柔性直流輸電技術(shù)在江北電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

雷 宇

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司,四川 成都 610021)

0 引 言

柔性直流輸電(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission, VSC-HVDC)是一種以換流器為基礎(chǔ)的新型高壓輸電技術(shù)[1-2]。它將半控型電力電子器件升級(jí)為全控型電力電子器件,具有響應(yīng)速度快、可控性好、運(yùn)行方式靈活、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、不會(huì)出現(xiàn)換相失敗及易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。柔性直流輸電技術(shù)在孤島送電、海上風(fēng)電直流送出等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),對(duì)新型電力系統(tǒng)建設(shè)中大規(guī)模新能源消納和電網(wǎng)智能化、數(shù)字化發(fā)展建設(shè)具有重要作用[6-9]。

20世紀(jì)90年代,Boon-Teck Ooi等人第一次提出了高壓直流輸電的電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)理念[10-11]。1997年瑞典首次進(jìn)行了柔性直流輸電技術(shù)在工程中的應(yīng)用[12]。2010年西門子公司提出了基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電技術(shù),并首次在美國(guó)的Transbay Cable工程中應(yīng)用成功[12]。同時(shí),ABB、Alstom公司也相繼提出了類似結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)兩電平(cascaded two-level,CTL)、MaxSine型有源濾波器等換流閥設(shè)計(jì)[13],截至2021年年底,柔性直流輸電工程在全球的投運(yùn)量已經(jīng)超過了50個(gè),總變電容量達(dá)到了60 GW。在國(guó)外廣泛應(yīng)用柔性輸電技術(shù)的背景下,中國(guó)的柔性直流輸電技術(shù)也迎來迅速發(fā)展, 2006年,國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)把握行業(yè)發(fā)展趨勢(shì),提出了基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)技術(shù)的柔性直流輸電工程應(yīng)用研究。2011年7月,國(guó)內(nèi)第一個(gè)柔性直流輸電項(xiàng)目在上海南匯投入運(yùn)行[14-15],線路總長(zhǎng)度約8 km,南匯風(fēng)電場(chǎng)通過該工程接入上海電網(wǎng)驗(yàn)證了柔性直流系統(tǒng)在風(fēng)電接入中的作用。隨著魯西背靠背工程、舟山多端柔性直流輸電工程、昆柳龍直流工程以及廣東柔性直流背靠背工程的相繼運(yùn)行,柔性直流輸電工程在中國(guó)的運(yùn)用更加廣泛。

現(xiàn)有柔性直流輸電工程運(yùn)行情況表明,在直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)是否具備較強(qiáng)的生存能力是評(píng)估柔性直流輸電系統(tǒng)性能的重要依據(jù)。調(diào)研分析可知,尤其是在多端直流輸電運(yùn)行場(chǎng)景下,直流斷路器速度慢以及直流故障對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)有較大影響等因素是導(dǎo)致直流斷路器在電壓高、容量大等運(yùn)行場(chǎng)景下使用較少的主要原因[16-18]。因此,實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的直流輸電技術(shù)仍有待進(jìn)一步的研究。

重慶江北電網(wǎng)供區(qū)為江北區(qū)、渝北區(qū)、北部新區(qū)以及兩江新區(qū),該地區(qū)電網(wǎng)的負(fù)荷密度大、重要性高,事故發(fā)生后的停電影響較大。然而目前江北電網(wǎng)還存在變電站下網(wǎng)負(fù)荷分布不均勻、已有變電容量利用不充分、金山變電站存在失電風(fēng)險(xiǎn)以及220 kV側(cè)短路電流裕度小等問題,給該地區(qū)的電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。

大電網(wǎng)中柔性直流輸電技術(shù)的靈活運(yùn)用,對(duì)于解決交流和直流之間的干擾困境,增強(qiáng)電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力有著十分重要的作用。下面分析了柔性直流輸電技術(shù)的原理和特點(diǎn),詳細(xì)論述了柔性直流輸電技術(shù)在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用問題;結(jié)合背靠背柔性直流輸電技術(shù)特點(diǎn),提出了交、直流方案以解決重慶江北電網(wǎng)中220 kV電網(wǎng)思源—金山500 kV線路發(fā)生N-2故障后的電流過載問題;在110 kV電網(wǎng)中應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù)解決220 kV變電站負(fù)載不均衡的問題;通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比驗(yàn)證了柔性直流輸電方案的經(jīng)濟(jì)性和良好效果。

