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大容量特高压直流分层接入交流电网成套技术及其应用

日期:2020-11-02    来源:中国电力设备管理协会

国际电力网

2020
11/02
09:04
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关键词: 特高压直流输电 特高压 交流电网

一、创新成果概述

“十二五”规划纲要中明确提出要“发展特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术”。为了进一步发挥特高压直流输电的技术优势,将输送容量由8GW提升到10GW。随着特高压直流输送容量的增加,直流故障对单一受端交流电网的冲击越来越大,特高压直流工程分层接入500kV交流电网和1000kV特高压交流电网,可以进一步优化电网结构、支撑大规模直流接入,提高电网运行的可靠性和灵活性。本项目围绕直流系统整体技术方案、控制保护设计方案、简化直流滤波器、绝缘配合、直流分层接入后系统直流谐振、交流侧系统静态等值及考虑层间影响的交流系统谐波阻抗计算等关键技术开展创新性研究,解决直流工程输送容量提升和分层接入不同交流电网带来的一系列重大难题。

本项目取得了一系列创新和突破:(1)提出了10GW大容量特高压直流高端换流器接入500kV交流电网、低端换流器接入特高压1000kV交流电网的主接线方案,构建了涵盖分层接入主回路设计、无功分组设计、滤波器设计、绝缘配合、控制保护策略、暂稳性能设计、主设备性能参数优化设计等整体技术方案;(2)研发了分层接入不同电网的直流系统控制策略、无功控制策略、高低端串联阀组电压平衡控制策略,提出各功能的原理及实现方法;提出分层接入直流系统的保护分区和功能配置,以及降低不同交流系统之间的故障耦合、减小故障范围的策略;(3)提出了以控制直流侧谐波电压为目的的简化直流滤波器设计方法,解决了设备绝缘约束大、直流谐振风险高的难题,显著降低了直流滤波器造价及占地面积,提升了直流工程的技术经济水平;(4)攻克了直流高低端阀组分别控制、分层接入不同交流电网以及简化直流滤波器设计等多因素限制下的直流系统过电压与绝缘配合关键技术,将高端换流器和极线设备绝缘水平控制在传统的1600kV,与传统线性外推方法相比降低了5%,实现了可靠性和经济性的有机统一。(5)提出采用智能划分节点分区的静态等值方法和计及层间谐波交互影响的交流系统等效谐波阻抗计算方法,并开发了相应的分析计算软件;提出基于波参数的直流线路谐波阻抗解析计算方法,总结分层接入特高压直流输电系统直流谐振的特征及规律。

本项目研究成果经中国电机工程学会鉴定,认为项目取得了显著的社会经济效益,具有广泛推广应用前景,整体技术居国际领先水平。相关研究成果直接应用于锡盟-泰州、扎鲁特-青州、上海庙-临沂等10GW工程成套设计、设备制造和工程建设,为每工程节约成套设计费用约1亿元,节约设备费用约13亿元,通过在成套环节推进国产设备代替进口设备为每工程节约费用约11亿元。

本项目成果解决了输送容量提升和直流分层接入带来一系列重大难题,确保大容量分层接入特高压直流技术方案的顺利实施,相关研究成果直接应用于锡盟-泰州等大容量分层接入特高压直流工程成套设计、设备规范编制和工程建设、调试,并推动相关设备厂家在本领域的技术创新。本项目成果项目研究成果填补了国内大容量特高压直流接入特高压交流技术的空白,进一步提升了我国在直流输电设计领域的核心竞争力,对全面支撑“三型两网”建设,提高我国在大范围内高效优化能源资源配置的能力具有重要意义。

二、主要做法

根据国家对大规模、远距离输电的持续发展需要,进一步提升特高压直流输电能力,可更好发挥其固有的大容量、远距离输电优势,对提高输电效率和效益、节约输电走廊、保证能源安全、推动技术进步具有重大意义。为发挥特高压直流输电的技术优势,国家电网公司将锡盟-泰州、扎鲁特-青州、上海庙-临沂等±800kV特高压直流输电工程的输送容量由8GW提升到10GW。然而,随着特高压直流输送容量的增加,故障对电网的冲击越来越大,受端交流系统电压支撑、潮流分配转移以及直流系统安全稳定运行控制、运行可靠性等方面存在一系列问题,对电网的安全稳定运行带来了很大的影响。

