柔性直流輸電技術在江北電網中的應用研究

雷 宇

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司,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的新型高壓輸電技術[1-2]。它將半控型電力電子器件升級為全控型電力電子器件,具有響應速度快、可控性好、運行方式靈活、可向無源網絡供電、不會出現換相失敗及易于構成多端直流系統等優點[3-5]。柔性直流輸電技術在孤島送電、海上風電直流送出等方面具有獨特的優勢,對新型電力系統建設中大規模新能源消納和電網智能化、數字化發展建設具有重要作用[6-9]。

20世紀90年代,Boon-Teck Ooi等人第一次提出了高壓直流輸電的電力網絡建設理念[10-11]。1997年瑞典首次進行了柔性直流輸電技術在工程中的應用[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,并首次在美國的Transbay Cable工程中應用成功[12]。同時,ABB、Alstom公司也相繼提出了類似結構的級聯兩電平(cascaded two-level,CTL)、MaxSine型有源濾波器等換流閥設計[13],截至2021年年底,柔性直流輸電工程在全球的投運量已經超過了50個,總變電容量達到了60 GW。在國外廣泛應用柔性輸電技術的背景下,中國的柔性直流輸電技術也迎來迅速發展, 2006年,國內研究機構把握行業發展趨勢,提出了基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)技術的柔性直流輸電工程應用研究。2011年7月,國內第一個柔性直流輸電項目在上海南匯投入運行[14-15],線路總長度約8 km,南匯風電場通過該工程接入上海電網驗證了柔性直流系統在風電接入中的作用。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行,柔性直流輸電工程在中國的運用更加廣泛。

現有柔性直流輸電工程運行情況表明,在直流側發生故障時是否具備較強的生存能力是評估柔性直流輸電系統性能的重要依據。調研分析可知,尤其是在多端直流輸電運行場景下,直流斷路器速度慢以及直流故障對現有電網有較大影響等因素是導致直流斷路器在電壓高、容量大等運行場景下使用較少的主要原因[16-18]。因此,實際應用場景下的直流輸電技術仍有待進一步的研究。

重慶江北電網供區為江北區、渝北區、北部新區以及兩江新區,該地區電網的負荷密度大、重要性高,事故發生后的停電影響較大。然而目前江北電網還存在變電站下網負荷分布不均勻、已有變電容量利用不充分、金山變電站存在失電風險以及220 kV側短路電流裕度小等問題,給該地區的電網安全運行帶來了挑戰。

大電網中柔性直流輸電技術的靈活運用,對于解決交流和直流之間的干擾困境,增強電力網的穩定運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的原理和特點,詳細論述了柔性直流輸電技術在城市配電網中的應用問題;結合背靠背柔性直流輸電技術特點,提出了交、直流方案以解決重慶江北電網中220 kV電網思源—金山500 kV線路發生N-2故障后的電流過載問題;在110 kV電網中應用柔性直流輸電技術解決220 kV變電站負載不均衡的問題;通過技術經濟對比驗證了柔性直流輸電方案的經濟性和良好效果。

1 柔性直流輸電的技術特點

1.1 技術原理

柔性直流輸電技術分別通過開通時間和關斷時間控制電力電子器件的運行方式,使電流源換流器按照既定方式工作,同時幅值參數和相角參數在輸出電壓中的數值也會相應改變控制交流測的有功、無功功率[19],以實現功率在線路中正常輸送的同時電網能夠平穩運行,由此可以高效地解決現有輸電技術所具有的某些內在缺陷。在柔性直流輸電系統中,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 技術特點

1)運行模式多樣、控制性能良好。在弱交流系統中,柔性直流輸電的送電優勢明顯,在面對無源系統時也能夠提供較高質量的送電服務,其巨大優勢在分布式發電并網、電力系統互聯和市區供電等方面作用巨大。

