論述特高壓交直流電網(wǎng)輸電技術(shù)及運(yùn)行特性

陳超

【摘 要】隨著特高壓工程的開展和推進(jìn)，大容量特高壓交直流輸電工程不斷增加，給現(xiàn)代電網(wǎng)帶來深刻變化。本文針對(duì)特高壓交直流電網(wǎng)輸電技術(shù)及運(yùn)行特性進(jìn)行了簡要探討，以供參考。

【關(guān)鍵詞】特高壓；交直流；電網(wǎng)；輸電技術(shù)；運(yùn)行；特性

1特高壓交/直流輸電技術(shù)概況

特高壓交/直流輸電技術(shù)概況近年來，我國不斷研究特高壓關(guān)鍵技術(shù)，通過不懈努力取得重大突破，在電壓控制、潛供電流控制、成套設(shè)備、調(diào)試運(yùn)行等方面進(jìn)行深入探索，開發(fā)和研制了一整套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、處于世界領(lǐng)先水平的特高壓交流輸電技術(shù)，掌握了特高壓交流輸變電的核心技術(shù)。國家電網(wǎng)公司開展了300多項(xiàng)關(guān)于特高壓輸電技術(shù)的研究，并帶頭號(hào)召國內(nèi)100多家電工裝備企業(yè)參與了特高壓輸配電設(shè)備的研發(fā)，成功研制了達(dá)到世界領(lǐng)先水平的全套特高壓交流輸電設(shè)備，制造了諸如特高壓變壓器、并聯(lián)電抗器等特高壓設(shè)備，在特高壓領(lǐng)域首開先河。

2特高壓交直流輸電運(yùn)行特性分析

2.1交直流之間的交互影響

大量工程實(shí)踐表明，我國電網(wǎng)時(shí)常發(fā)生單相短路故障，可能引發(fā)單回或多回直流換相失敗，對(duì)交流斷面造成巨大沖擊，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖，中斷功率傳輸。

換流母線電壓質(zhì)量直接決定換流能否正常進(jìn)行，一旦發(fā)生故障，畸變的電壓波形可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗。通過理論分析，可知導(dǎo)致?lián)Q相失敗的原因分別為電壓幅值降低和電壓過零點(diǎn)偏移。后者的影響微不足道，因此現(xiàn)主要針對(duì)前者進(jìn)行簡要分析。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，逆變側(cè)觸發(fā)角為α，換相角為μ，熄弧角為γ，并有α+μ+γ=π。發(fā)生故障后電壓幅值降低，在晶閘管出發(fā)時(shí)刻不變的前提下，換相角增大、熄弧角減小。若換相電壓低于某一臨界值，γ<γ0，將導(dǎo)致?lián)Q相失敗，此處設(shè)定臨界壓降為△U，則有公式如下：

式中：Id，I′d分別為故障前后直流電流；IdFL為直流電流額定值；Xcpu為換流變壓器阻抗標(biāo)幺值；γ，γ0分別為最小熄弧角的整定值及換相失敗臨界值。

換相失敗會(huì)導(dǎo)致大幅度功率波動(dòng)。雖然故障持續(xù)時(shí)間極短，但波動(dòng)過程卻為換相失敗時(shí)間的100?200倍。換相失敗發(fā)生時(shí)，送端電網(wǎng)直流功率無法傳輸，可能會(huì)造成瞬時(shí)大功率盈余，影響送端交流側(cè)；受端則會(huì)發(fā)生大功率缺失。同時(shí)，故障及恢復(fù)期間，大量無功將被吸收，直接威脅電網(wǎng)安全。

2.2交直流混合電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

2.2.1電壓穩(wěn)定性

直流側(cè)故障造成的暫態(tài)電壓波動(dòng)將影響運(yùn)動(dòng)條件，從而無功功率補(bǔ)償出力發(fā)生變化。無源補(bǔ)償元件能否在該情況下向直流系統(tǒng)提供所需功率是值得研究的，因其會(huì)影響交、直流系統(tǒng)之間無功功率交換的大小，由此便產(chǎn)生電壓穩(wěn)定性問題。