为了综合解决这些难题,我国开创了特高压直流分层接入交流电网的创新性接入方式,将特高压直流受端的高、低端换流变分别直接接入两个不同电压等级交流电网。高、低端换流变通过不同电压等级的交流系统形成环网,受端交流系统之间联系较强,相互影响作用更加明显和复杂。此外,特高压直流分层接入方式具有独特的运行控制方式,可在不同运行方式下实现电网潮流在不同电压等级交流系统完成按需分配转移。

从特高压直流的拓扑结构上看,分层接入方案相当于位于同一个换流站内的多端直流系统,其主接线设计及主回路参数计算、运行控制保护策略、过电压与绝缘配合、直流谐振、交流系统谐波阻抗分析、主设备参数选择等与常规的特高压直流工程相比有较大的差异,并带来一系列重大难题,有必要对此开展详细的研究。

本项目围绕大容量分层接入特高压直流系统整体技术方案、控制保护设计方案、简化直流滤波器、绝缘配合、直流分层接入后系统直流谐振、交流侧系统静态等值及考虑层间影响的交流系统谐波阻抗计算等方面开展创新性研究。本项目研究成果不仅能够为我国特高压电网的建设提供强有力的支撑,也将推动国内电力装备的自主创新和研发制造水平的大幅提升,提高在国际电工装备市场的综合竞争力,具有重大的政治和经济意义。

三、主要创新点

主要创新点1:提出了10GW大容量特高压直流高端换流器接入500kV交流电网、低端换流器接入特高压1000kV交流电网的主接线方案,构建了涵盖分层接入主回路设计、无功分组设计、滤波器设计、绝缘配合、控制保护策略、暂稳性能设计、直流动态响应、主设备性能参数优化设计等整体技术方案。

±800kV特高压直流输电工程输送容量由传统的8GW提升到10GW,并首次采用换流站交流侧分层接入两个交流系统的方案,网侧接入最高电压等级也由750kV提升到1000kV。

主要创新成果:

①首次提出了特高压直流分层接入500kV/1000kV交流电网的主接线设计方案(如图1所示),解决了超大直流输送容量对单一电网带来的冲击问题,实现了10GW大容量系统功率的安全稳定传输。同时,双12脉动高端换流器接入500kV交流电网,低端换流器接入1000kV特高压交流电网,避免了高端换流变网、阀侧同时接入特高压电网引发的复杂设计难题,降低了研发难度和设备制造费用。

图1 特高压直流分层接入500kV/1000kV交流电网主接线设计方案

②针对高低端阀组接入不同交流电网给传统直流带来的系统计算机理颠覆问题,创新性提出阀组接入不同电压幅值、不同电压相角、不同频率偏差、兼容高低端换流变压器不同短路阻抗、不同分接头级差的新型主回路设计、无功分组设计、控制保护、绝缘配合方法;首次针对网侧交流电压等级为1000kV的特高压直流换流站进行了完整建模仿真,研发确定了断路器最严重的恢复电压特性,优化提出了交流滤波器小组断路器上的2900kV的恢复电压水平,最大限度的降低了设备的制造难度,解决了1000kV交流系统滤波器的在线开断问题;建立了接入含大规模风/火/水电机组交流电网的10GW直流系统动态响应模型,全面仿真验证了大容量直流系统对复杂交流电网的适应性。

③首次提出了换流阀、换流变、平波电抗器、穿墙套管、断路器、直流测量装置等全套主设备技术规范,优化确定了设备的技术参数、性能要求、结构要求、试验要求等,大力推进了大容量国产化设备的研发、制造和工程应用。完成设备技术规范32本,形成国网公司企业标准5项。

依托锡盟-泰州工程,全面攻克了涵盖主回路设计、无功分组设计、滤波器设计、绝缘配合、控制保护策略、暂稳性能设计、直流系统动态响应、主设备性能参数优化设计等10GW大容量特高压直流分层成套设计关键技术。

主要创新点2:研发了分层接入不同电网的直流系统控制策略、无功控制策略、高低端串联阀组电压平衡控制策略,提出各功能的原理及实现方法;提出分层接入直流系统的保护分区和功能配置,以及降低不同交流系统之间的故障耦合、减小故障范围的策略。

本项目结合高低端阀组分层接入不同交流系统的特点,创新性地提出了分层接入不同电网的直流系统控制策略和保护策略。

主要创新成果:

①提出了适应分层接入方式的控制保护系统整体方案、系统分层结构和功能配置。形成国家电网公司企业标准1项。

②提出了适用于正、反送运行的直流系统控制策略,包括受端分层接入的基本控制策略、高低端串联阀组电压平衡控制策略、无功控制策略,实现了分层接入直流系统的稳定运行控制功能。