2)換相失敗風險低。電網故障發生時,柔性直流輸電可以對交流系統故障進行全穿越,并且能夠提供動態無功補償給電網,促進電網的安全穩定運行。

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

另外,柔性直流輸電在靈活潮流分布、運行穩定性、有功和無功的解耦等方面也有諸多優勢。

2 柔性直流輸電的工程應用分析

2.1 柔性直流在城市配電網中的應用

目前在城市配電網中普遍采用高壓分區、中壓開環的運行模式,嚴重影響了配電網的穩定性和系統設備的使用時間。采用靈活的柔性直流輸電技術將隔離的高、中壓配電網連接起來,構建起交、直流混合配電網,既能夠使電力系統的可靠性得到增強,又能夠有效地解決系統設備的低效率利用問題,還能為負荷中心的電力系統提供有效的無功支持。國內已投運柔性直流輸電工程如表1所示。

表1 國內投運柔性直流輸電工程

通過工程驗證和技術積累,柔性直流輸電技術在配電網中實際應用的穩定性不斷提高,如昆柳龍直流工程采用的是常規直流與柔性直流混合聯接方案,滿足了電網實際運行需求的同時提高了工作效率。但實際應用證明,在柔性直流輸電網絡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。可通過增加抗電磁干擾裝置、改進工藝提升元件質量等方式降低功率模塊旁路發生概率。因此,城市配電網中的柔性直流輸電技術應用仍有待進一步改進以降低故障發生率。

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別以及所傳輸的電流所決定的。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構等;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的電流要大于電纜。直流電壓等級提升需要增加換流閥的串聯模塊數量,并可能需要適度增加控制保護系統的復雜性。現已建成廈門±320 kV柔性直流工程額定功率為1000 MW,額定電流為1563 A。全球已建成并投運的柔性直流輸電系統傳輸容量和傳輸電壓之間的關系曲線如圖1所示。

圖1 柔性直流工程輸電容量與電壓等級的關系

2.3 直流輸電線路造價

由于直流電纜對絕緣性能的需求較少,所以其生產成本不會比交流電纜高。總的來說在同樣的絕緣等級下,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中直接使用交流電纜,對雙極直流電纜進行價格估計時,以單相交流電纜的價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行直流輸電。在后續多端直流系統構建時,可以通過加裝斷路器提高直流系統的可靠性與穩定性。

2.4 柔性直流工程規模與投資

交流濾波器、交流變壓器、直流電容器與換流器及其通風冷卻設備等是換流站的主要設備。從已有直流輸電項目建設情況推斷,交直流換流站電壓等級、電流水平等因素與其建設成本之間并無直接聯系,所以可以將換流站的投資成本統一按照1000元/kVA來進行計算。若是百兆瓦級的柔性直流在國內生產推廣,換流站每千伏安的投資將進一步下降,柔性直流的應用將更加廣泛。

根據渝鄂背靠背工程研究結果,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化提高到1250 MW,其4個換流單元將具備5000 MW輸送能力。具體參數如表2所示。

表2 投資與規模統計表

3 柔性直流輸電在江北電網中的應用設計

3.1 江北電網運行問題

重慶江北電網服務于江北區、渝北區、北部新區及新成立的兩江新區(82%面積)4個行政區,供電面積達1 541.3 km2,區域內大部分地區為主城區,經濟發展快、居民密度大、負荷強度高,電網負荷重要性高,事故發生后的停電影響較大。地區基本情況如表3所示。

分析江北電網的運行情況主要存在以下幾個方面的問題:

1)變電站下網負荷分布不均勻,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負荷共計約1600～1750 MW;金山變電站220 kV下網負荷即達到930 MW,且隨著負荷的增長下網負荷逐年上升。而因220 kV側接入電源容量較大,思源片區500 kV下網壓力相對較小,2017—2020年思源變電站220 kV下網負荷約為550～950 MW。明月山變電站所供區域負荷也較小,2017—2020年下網負荷約110～520 MW。

