剖析高壓直流輸電的技術(shù)研發(fā)

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第43屆國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)于2010年8月22日至27日在法國(guó)巴黎召開(kāi)。高壓直流輸電和電力電子技術(shù)委員會(huì)(SCB4)是CIGRE中的16個(gè)技術(shù)委員會(huì)之一[1],其工作范圍覆蓋了高壓直流輸電和電力電子技術(shù)研究的所有方面,包括:高壓直流輸電技術(shù);交流輸配電系統(tǒng)和電能質(zhì)量改進(jìn)方面的電力電子技術(shù);先進(jìn)電力電子技術(shù)在電力工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用;等等。SCB4的研究范圍還包括所有與電力電子技術(shù)相關(guān)的電力行業(yè),同時(shí)也包括了與這些技術(shù)有關(guān)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的課題[2]。本次會(huì)議中SCB4主要就3個(gè)方面的主題展開(kāi)討論:①高壓直流輸電和靈活交流輸電(FACTS)技術(shù)的發(fā)展,包括±800kV及以上電壓等級(jí)直流輸電工程、多端直流網(wǎng)絡(luò)、基于電壓源換流器的高壓直流輸電(VSC-HVDC)的新型拓?fù)洹⑹褂弥绷鬏旊姾虵ACTS技術(shù)提高系統(tǒng)容量和運(yùn)行效率等;②現(xiàn)有高壓直流輸電和FACTS工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和新的工程,包括通過(guò)陸地或海底電纜實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)、原有交流網(wǎng)絡(luò)中嵌入直流輸電和FACTS技術(shù)、可再生能源利用等;③高壓直流輸電和FACTS工程討論,包括直流輸電和FACTS工程的環(huán)境問(wèn)題(如視覺(jué)污染、大地回流、可聽(tīng)噪聲污染和電磁干擾等),含直流輸電的系統(tǒng)特性、運(yùn)行規(guī)程,直流輸電工程的建設(shè)許可、工程投資、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析等。本次大會(huì)SCB4共評(píng)選出26篇文章[3]。這些論文的內(nèi)容涵蓋VSC-HVDC和電力電子技術(shù)及其應(yīng)用中的最新發(fā)展,±800kV系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、遠(yuǎn)景項(xiàng)目的規(guī)劃和遇到的挑戰(zhàn)等問(wèn)題。其中,有些論文的內(nèi)容并不局限于某一推薦課題,還討論了其他推薦主題的相關(guān)內(nèi)容。本文重點(diǎn)介紹SCB4大會(huì)及其文章中討論的直流輸電和電力電子技術(shù)中的一些熱門(mén)問(wèn)題。

1高壓直流輸電和FACTS技術(shù)的發(fā)展

1.1±800kV及以上電壓等級(jí)特高壓直流輸電技術(shù)

中國(guó)專(zhuān)家介紹了向家壩—上海±800kV特高壓直流輸電工程的最新進(jìn)展,本工程于2009年12月通過(guò)了單線(xiàn)運(yùn)行試驗(yàn)。專(zhuān)家闡述了已通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的向家壩—上海工程中對(duì)于±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)所獲得的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),并重點(diǎn)介紹了換流變壓器、穿墻套管及外絕緣。印度專(zhuān)家介紹了NER/ER-NR/WR互聯(lián)工程,該工程用于將水電機(jī)組發(fā)出的電能輸送至印度東北部的主要負(fù)荷中心。通過(guò)位于Assam州和WestBengal州的2個(gè)整流站,使用1條1728km的直流線(xiàn)路將電能送至新德里附近的Agra逆變站,從而構(gòu)成一個(gè)多端直流輸電系統(tǒng)。專(zhuān)家重點(diǎn)介紹了多端直流輸電結(jié)構(gòu)的運(yùn)行和控制策略,例如:并聯(lián)運(yùn)行、正常和保護(hù)解列運(yùn)行、直流線(xiàn)路故障清除、不同換流站之間的協(xié)調(diào)配合,以及系統(tǒng)的故障處理措施等。與會(huì)專(zhuān)家還介紹了±1000kV及以上電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的技術(shù)可行性和研究開(kāi)發(fā)需求,其主要觀點(diǎn)包括:1000kV特高壓直流輸電系統(tǒng)在傳輸容量超過(guò)7000MW、輸電距離超過(guò)1500km時(shí)才能體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì);南橋—廣東和向家壩—上海2條±800kV輸電線(xiàn)路的運(yùn)行記錄應(yīng)該作為開(kāi)發(fā)±1000kV設(shè)備和新的工程是否選用±1000kV電壓等級(jí)的重要參考資料;研發(fā)±1000kV換流站設(shè)備存在的主要挑戰(zhàn)包括絕緣問(wèn)題、直流套管設(shè)計(jì)、開(kāi)關(guān)設(shè)備和支撐絕緣子等;為減小工程投資,在設(shè)計(jì)直流架空線(xiàn)和桿塔時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮現(xiàn)有±800kV系統(tǒng)在電磁場(chǎng)、可聽(tīng)噪聲、無(wú)線(xiàn)電干擾、閃絡(luò)特性等方面的設(shè)計(jì)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