1 柔性直流輸電的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 技術(shù)原理

柔性直流輸電技術(shù)分別通過開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間控制電力電子器件的運(yùn)行方式,使電流源換流器按照既定方式工作,同時(shí)幅值參數(shù)和相角參數(shù)在輸出電壓中的數(shù)值也會(huì)相應(yīng)改變控制交流測(cè)的有功、無功功率[19],以實(shí)現(xiàn)功率在線路中正常輸送的同時(shí)電網(wǎng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行,由此可以高效地解決現(xiàn)有輸電技術(shù)所具有的某些內(nèi)在缺陷。在柔性直流輸電系統(tǒng)中,換流器是最重要的組成部分,主要包括兩電平換流器、二極管箝位型三電平換流器和模塊化多電平換流器等。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1)運(yùn)行模式多樣、控制性能良好。在弱交流系統(tǒng)中,柔性直流輸電的送電優(yōu)勢(shì)明顯,在面對(duì)無源系統(tǒng)時(shí)也能夠提供較高質(zhì)量的送電服務(wù),其巨大優(yōu)勢(shì)在分布式發(fā)電并網(wǎng)、電力系統(tǒng)互聯(lián)和市區(qū)供電等方面作用巨大。

2)換相失敗風(fēng)險(xiǎn)低。電網(wǎng)故障發(fā)生時(shí),柔性直流輸電可以對(duì)交流系統(tǒng)故障進(jìn)行全穿越,并且能夠提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償給電網(wǎng),促進(jìn)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3)諧波含量小。電壓源換流器只有很少的諧波含量,所以沒有必要設(shè)置單獨(dú)的濾波器,極大地節(jié)省了設(shè)備的裝置空間。

另外,柔性直流輸電在靈活潮流分布、運(yùn)行穩(wěn)定性、有功和無功的解耦等方面也有諸多優(yōu)勢(shì)。

2 柔性直流輸電的工程應(yīng)用分析

2.1 柔性直流在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用

目前在城市配電網(wǎng)中普遍采用高壓分區(qū)、中壓開環(huán)的運(yùn)行模式,嚴(yán)重影響了配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)設(shè)備的使用時(shí)間。采用靈活的柔性直流輸電技術(shù)將隔離的高、中壓配電網(wǎng)連接起來,構(gòu)建起交、直流混合配電網(wǎng),既能夠使電力系統(tǒng)的可靠性得到增強(qiáng),又能夠有效地解決系統(tǒng)設(shè)備的低效率利用問題,還能為負(fù)荷中心的電力系統(tǒng)提供有效的無功支持。國(guó)內(nèi)已投運(yùn)柔性直流輸電工程如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)投運(yùn)柔性直流輸電工程

通過工程驗(yàn)證和技術(shù)積累,柔性直流輸電技術(shù)在配電網(wǎng)中實(shí)際應(yīng)用的穩(wěn)定性不斷提高,如昆柳龍直流工程采用的是常規(guī)直流與柔性直流混合聯(lián)接方案,滿足了電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行需求的同時(shí)提高了工作效率。但實(shí)際應(yīng)用證明,在柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)中不可靠因素仍然存在,功率組件的旁路故障是最為普遍的一種,電氣設(shè)備的不可靠連接以及二次板卡失效是最常見的原因,其次是取能電源故障?？赏ㄟ^增加抗電磁干擾裝置、改進(jìn)工藝提升元件質(zhì)量等方式降低功率模塊旁路發(fā)生概率。因此,城市配電網(wǎng)中的柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用仍有待進(jìn)一步改進(jìn)以降低故障發(fā)生率。