220 kV層面,翠云、人和、大竹林、高屋等變電站的負載較重,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,負載率均較低。

2)金山變電站存在失電風險

金山變電站通過金山—思源同塔雙回500 kV線路與500 kV主網相連,當金山—思源500 kV線路發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線路轉供。當金山變電站下網負荷過大時,思源—悅來、悅來—翠云線路都將出現過載。

3)220 kV側短路電流裕度小

思源變電站、石坪變電站220 kV側的短路電流均較大,其中思源變電站220 kV側三相短路電流為44.08 kA,石坪變電站220 kV側三相短路電流為40.09 kA。金山變電站投產初期,與思源變電站合環運行,思源中壓側短路電流達49 kA,接近斷路器最大開斷電流50 kA,需將草街電站解環至銅梁—板橋供區運行來降低短路電流。

3.2 220 kV電網柔性直流輸電方案

在220 kV電網中應用柔性直流輸電技術,主要考慮在不明顯增加短路電流的基礎上,解決金山變電站500 kV失電后產生的過載問題。

當思源—金山500 kV線路發生N-2故障后,思源—悅來—翠云220 kV通道將出現過載現象,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負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—石坪線路合上運行,則思源變電站中壓側短路電流將超過50 kA。

為解決上述問題,提出了以下兩種方案。

1)交流方案

建設金山—石坪500 kV雙回輸電線路,線路長度約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,如需暫緩建設金山第三臺主變壓器,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網。這時,當金山—思源500 kV線路發生N-2故障之后,系統的潮流分配是合理的,并且各線路和主變壓器都沒有過負荷。

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,當石坪變電站發生主變壓器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。當思源—金山發生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,使得故障發生后思源、石坪變電站均可以對金山變電站的負荷形成支援,所有的線路及主變壓器均不會發生過載現象。

交、直流方案比較結果如表4所示。

表4 交直流方案比較

3.3 110 kV電網柔性直流輸電方案

在110 kV電網中應用柔性直流輸電技術,主要考慮在不明顯增加短路電流的基礎上,解決220 kV變電站負載不均衡的問題。

1)翠云—悅來片區

翠云變電站常年負荷較重,還存在轉供大竹林、人和、高屋變電站負荷的可能,而悅來變電站負荷較輕。隨著望鄉輸變電工程的投產,空港—翠云雙回110 kV線路將接入悅來站,形成空港—望鄉—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

翠云、人和變電站常年負荷較重,容載比長期處于較低狀態,而大云變電站負荷較輕,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,同時將萬年變電站負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—翠云通道裝設柔性直流背靠背輸電裝置后的電網潮流如圖7所示。由潮流計算結果可知,在江北110 kV電網建設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重載變電站的下網壓力,使各模塊在正常工作時負荷得到平衡,從而提高系統的安全性和經濟性。

圖7 石坪—翠云裝設背靠背裝置后江北電網110 kV及以上潮流(局部)

3.4 方案效果分析

在220 kV電網中,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,可通過功率調制降低送電容量來保證石坪主變壓器不過載。并且當思源—金山500 kV發生N-2故障后通過負荷支援,所有的線路及主變壓器均不會過載。相比于交流方案,柔性直流方案在達到預期目標的同時不明顯增加電網短路電流,投資規模更低,經濟效益更好,且更容易實施。

在110 kV電網中,通過在悅來—翠云110 kV通道加裝柔性直流背靠背裝置,實現了悅來變電站空置變電容量的充分利用,同時解決了翠云變電站重載問題,將萬年變電站負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 論

上面介紹了柔性直流輸電技術的原理和特點,研究了柔性直流在城市配電網中的應用問題,并在分析江北電網面臨問題的基礎上,提出了柔性直流輸電在江北電網中的應用方案。主要結論如下:

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

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

3)在江北110 kV電網中建設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重載變電站的下網壓力,實現了各分區之間的負荷均衡,提升了系統的經濟性和安全性。