1.2基于新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的VSC-HVDC系統(tǒng)

世界上首個(gè)基于模塊化多電平換流器(MMC)的直流輸電工程———TransBay工程,用于從匹茲堡向舊金山市提供電力,其額定參數(shù)為400MW/±200kV。由于具有電壓支撐能力,工程的投運(yùn)將使得舊金山市電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性得以提高。專(zhuān)家介紹了MMC拓?fù)涞幕驹怼⒉黄胶夤r及故障下的交流系統(tǒng)運(yùn)行特性,以及基于MMC的直流輸電系統(tǒng)的接地和換流站布局設(shè)計(jì)方案。有專(zhuān)家介紹了適用于FACTS的MMC的特性和優(yōu)點(diǎn),并討論了適用于VSC-HVDC的多種MMC拓?fù)洹Ｆ渲邪?jí)聯(lián)兩電平換流器,其基本結(jié)構(gòu)與普通MMC相同,但橋臂上的每個(gè)子模塊均由串聯(lián)的壓裝式絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成,開(kāi)關(guān)頻率為150Hz。專(zhuān)家認(rèn)為使用此拓?fù)淇梢詫⒚總€(gè)換流器的損耗通過(guò)協(xié)調(diào)控制降低1%左右。有學(xué)者提出了一種用于電壓源換相系統(tǒng)的新型換流器拓?fù)?由串聯(lián)半導(dǎo)體器件構(gòu)成的閥與MMC共同組成。混合拓?fù)涞幕舅悸肥浅浞掷脙呻娖綋Q流器和MMC結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn),其中,兩電平換流器承擔(dān)主要的能量傳輸功能,MMC提供必要的交流輸出波形。這種混合結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于只需要較少的MMC子模塊,因此每個(gè)換流器的體積和重量都可以大大減小,有利于實(shí)際工程的應(yīng)用。

1.3多端高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)

魁北克水電局的專(zhuān)家作了一個(gè)關(guān)于從魁北克到新英格蘭之間的多端直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的介紹。此系統(tǒng)目前大約有40%~50%的時(shí)間運(yùn)行在多端模式下。工程為包含多個(gè)換流器的直流電網(wǎng)的運(yùn)行和保護(hù)提供了豐富的經(jīng)驗(yàn),也是直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)良好拓展。專(zhuān)家認(rèn)為,有迫切需要時(shí),直流斷路器會(huì)得到非常快的發(fā)展。同時(shí),需要確定一個(gè)直流電壓的標(biāo)準(zhǔn)以避免直流電網(wǎng)中含有過(guò)多等級(jí)的電壓。因此,對(duì)于如何建立較大的直流電網(wǎng)還需要完成大量的工作。根據(jù)電壓源換相直流輸電網(wǎng)絡(luò)的潮流控制需求,阿根廷學(xué)者提出了一種可行的控制方案。該方案采用有差調(diào)節(jié)控制策略,這種控制策略與交流頻率控制比較類(lèi)似。專(zhuān)家提出了有功平衡控制和穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算的基本原則,同時(shí)還指出直流電壓是多端直流輸電系統(tǒng)功率平衡的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)案例分析,得出高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)中采用直流電壓控制的換流站對(duì)與其相連的交流系統(tǒng)影響較大,因此,在大規(guī)模直流輸電系統(tǒng)(如高壓直流網(wǎng)絡(luò))中,新型潮流控制策略的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。