③提出了分层接入直流系统的保护配置和受端分层侧抵御换相失败的方法,以降低不同交流系统或不同换流器之间的故障耦合,防止故障范围扩大。

④提出基于直流电压突变量的换相失败快速预测方法,响应速度提升到1ms,有效解决一极故障时由于线路耦合引起对极换相失败的问题,如图2所示;提出了测量值与计算值智能切换的控制保护逻辑,避免了中点分压器故障导致的阀组闭锁,提高了直流系统的运行可靠性;提出了多断口串并联型的转换开关结构及多目标决策的控制保护策略,解决了传统直流转换开关通流能力不足的问题,保障了大电流转换的可靠性和安全性。

图2 启动换相失败预测功能,未发生换相失败

主要创新点3:提出了以控制直流侧谐波电压为目的的简化直流滤波器设计方法,解决了设备绝缘约束大、直流谐振风险高的难题,显著降低了直流滤波器造价及占地面积,提升了直流工程的技术经济水平。

随着直流输送容量的大幅提升,直流滤波器的研制难度加大,体积和造价也都大幅增加,因而传统直流滤波器设计成为了限制大容量直流工程技术经济水平的关键因素。

主要创新成果:

①通过协同考虑直流设备绝缘水平和直流系统谐振风险对直流滤波器设计的高度依赖性,创新性提出了以控制直流侧谐波电压为目的的简化直流滤波器设计方法和简化滤波器的基本形式,确定了直流滤波器必须保留的谐振支路。直流系统存在2次谐振风险,12次特征谐波电压幅值较高,对直流线路出口运行电压峰值影响较大,因此简化直流滤波器需设置2次和12次支路。

②提出世界首个±800kV直流工程简化直流滤波器技术方案,比选确定了主电容取值、并联谐振频率、滤波器电阻取值、滤波器电阻接线形式。简化直流滤波器可有效限制谐波电压,直流线路出口运行电压峰值控制在850kV以下;同时显著降低了直流滤波器主电容值,高压电容器塔由常规的三塔布置“瘦身”为单塔结构(如图3所示),大幅降低设备研制难度、占地面积和滤波器投资费用。形成国家标准1项。

图3 单塔结构的直流滤波器

主要创新点4:攻克了直流高低端阀组分别控制、分层接入不同交流电网以及简化直流滤波器设计等多因素限制下的直流系统过电压与绝缘配合关键技术,将高端换流器和极线设备绝缘水平控制在传统的1600kV,与传统线性外推方法相比降低了5%,实现了可靠性和经济性的有机统一。

项目依托工程首次在±800kV特高压直流工程中采用高低端阀组分别控制、接入两个不同交流系统的拓扑结构,并采用简化直流滤波器设计方案,引发直流系统的谐波电压水平显著增大,进一步造成直流系统各点的稳态运行电压大幅升高,对传统绝缘配合方案下设备的绝缘性能带来极大风险。

主要创新成果:

①首次给出了直流分层接入和简化直流滤波器设计下的各电气节点持续运行电压特征,确定了系统设备和避雷器设备的稳态运行电压。在传统特高压直流系统中,由于平波电抗器采用极线和中性线均置方案,400kV中点电压为纯直流电压;极线出口电压因直流滤波器的谐波滤除作用,呈现800kV直流叠加极小的纹波电压,稳态运行电压峰值不超过812kV(考虑测量偏差)。采用直流高低端阀组接入不同交流系统(两交流系统幅值、相角、频率可能完全不同)拓扑结构,同时直流滤波器采用简化设计方案,造成400kV中点电压达430kV,极线出口电压达850kV。

图4  400kV中点电压波形

图5  不同方案下直流过电压水平

②创新性提出直流高低端阀组分别控制、分层接入不同交流电网以及简化直流滤波器设计换流站避雷器配置方案和关键参数。由于400kV中点电压和极线出口电压的提高,采用传统的线性外推方法,高端设备的操作冲击/雷电冲击绝缘水平将达到1675kV/1870kV。

③通过定量分析高端设备持续运行电压提高对避雷器荷电率选取的影响、不同荷电率水平对避雷器老化特性的影响以及阀厅内空气间隙操作冲击放点特性,借助关键故障情况下直流系统精准的电压控制措施,提出了新型避雷器配置方案和关键参数。成功将高端换流器和极线出口处设备的操作/雷电绝缘水平控制到1600kV/1800kV,与传统根据运行电压峰值线性外推相比分别降低了5%和4%,从而避免了±800kV高端设备和极线设备的重新研制以及阀厅设计尺寸的增加,极大的提升了工程可靠性和经济性。