直流系統(tǒng)在故障及恢復(fù)中吸收大量無功功率，將直接影響動(dòng)態(tài)電壓的變化。據(jù)實(shí)例可知，單回及多回直流系統(tǒng)換相失敗時(shí)，前者逆變側(cè)從系統(tǒng)吸收的無功大約4500Mvar左右，后者更甚。相關(guān)數(shù)據(jù)證明，浙南電網(wǎng)在受電比例為45%的大受電方式下，500kV線路發(fā)生交流N-1故障會(huì)造成電壓失穩(wěn)。多饋入直流系統(tǒng)存在無功支撐不足的問題，電壓調(diào)節(jié)特性逐漸惡化。直流系統(tǒng)與常規(guī)機(jī)組的無功電壓調(diào)節(jié)特性呈相反態(tài)勢(shì)。

換相失敗會(huì)產(chǎn)生諸如直流電壓降低、直流電流增大等不良后果，將直接干擾受端側(cè)電壓。直流側(cè)無功改變時(shí)，交流側(cè)母線電壓幅值會(huì)發(fā)生變化，間接造成直流控制器作用，而控制器引起的功率改變會(huì)反過來影響受端電壓。送端交流側(cè)故障清除后，直流輸送有功因系統(tǒng)電壓恢復(fù)而逐漸正常，但無功需求增加與較低交流換相電壓之間的矛盾會(huì)形成對(duì)受端側(cè)的瞬時(shí)無功沖擊，從而受端電壓失穩(wěn)。直流閉鎖期間，由于常規(guī)保護(hù)操作，受端側(cè)電壓的暫態(tài)過程將變得復(fù)雜。一種新的保護(hù)措施是通過保留交流母線處電容器組來維持電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性，即故障發(fā)生至無功裝置切除期間，受端的無功盈余將提升系統(tǒng)電壓。但在無功補(bǔ)償切除后，兩端系統(tǒng)趨于平衡，交流電壓逐漸恢復(fù)常態(tài)。

2.2.2頻率穩(wěn)定性

混聯(lián)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)能力逐漸下降，頻率穩(wěn)定無法得到保障。頻率調(diào)節(jié)能力由2個(gè)因素起決定性作用：機(jī)組調(diào)頻能力和交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。常規(guī)機(jī)組逐步被新能源機(jī)組及受端大規(guī)模直流饋入所取代，但電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)傳統(tǒng)機(jī)組提出了明確規(guī)定，致使調(diào)頻能力減弱，嚴(yán)重影響頻率穩(wěn)定。除了新能源一次調(diào)頻能力不足外，常規(guī)機(jī)組一次調(diào)頻性能同樣存在嚴(yán)重隱患。直流雙極閉鎖發(fā)生時(shí)，饋入端瞬時(shí)損失大量功率，造成送端直流功率盈余，受端側(cè)頻率下跌。

3相關(guān)問題的應(yīng)對(duì)措施分析

3.1提升交直流輸電相關(guān)技術(shù)

3.1.1換流技術(shù)

現(xiàn)階段，直流輸電在換流技術(shù)方面的主要研究為電容換相（CCC）直流輸電和柔性直流輸電。雖然LCC換流技術(shù)已十分成熟，但仍存在問題，即需在送受端補(bǔ)償大量無功功率，隨著輸送容量增加，送受端無功平衡問題日益凸顯，一旦某受端多條直流發(fā)生換相失敗，則會(huì)對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定性造成巨大影響。CCC換流技術(shù)是基于LCC發(fā)展起來的，為避免缺失大量無功，將固定電容器串聯(lián)接入傳統(tǒng)換流系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然效果明顯，但其經(jīng)濟(jì)性偏低。因此，應(yīng)當(dāng)全力開展交直流技術(shù)的研究工作。

3.1.2在線安全分析技術(shù)