1.4利用FACTS技術(shù)提高系統(tǒng)輸送能力

利用FACTS技術(shù)提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的典型實(shí)例為挪威ViklandetTunnsjφdal靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)工程。該工程于2008年安裝完成,用于增加送往挪威中部地區(qū)的功率,使用了2臺(tái)±250MvarSVC裝置和9臺(tái)100Mvar并聯(lián)電容器組。挪威學(xué)者介紹了該工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和第1年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),以及主要設(shè)計(jì)參數(shù)、SVC閥、控制和保護(hù)系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)工程中應(yīng)用的特殊技術(shù)也進(jìn)行了介紹,包括功率振蕩阻尼和環(huán)境污染保護(hù)系統(tǒng)等。靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)在西班牙已得到實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)專(zhuān)家介紹了電網(wǎng)對(duì)功率控制系統(tǒng)的需求,特別是用來(lái)緩解過(guò)載對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的危害,同時(shí)說(shuō)明了在SSSC的規(guī)格和相關(guān)設(shè)計(jì)中都必須考慮到系統(tǒng)參數(shù)。該工程的額定容量為47MVA,可以滿(mǎn)足其所連接的340MVA線(xiàn)路的控制要求,并且在前期研究論證階段已通過(guò)潮流和短路電流的仿真分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

2高壓直流輸電和FACTS工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及新工程

2.1通過(guò)陸地或海底電纜實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)

羅慕洛項(xiàng)目是一條連接著西班牙半島和馬略卡島的長(zhǎng)達(dá)243km的海底高壓直流輸電線(xiàn)路,是西班牙單個(gè)項(xiàng)目投資最高、世界上海底深度最大(1485m)的第2大電纜系統(tǒng),也是西班牙計(jì)劃建設(shè)的第1條高壓直流輸電線(xiàn)路,計(jì)劃于2011年投入運(yùn)行。工程采用金屬回線(xiàn),其傳輸容量為2×200MW,直流電壓為250kV。另一個(gè)互聯(lián)工程位于巴西西部,在里約馬代拉河的水電站與圣保羅附近的負(fù)荷中心之間計(jì)劃建立2條3150MW/±600kV的直流連接線(xiàn)路。該工程的一個(gè)突出特點(diǎn)是采用了2個(gè)不同供貨方提供的大容量換流器,而且彼此在同一個(gè)接入點(diǎn)連接到500kV的交流母線(xiàn)上,因此,在前期系統(tǒng)分析中需要從無(wú)功交換、諧波、控制特性等方面驗(yàn)證2個(gè)換流站彼此之間不會(huì)產(chǎn)生不利影響,且需保證2個(gè)換流站在同時(shí)運(yùn)行時(shí)其控制不能相互影響和干擾,在任何工況下都能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2在交流網(wǎng)絡(luò)中增加FACTS

有專(zhuān)家介紹了在配電系統(tǒng)中使用的有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較,以及這種裝置的一種應(yīng)用。因?yàn)橹绷鬏旊姾虵ACTS設(shè)備產(chǎn)生的大量諧波,以及系統(tǒng)中現(xiàn)有電容帶來(lái)的諧振,都會(huì)導(dǎo)致濾波器需求的增加。專(zhuān)家對(duì)于濾波裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了描述,并給出了相應(yīng)的解釋。2009年初,在芬蘭的400kV輸電系統(tǒng)中安裝了+200Mvar/-240Mvar的SVC。該SVC的主要目的是在從芬蘭南部向北部甚至更遠(yuǎn)的瑞典傳輸較大功率的情況下,有效衰減區(qū)域間的機(jī)電振蕩。因此,該SVC在輸出情況下的功率振蕩阻尼控制僅采用了有功控制模式,以確保系統(tǒng)嚴(yán)重故障引起大幅度區(qū)域間振蕩時(shí)可用的無(wú)功容量。Joetsu熱電廠(chǎng)屬于日本關(guān)中電力公司,主要為日本中部地區(qū)提供電力。距離該廠(chǎng)最近的500kV主環(huán)網(wǎng)約300km,在重負(fù)荷條件下單相故障可能會(huì)導(dǎo)致電廠(chǎng)從系統(tǒng)中失步,且線(xiàn)路故障還會(huì)引起過(guò)電壓,故有必要安裝靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)以解決穩(wěn)定性問(wèn)題和過(guò)壓?jiǎn)栴},為此,關(guān)中電力公司計(jì)劃在2013年配備450MVA的STATCOM。