主要创新点5:提出采用智能划分节点分区的静态等值方法和计及层间谐波交互影响的交流系统等效谐波阻抗计算方法,解决了直流分层接入交流系统的谐波阻抗扫描的难题,并开发了相应的分析计算软件,为工程设计提供了有效的分析工具;提出基于波参数的直流线路谐波阻抗解析计算方法,得到交流系统、直流线路、设备参数等因素对直流系统谐振的影响,总结分层接入特高压直流输电系统直流谐振的特征及规律。

主要创新成果:

①提出了交、直流混联系统以及直流分层接入系统静态等值方法,通过工程算例验证了等值方法的准确性。采用基于广度优先搜索算法的节点分区方法,简化等值过程;采用平衡节点分群方法,提高系统潮流收敛性,如图6。

②从理论上推导并定义了谐波交互影响因子,提出了层间谐波相互影响的评价方法,解决了分层接入系统交流滤波器设计的难题。

③开发了电力系统等值阻抗扫描软件,不受系统节点数量限制,采用改进节点法、稀疏矩阵技术与节点优化编号方法,提高求解速度和数据检索效率,满足了工程设计需要。

④提出基于线路分布参数以及波参数的直流线路谐波阻抗解析计算方法,并建立长线路链式π模型,通过数学计算推导出线路的谐振频率与谐振阻抗的幅值与相角,在低频段范围内能够准确地仿真输电线路的谐波阻抗特性。

⑤引入换流变、平抗、中性点电容等直流侧设备并考虑交流系统短路阻抗、交流滤波器阻抗,得到交流系统、直流线路、设备参数等因素对直流系统谐振的影响,总结了大容量特高压直流输电系统谐振的特征及规律,当线路长度接近敏感长度(1500km以上)时容易在50Hz和100Hz附近引发低频谐振。

⑥基于上述谐波阻抗解析计算方法,开发直流阻抗扫描软件,采用图形化界面搭建直流回路模型,分析直流回路的谐振及阻抗特性,为选择合理的抑制谐波设备提供依据。

图6 采用平衡节点分群方法的等值结构图

四、应用成效

锡盟-泰州、扎鲁特-青州、上海庙-临沂特工程额定直流电压±800kV,额定功率10GW,建成后成为首批大容量特高压直流接入特高压交流工程,且直流工程容量为世界之最。根据本项目研究成果,形成了服务于锡盟-泰州、扎鲁特-青州、上海庙-临沂直流输电工程的系统研究、成套设计、仿真试验、测试验证的主设备采购规范。以项目为依托,国网经研院形成了具有完全自主知识产权的直流工程成套设计软硬件平台,对公司占领更高电压等级、更大容量直流设计的制高点,进一步提高在直流设计领域的核心竞争力,全面支撑公司一流电网建设具有重要意义。研究成果成功指导锡盟-泰州、扎鲁特-青州、上海庙-临沂10GW大容量特高压直流工程换流变压器、换流阀、穿墙套管、平波电抗器、小组断路器、控制保护装置等主设备研制,目前,所有设备均已通过全套试验验证并投入工程应用。

通过应用本项目成果,可为每工程节约成套设计费用约1亿元;通过优化成套设计方案,大幅降低高端设备绝缘水平,可为每工程节约设备费用约13亿元;成功推动国内厂家开展主设备研发代替进口设备可为每工程节约约11亿元。锡盟-泰州、扎鲁特-青州、上海庙-临沂工程均在2016年完成成套设计(共3×1亿元)和设备研发,在2017年完成全部设备制造(共3×13+3×11亿元)工作。

本项目研究成果已成功应用于锡盟-泰州、扎鲁特-青州、上海庙-临沂工程。每年运行小时按6000小时计算,每工程的输送电量为60000GWh/年,若目前每度电的电价按0.4元、过网电价按照0.1元计算,3个工程每年可为国网公司增加的经济收入为720亿元,利润为180亿元,税金按照利润的10%考虑,可新增税收18亿元。

五、可推广性

本项目的研究成果整体应用于锡盟-泰州、扎鲁特-青州、上海庙-临沂等±800kV分层接入特高压直流输电工程的系统研究、成套设计、仿真试验、测试验证以及设备采购规范的编制,确保了工程的顺利建设和投运。

研究成果还成功应用于后续陕北-湖北、雅中-江西、青海-河南等特高压直流工程的成套设计和设备规范的编制,推广应用前景十分广阔。

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