2.2 柔性直流輸電容量限制

柔性直流輸電的容量上限是由其所處的電壓級(jí)別以及所傳輸?shù)碾娏魉鶝Q定的。前者的影響因素很大程度上依賴于IGBT等元件的電壓耐受能力以及變換器的結(jié)構(gòu)等;后者則主要受傳輸線的抗熱性能制約,一般情況下,同樣橫截面積的架空線所能傳輸?shù)碾娏饕笥陔娎|。直流電壓等級(jí)提升需要增加換流閥的串聯(lián)模塊數(shù)量,并可能需要適度增加控制保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性?，F(xiàn)已建成廈門±320 kV柔性直流工程額定功率為1000 MW,額定電流為1563 A。全球已建成并投運(yùn)的柔性直流輸電系統(tǒng)傳輸容量和傳輸電壓之間的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 柔性直流工程輸電容量與電壓等級(jí)的關(guān)系

2.3 直流輸電線路造價(jià)

由于直流電纜對(duì)絕緣性能的需求較少,所以其生產(chǎn)成本不會(huì)比交流電纜高?？偟膩碚f在同樣的絕緣等級(jí)下,電纜所能承受的直流電壓大約是交流相電壓的1.5～2.0倍,所以可以在直流系統(tǒng)中直接使用交流電纜,對(duì)雙極直流電纜進(jìn)行價(jià)格估計(jì)時(shí),以單相交流電纜的價(jià)格作為參考并加倍即可。另外,柔性直流輸電也可以采用架空線路,張北柔性直流工程即采用架空線路進(jìn)行直流輸電。在后續(xù)多端直流系統(tǒng)構(gòu)建時(shí),可以通過加裝斷路器提高直流系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

2.4 柔性直流工程規(guī)模與投資

交流濾波器、交流變壓器、直流電容器與換流器及其通風(fēng)冷卻設(shè)備等是換流站的主要設(shè)備。從已有直流輸電項(xiàng)目建設(shè)情況推斷,交直流換流站電壓等級(jí)、電流水平等因素與其建設(shè)成本之間并無直接聯(lián)系,所以可以將換流站的投資成本統(tǒng)一按照1000元/kVA來進(jìn)行計(jì)算。若是百兆瓦級(jí)的柔性直流在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)推廣,換流站每千伏安的投資將進(jìn)一步下降,柔性直流的應(yīng)用將更加廣泛。

根據(jù)渝鄂背靠背工程研究結(jié)果,該工程推薦采用±500 kV柔性直流方案。渝鄂柔性直流背靠背換流站額定功率可優(yōu)化提高到1250 MW,其4個(gè)換流單元將具備5000 MW輸送能力。具體參數(shù)如表2所示。

表2 投資與規(guī)模統(tǒng)計(jì)表

3 柔性直流輸電在江北電網(wǎng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 江北電網(wǎng)運(yùn)行問題

重慶江北電網(wǎng)服務(wù)于江北區(qū)、渝北區(qū)、北部新區(qū)及新成立的兩江新區(qū)(82%面積)4個(gè)行政區(qū),供電面積達(dá)1 541.3 km2,區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)為主城區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、居民密度大、負(fù)荷強(qiáng)度高,電網(wǎng)負(fù)荷重要性高,事故發(fā)生后的停電影響較大。地區(qū)基本情況如表3所示。

分析江北電網(wǎng)的運(yùn)行情況主要存在以下幾個(gè)方面的問題:

1)變電站下網(wǎng)負(fù)荷分布不均勻,已有變電容量利用不充分

500 kV層面,2017—2020年石坪變電站所供220 kV負(fù)荷共計(jì)約1600～1750 MW;金山變電站220 kV下網(wǎng)負(fù)荷即達(dá)到930 MW,且隨著負(fù)荷的增長(zhǎng)下網(wǎng)負(fù)荷逐年上升。而因220 kV側(cè)接入電源容量較大,思源片區(qū)500 kV下網(wǎng)壓力相對(duì)較小,2017—2020年思源變電站220 kV下網(wǎng)負(fù)荷約為550～950 MW。明月山變電站所供區(qū)域負(fù)荷也較小,2017—2020年下網(wǎng)負(fù)荷約110～520 MW。

220 kV層面,翠云、人和、大竹林、高屋等變電站的負(fù)載較重,容載比常年處于1.3以下,不能滿足主變壓器N-1供電的需要。而悅來、禮嘉以及大云變電站,負(fù)載率均較低。