2.3可再生能源應(yīng)用

對(duì)于水電是否是一種可再生能源,一直有人存在著疑問(wèn)。對(duì)于工程人員來(lái)說(shuō)其作為可再生能源是顯而易見(jiàn)的,但是對(duì)于部分政府人員和公眾來(lái)說(shuō)這個(gè)答案則不是那么容易接受的。巴西、印度和中國(guó)的電力能源發(fā)展嚴(yán)重依賴(lài)于水電(正在規(guī)劃的有22GW)。為了充分利用這些能源,采用直流輸電是一個(gè)重要的技術(shù)手段。在過(guò)去10年間風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展使得大量的風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng),并且其容量還在持續(xù)增加。在保證電力系統(tǒng)的安全可靠以及供電質(zhì)量的前提下,將風(fēng)電接入電網(wǎng)存在諸多的挑戰(zhàn),而電力電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。目前的電力電子技術(shù)已經(jīng)使得風(fēng)電的安全性、可靠性和靈活性不低于任何現(xiàn)有其他類(lèi)型的發(fā)電方式。有學(xué)者介紹了澳大利亞和新西蘭風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展情況,澳大利亞和新西蘭可能是世界上風(fēng)電接入電網(wǎng)比例最高的地區(qū),其使用FACTS裝置將風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng),其中涉及到在電網(wǎng)連接點(diǎn)的SVC和STATCOM、少量小型靜止無(wú)功補(bǔ)償渦輪發(fā)電機(jī)、雙饋感應(yīng)電機(jī)和連接發(fā)電機(jī)的交—直—交轉(zhuǎn)換等相關(guān)技術(shù)。關(guān)于非可計(jì)劃性能源(如風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電)對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性和電壓控制的影響也進(jìn)行了討論。丹麥的經(jīng)驗(yàn)表明了風(fēng)電場(chǎng)可以為交流系統(tǒng)提供慣性控制,以及有功和無(wú)功功率控制。但是,在2006年的歐洲大停電事故中,相對(duì)較小的功率(大約7GW)卻導(dǎo)致了大規(guī)模(17GW)的甩負(fù)荷問(wèn)題。因此,對(duì)于將可再生能源作為常規(guī)能源來(lái)使用,還需要一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程。

3高壓直流輸電和FACTS工程技術(shù)問(wèn)題

3.1工程的視覺(jué)污染、接地電流、可聽(tīng)噪聲、電磁干擾等環(huán)境問(wèn)題

隨著環(huán)境保護(hù)要求的日益提高,電力工程設(shè)施對(duì)于其周?chē)h(huán)境的影響也越來(lái)越受到關(guān)注。接地電流和電磁干擾等問(wèn)題已經(jīng)得到了較多的重視并有了良好的解決方案。而各種電力設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲對(duì)周邊群眾日常生活的影響,以及工程設(shè)備和建筑與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)的問(wèn)題,目前也逐漸受到重視。通過(guò)在建筑內(nèi)使用各種吸音材料和在設(shè)備周?chē)贾酶粢羝帘蔚却胧﹣?lái)對(duì)噪聲進(jìn)行抑制,已經(jīng)取得了良好的成效。而在工程設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮工程建筑與周?chē)h(huán)境的視覺(jué)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì),并對(duì)工程設(shè)備進(jìn)行必要的遮擋,是解決視覺(jué)污染問(wèn)題的有效措施。卡普里維高壓直流輸電聯(lián)網(wǎng)工程提供了從納米比亞到贊比亞電網(wǎng)之間的輸電走廊。該工程使得納米比亞電網(wǎng)能從水電資源豐富的國(guó)家得到充足的電力供應(yīng)。目前,該工程已經(jīng)在單極模式下使用金屬物回路和大地回路進(jìn)行了試驗(yàn),針對(duì)未來(lái)的雙極擴(kuò)展也已開(kāi)展了可行性研究。對(duì)于使用大地回路的方案在不同運(yùn)行模式下進(jìn)行論證,需要綜合考慮地表特征、地下金屬結(jié)構(gòu)物、輸電走廊內(nèi)地下構(gòu)造等多方面因素。有學(xué)者對(duì)SCB4文章中相關(guān)但不經(jīng)常涉及的方面進(jìn)行了深入的探討,如考慮土壤電氣和熱應(yīng)力特性及土壤深度而進(jìn)行的接地極選址研究、用來(lái)評(píng)估選址結(jié)論的不同調(diào)查結(jié)論,以及接地極對(duì)環(huán)境的影響等。從而指導(dǎo)直流輸電換流站址選擇、地理位置調(diào)查、接口的影響和接地極的設(shè)計(jì),同時(shí)還給出了工程特征和應(yīng)用情況概述。

