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徵及規律，當線路長度接近敏感長度(1500km以上)時容易在50Hz和100Hz附近引發低頻諧振。
⑥基於上述諧波阻抗解析計算方法，開發直流阻抗掃描軟體，採用圖形化界面搭建直流迴路模型，分析直流迴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，建成後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，形成了服務於錫盟-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、測試驗證的主設備採購規範。以項目為依託，國網經研院形成了具有完全自主智慧財產權的直流工程成套設計軟硬體平臺，對公司佔領更高電壓等級、更大容量直流設計的制高點，進一步提高在直流設計領域的核心競爭力，全面支撐公司一流電網建設具有重要意義。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、穿牆套管、平波電抗器、小組斷路器、控制保護裝置等主設備研製，目前，所有設備均已通過全套試驗驗證並投入工程應用。
通過應用本項目成果，可為每工程節約成套設計費用約1億元;通過優化成套設計方案，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;成功推動國內廠家開展主設備研發代替進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，在2017年完成全部設備製造(共3×13+3×11億元)工作。
本項目研究成果已成功應用於錫盟-泰州、扎魯特-青州、上海廟-臨沂工程。每年運行小時按6000小時計算，每工程的輸送電量為60000GWh/年，若目前每度電的電價按0.4元、過網電價按照0.1元計算，3個工程每年可為國網公司增加的經濟收入為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於錫盟-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、測試驗證以及設備採購規範的編制，確保了工程的順利建設和投運。
研究成果還成功應用於後續陝北-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範的編制，推廣應用前景十分廣闊。