2)金山變電站存在失電風(fēng)險(xiǎn)

金山變電站通過金山—思源同塔雙回500 kV線路與500 kV主網(wǎng)相連,當(dāng)金山—思源500 kV線路發(fā)生同塔雙回倒塔故障,金山變電站將失電,金山—思源500 kV線路上的潮流將通過思源—悅來—翠云—金山220 kV線路轉(zhuǎn)供。當(dāng)金山變電站下網(wǎng)負(fù)荷過大時(shí),思源—悅來、悅來—翠云線路都將出現(xiàn)過載。

3)220 kV側(cè)短路電流裕度小

思源變電站、石坪變電站220 kV側(cè)的短路電流均較大,其中思源變電站220 kV側(cè)三相短路電流為44.08 kA,石坪變電站220 kV側(cè)三相短路電流為40.09 kA。金山變電站投產(chǎn)初期,與思源變電站合環(huán)運(yùn)行,思源中壓側(cè)短路電流達(dá)49 kA,接近斷路器最大開斷電流50 kA,需將草街電站解環(huán)至銅梁—板橋供區(qū)運(yùn)行來降低短路電流。

3.2 220 kV電網(wǎng)柔性直流輸電方案

在220 kV電網(wǎng)中應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù),主要考慮在不明顯增加短路電流的基礎(chǔ)上,解決金山變電站500 kV失電后產(chǎn)生的過載問題。

當(dāng)思源—金山500 kV線路發(fā)生N-2故障后,思源—悅來—翠云220 kV通道將出現(xiàn)過載現(xiàn)象,思源—悅來斷面潮流、悅來—翠云斷面潮流以及思源變電站下網(wǎng)負(fù)荷都將超過了主變壓器容量。若合上思源、石坪、金山變電站之間任何220 kV線路,如石坪—高屋或翠云—石坪線路合上運(yùn)行,則思源變電站中壓側(cè)短路電流將超過50 kA。

為解決上述問題,提出了以下兩種方案。

1)交流方案

建設(shè)金山—石坪500 kV雙回輸電線路,線路長(zhǎng)度約20 km/回,方案線路分布如圖2所示。

圖2 新建金山—石坪交流輸電通道

2)柔性直流方案

在石坪—翠云已有220 kV線路上加裝柔性直流背靠背輸電裝置,方案線路分布如圖3所示。

圖3 在石坪-翠云通道裝設(shè)柔性直流輸電裝置

增加金山—石坪500 kV輸電通道后,如需暫緩建設(shè)金山第三臺(tái)主變壓器,可考慮通過斷開金山—翠云雙回220 kV線路,解開金山與思源的電磁環(huán)網(wǎng)。這時(shí),當(dāng)金山—思源500 kV線路發(fā)生N-2故障之后,系統(tǒng)的潮流分配是合理的,并且各線路和主變壓器都沒有過負(fù)荷。

在翠云—石坪已有的220 kV線路上加裝柔性直流背靠背輸電裝置后,將石坪—翠云斷面送電容量置于500 MW,當(dāng)石坪變電站發(fā)生主變壓器N-1的情況下,可利用柔性直流輸電裝置的快速功率調(diào)制功能,將石坪—翠云斷面的送電容量降低,以保證石坪變電站主變壓器不過載。當(dāng)思源—金山發(fā)生N-2故障后,潮流如圖4所示。

圖4 采用柔性直流方案的江北電網(wǎng)潮流(局部)

從圖4中可以看出,由于新增了220 kV線路通道,使得故障發(fā)生后思源、石坪變電站均可以對(duì)金山變電站的負(fù)荷形成支援,所有的線路及主變壓器均不會(huì)發(fā)生過載現(xiàn)象。

交、直流方案比較結(jié)果如表4所示。

表4 交直流方案比較

3.3 110 kV電網(wǎng)柔性直流輸電方案

在110 kV電網(wǎng)中應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù),主要考慮在不明顯增加短路電流的基礎(chǔ)上,解決220 kV變電站負(fù)載不均衡的問題。