3.2含高壓直流輸電的交流系統(tǒng)特性

有關(guān)專(zhuān)家對(duì)于使用電壓源換相直流輸電進(jìn)行電網(wǎng)互聯(lián)和可再生能源發(fā)電接入問(wèn)題進(jìn)行了研究,并主張?jiān)诳刂浦幸胫绷麟妷盒甭士刂啤＿@種控制方式是對(duì)交流系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)間功率分配技術(shù)的延伸,同時(shí)在處理不同干擾和功能邊界時(shí)進(jìn)行了改進(jìn)。提出采用閉環(huán)直流電壓控制與直流彎曲特性聯(lián)合的方式進(jìn)行直流電網(wǎng)管理,以確保系統(tǒng)操作的平滑控制并在不同換流站間合理分配,同時(shí)采用多端直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行近海輸電網(wǎng)絡(luò)支撐來(lái)提供動(dòng)態(tài)頻率控制和功率振蕩阻尼。在多饋入直流輸電系統(tǒng)的相互影響強(qiáng)度指數(shù)方面,專(zhuān)家解決了中國(guó)南部電網(wǎng)多饋入的相互影響問(wèn)題。目前該區(qū)域內(nèi)已有4條完全投入運(yùn)行的高壓直流輸電線(xiàn)路,第5條高壓直流輸電線(xiàn)路也已經(jīng)在試運(yùn)行。目前,已經(jīng)對(duì)相互影響指數(shù)進(jìn)行了評(píng)估,并正在提出一個(gè)新的指數(shù)。

3.3工程方案選擇、監(jiān)管、許可、資金和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題

有學(xué)者針對(duì)日本北海道—本州島的直流輸電線(xiàn)路,介紹了滿(mǎn)足電力系統(tǒng)運(yùn)行需要的控制方法及運(yùn)行特性,提出了增加直流輸電系統(tǒng)靈活性的方法,以便使系統(tǒng)在功率降至0.1(標(biāo)幺值)以下時(shí)仍能正常運(yùn)行。這種方法在零功率附近避免了多次極性翻轉(zhuǎn)并減小了電纜的絕緣應(yīng)力。該學(xué)者認(rèn)為這些技術(shù)同樣可以應(yīng)用于任何一個(gè)直流輸電工程。巴西學(xué)者介紹了馬德拉群島直流輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的過(guò)程,其連接了圣•安東尼奧和吉拉烏水電站。在考慮穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、動(dòng)態(tài)性能和經(jīng)濟(jì)評(píng)估的基礎(chǔ)之上,設(shè)計(jì)人員對(duì)多種不同的輸電方案進(jìn)行了可行性研究,最終提出了直流輸電方式、混合型輸電方式和交流輸電方式3種方案。直流輸電方式由2個(gè)雙極直流輸電和2個(gè)局部負(fù)載連接背靠背系統(tǒng)組成;混合型輸電方式由1條直流線(xiàn)路和2條500kV交流線(xiàn)路組成;交流輸電方式則選擇了3條相并聯(lián)的750kV交流線(xiàn)路。在經(jīng)過(guò)深入分析之后,最終交、直流混合型輸電方案因報(bào)價(jià)低在投標(biāo)過(guò)程中勝出。從這個(gè)過(guò)程中可以看到,馬德拉工程的確定方式是由經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和在其他事項(xiàng)上具有影響力的因素綜合決定的。

4結(jié)語(yǔ)

高壓直流輸電和新型電力電子技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用仍然是今年CIGRE的熱門(mén)主題,重點(diǎn)討論的對(duì)象包括±800kV及以上電壓等級(jí)特高壓直流輸電技術(shù)、多端直流網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)有直流輸電及FACTS工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)工程關(guān)鍵技術(shù);而對(duì)于MMC在高壓直流輸電、FACTS和新能源并網(wǎng)等方面的應(yīng)用,專(zhuān)家們給予了較多的關(guān)注;同時(shí),對(duì)于高壓直流輸電及FACTS工程的選址、工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析等方面,專(zhuān)家們也進(jìn)行了熱烈的討論。