我國大電網(wǎng)安全運(yùn)行需要更為先進(jìn)的調(diào)度模式，而在線安全分析是實(shí)時(shí)調(diào)度從經(jīng)驗(yàn)型向分析型、主動(dòng)型逐漸轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)支持。目前，該技術(shù)存在實(shí)時(shí)性差、適應(yīng)性弱、自動(dòng)定位功能不完善以及計(jì)算資源利用率低等問題。現(xiàn)可利用多種先進(jìn)技術(shù)，建立一套先進(jìn)的在線安全分析系統(tǒng)。

3.2注重主網(wǎng)架構(gòu)的建設(shè)

現(xiàn)有的交流電網(wǎng)規(guī)模與強(qiáng)度無法滿足大規(guī)模直流運(yùn)行的要求，電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題始終受到威脅。不但要擴(kuò)大交流電網(wǎng)規(guī)模以承受送端直流閉鎖帶來的沖擊，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)其強(qiáng)度免遭直流故障影響。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的目標(biāo)是要建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)可靠實(shí)體電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全面優(yōu)化升級(jí)。特別是交流電網(wǎng)要與直流容量及規(guī)模相匹配，保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。我國現(xiàn)階段正在謀劃東西部特高壓同步電網(wǎng)格局，為國家能源發(fā)展戰(zhàn)略推進(jìn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3提升新能源入網(wǎng)性能

研究并制定針對(duì)新能源機(jī)組的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)新能源場(chǎng)站自身動(dòng)態(tài)功率調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓過程的參與度，防止由于新能源大規(guī)模脫網(wǎng)引發(fā)的連鎖反應(yīng)，避免造成不必要的傷害。

3.4電壓、頻率穩(wěn)定性問題的應(yīng)對(duì)措施

特高壓電壓等級(jí)高、影響范圍廣，盡快發(fā)展并采取合理的控制保護(hù)措施是十分必要的。由換相失敗產(chǎn)生的非特征諧波不但降低傳統(tǒng)交流保護(hù)方法的有效性，而且會(huì)對(duì)線路保護(hù)造成影響。傳統(tǒng)保護(hù)方案一般采用全或半周傅式算法對(duì)工頻相量進(jìn)行提取，為防止非特征相量產(chǎn)生干擾，應(yīng)當(dāng)研究包括新型相量提取方法在內(nèi)的諸多保護(hù)措施。

加強(qiáng)直流輸電骨干網(wǎng)架的規(guī)劃和堅(jiān)強(qiáng)水平，提高電網(wǎng)安全性。根據(jù)我國資源能源分布情況，合理規(guī)劃電網(wǎng)布局，加快主干網(wǎng)建設(shè)，嚴(yán)格部署應(yīng)急電源分布，提高電網(wǎng)應(yīng)對(duì)故障的承受能力。為便于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行，建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完善靜、動(dòng)態(tài)評(píng)估體系。應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)多饋入直流系統(tǒng)無功支撐能力，并研究電壓穩(wěn)定性較弱區(qū)域的無功裝置安裝問題。一次調(diào)頻能力急需提升，加強(qiáng)和完善針對(duì)一次調(diào)頻性能的評(píng)價(jià)體系。受端頻率穩(wěn)定主要受永久故障的影響，功率缺額愈大，穩(wěn)定性問題愈嚴(yán)重。為此，各級(jí)電網(wǎng)已應(yīng)用各種頻率控制方法。

結(jié)語

綜上所述，就我國能源等的實(shí)際分布情況而言，對(duì)特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行大范圍的應(yīng)用，是時(shí)代的必然趨勢(shì)走向，因此，十分有必要通過促進(jìn)此類電網(wǎng)有效發(fā)展的方式，經(jīng)由合理運(yùn)用特高壓直流，實(shí)施高質(zhì)量的長距離傳輸環(huán)保能源的且具備較高穩(wěn)定性以及安全性的特高壓電網(wǎng)建設(shè)工作。相信，通過不斷的研究與時(shí)間，這一技術(shù)的應(yīng)用成效將愈加顯著。

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[2]李紅軍，金毅.我國特高壓電網(wǎng)輸電價(jià)調(diào)整及其特點(diǎn)[J].中國物價(jià)，2017（04）：24-25.

（作者單位：國網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司）