1)翠云—悅來片區(qū)

翠云變電站常年負(fù)荷較重,還存在轉(zhuǎn)供大竹林、人和、高屋變電站負(fù)荷的可能,而悅來變電站負(fù)荷較輕。隨著望鄉(xiāng)輸變電工程的投產(chǎn),空港—翠云雙回110 kV線路將接入悅來站,形成空港—望鄉(xiāng)—悅來—翠云雙回110 kV線路。因此,可考慮在悅來—翠云110 kV通道加裝柔性直流背靠背裝置,充分利用悅來空置的變電容量解決翠云重載問題,線路分布如圖5所示。

圖5 在悅來—翠云線路上加裝柔性直流裝置

2)人和—大云—翠云片區(qū)

翠云、人和變電站常年負(fù)荷較重,容載比長(zhǎng)期處于較低狀態(tài),而大云變電站負(fù)荷較輕,可考慮在大云和萬年變電站之間新建柔性直流背靠背輸電通道,同時(shí)將萬年變電站負(fù)荷改由人和變電站供電,可緩解翠云、人和變電站的供電壓力,充分利用大云變電站的容量。線路分布如圖6所示。

圖6 新建大云—萬年柔性直流背靠背通道

在石坪—翠云通道裝設(shè)柔性直流背靠背輸電裝置后的電網(wǎng)潮流如圖7所示。由潮流計(jì)算結(jié)果可知,在江北110 kV電網(wǎng)建設(shè)柔性直流背靠背輸電工程,可充分利用220 kV輕載變電站的變電容量,緩解220 kV重載變電站的下網(wǎng)壓力,使各模塊在正常工作時(shí)負(fù)荷得到平衡,從而提高系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

圖7 石坪—翠云裝設(shè)背靠背裝置后江北電網(wǎng)110 kV及以上潮流(局部)

3.4 方案效果分析

在220 kV電網(wǎng)中,在石坪—翠云已有220 kV線路上加裝柔性直流背靠背輸電裝置后,可通過功率調(diào)制降低送電容量來保證石坪主變壓器不過載。并且當(dāng)思源—金山500 kV發(fā)生N-2故障后通過負(fù)荷支援,所有的線路及主變壓器均不會(huì)過載。相比于交流方案,柔性直流方案在達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的同時(shí)不明顯增加電網(wǎng)短路電流,投資規(guī)模更低,經(jīng)濟(jì)效益更好,且更容易實(shí)施。

在110 kV電網(wǎng)中,通過在悅來—翠云110 kV通道加裝柔性直流背靠背裝置,實(shí)現(xiàn)了悅來變電站空置變電容量的充分利用,同時(shí)解決了翠云變電站重載問題,將萬年變電站負(fù)荷改由人和變電站供電后,充分利用大云變電站容量,緩解了翠云、人和變電站的供電壓力。

4 結(jié) 論

上面介紹了柔性直流輸電技術(shù)的原理和特點(diǎn),研究了柔性直流在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用問題,并在分析江北電網(wǎng)面臨問題的基礎(chǔ)上,提出了柔性直流輸電在江北電網(wǎng)中的應(yīng)用方案。主要結(jié)論如下:

1)柔性直流輸電技術(shù)能夠高效用于新能源接入、孤島電網(wǎng)以及分布式電源入網(wǎng)等方面,在城市配電網(wǎng)中使用柔性直流輸電技術(shù)既能夠使電力系統(tǒng)的可靠性得到增強(qiáng),又能夠有效地解決系統(tǒng)設(shè)備的低效率利用問題。

2)在江北220 kV電網(wǎng)中建設(shè)柔性直流背靠背輸電工程,在不明顯增加短路電流的基礎(chǔ)上,解決了金山變電站500 kV失電后產(chǎn)生的過載問題,相比于交流方案,投資更低、實(shí)施難度較小。

3)在江北110 kV電網(wǎng)中建設(shè)柔性直流背靠背輸電工程,可充分利用220 kV輕載變電站的變電容量,緩解220 kV重載變電站的下網(wǎng)壓力,實(shí)現(xiàn)了各分區(qū)之間的負(fù)荷均衡,提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。