周金鑫

摘要：特高壓直流投運(yùn)對(duì)送端電網(wǎng)特性將帶來(lái)明顯改變。尤其對(duì)于高新能源滲透地區(qū)，換相失敗后的暫態(tài)壓升成為約束運(yùn)行靈活性的重要因素。電力系統(tǒng)圍繞新疆天中直流工程及寧夏昭沂、靈紹、銀東直流工程已展開了相關(guān)研究。針對(duì)電網(wǎng)實(shí)際案例分析非典型工況下高壓直流工程引起的過(guò)電壓異常風(fēng)險(xiǎn)。本文主要分析特高壓直流送端系統(tǒng)的運(yùn)行約束及新能源消納挑戰(zhàn)研究。

關(guān)鍵詞：交直流外送系統(tǒng);新能源消納;暫態(tài)功角穩(wěn)定;暫態(tài)過(guò)電壓

引言

針對(duì)直流系統(tǒng)某一方面的特征展開，側(cè)重失穩(wěn)機(jī)理分析，未能從系統(tǒng)運(yùn)行角度綜合考慮直流系統(tǒng)多方面特性，進(jìn)一步分析對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的影響。特別是典型的交直流外送系統(tǒng)，除了存在直流換相失敗后的暫態(tài)過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)，更面臨著換流站近區(qū)交流故障后系統(tǒng)暫態(tài)功角失穩(wěn)問(wèn)題。在這兩方面制約下，系統(tǒng)運(yùn)行靈活性大幅下降。如何釋放外送空間是保障新能源消納工作面臨的重要挑戰(zhàn)。

1、直流系統(tǒng)故障與沖擊

1.1整流側(cè)交流系統(tǒng)故障

對(duì)于特高壓直流工程送端電力系統(tǒng)，在換流站近區(qū)的交流系統(tǒng)發(fā)生三相對(duì)地短路故障時(shí)，故障點(diǎn)距離換流站交流母線的電氣距離很近。故障發(fā)生后換流站電壓跌落，直流外送功率迅速下降。根據(jù)保護(hù)整定原則，交流線路直跳不重合，故障切除后隨著交流系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，直流功率快速恢復(fù)。

1.2換相失敗與極閉鎖

換相失敗發(fā)生在逆變側(cè)，是指因換流閥未能正常關(guān)斷，使換相過(guò)程無(wú)法順利結(jié)束，預(yù)計(jì)接替開通的閥組重新關(guān)斷，發(fā)生倒換相的現(xiàn)象。換相失敗可以由換流器自身故障如晶閘管擊穿導(dǎo)致、控制脈沖故障引起，也可以由受端交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致。換相失敗發(fā)生后，直流側(cè)功率短時(shí)間內(nèi)下降為0。換相失敗故障最終由換相失敗保護(hù)動(dòng)作清除：切換控制系統(tǒng)使換流器恢復(fù)正常工作;延時(shí)重啟換流器恢復(fù)正常工作;閉鎖換流極。換相失敗保護(hù)出口時(shí)間需與交流系統(tǒng)故障清除時(shí)間配合。換流器重啟過(guò)程需要從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功。若故障未清除，重啟中再次發(fā)生換相失敗，數(shù)次后將閉鎖換流極，切除配套濾波器及適量機(jī)組。

1.3有功回退與無(wú)功冗余

對(duì)于整流側(cè)，當(dāng)整流側(cè)閥短路故障或逆變側(cè)三相換相失敗發(fā)生后，直流外送功率迅速下降為0，系統(tǒng)通過(guò)直流通道外送的有功功率回退向交流系統(tǒng)，對(duì)送端系統(tǒng)造成沖擊。換相失敗發(fā)生后，整流器消耗的無(wú)功功率下降為0，未切除的配套濾波器造成系統(tǒng)無(wú)功功率冗余，引起送端系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓。若送端系統(tǒng)由于暫態(tài)壓升過(guò)高引發(fā)機(jī)組無(wú)序脫網(wǎng)，可能導(dǎo)致連鎖故障，從而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

2、直流系統(tǒng)故障對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方面的影響

目前，國(guó)內(nèi)外已就直接通信系統(tǒng)故障對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響進(jìn)行了分析研究。相關(guān)文獻(xiàn)指出，高壓直流轉(zhuǎn)換失敗可能會(huì)影響通信線路的保護(hù)，在直流運(yùn)輸系統(tǒng)靜態(tài)影響特性仿真分析過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了常見故障時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)特性。其中，轉(zhuǎn)換失敗是電網(wǎng)運(yùn)行異常的狀態(tài)，特別是在介質(zhì)交換系統(tǒng)薄弱的情況下。直流側(cè)暫態(tài)電路和交流系統(tǒng)電壓降低在相變失敗后發(fā)生。造成這種情況的原因可能是直流系統(tǒng)受到干擾，系統(tǒng)開關(guān)可能會(huì)誤觸發(fā)。由于青藏電網(wǎng)通信系統(tǒng)與其他地區(qū)相比比較薄弱，很可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗，嚴(yán)重影響供電可靠性。

3、直流投運(yùn)后新能源消納的挑戰(zhàn)與對(duì)策

3.1直流投運(yùn)后新能源消納的挑戰(zhàn)

由于輸送通道受到限制和輸送通道被占用，該系統(tǒng)運(yùn)作的靈活性限制了新能源的耗散。（1）第2.3節(jié)討論了出站訪問(wèn)限制?？梢娭绷魍度脒\(yùn)行后暫態(tài)功率角的穩(wěn)定性問(wèn)題和暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}分別對(duì)供電中心和同步電網(wǎng)主網(wǎng)之間的交流接入造成了較高和較低的限制，限制了電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性疏散調(diào)節(jié)范圍狹窄，限制了電力中心吸收新能源的能力。就陜西電網(wǎng)而言，電網(wǎng)框架引起的電力中心新的能源制約包括兩種形式：（1）整個(gè)陜西外部供電通道已滿，整個(gè)地區(qū)有限;2）電力段滿，景區(qū)有限，在全區(qū)域范圍限制的情況下，只能通過(guò)增加直流電源來(lái)實(shí)現(xiàn)出站限制。在靖國(guó)神社范圍有限的情況下，只要滿足最低啟動(dòng)要求，單方面增加點(diǎn)火組和增加電源橫截面界限是沒(méi)有必要的，必須同時(shí)增加直流功率，才能最終消除從定靖向康杜地區(qū)輸送的新能源。（2）外料道占用外料道所用火力由兩部分組成：（1）能滿足起動(dòng)方法限制的電源組（2）直流發(fā)電機(jī)。這兩個(gè)元素可以重合。根據(jù)目前的規(guī)劃數(shù)據(jù)，陜西—吳直流供電機(jī)組58%位于神木地區(qū)。白天新能源擴(kuò)大期間，如果直流發(fā)射功率為8000MW，陜西地區(qū)的排放需求總量超過(guò)13620MW。其中，景疏散請(qǐng)求與神木地區(qū)疏散請(qǐng)求的比率為1：2?？梢酝ㄟ^(guò)直流輸出功率的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，在實(shí)際操作中，直流電源由支持單元提供。如果DC陜西、Wu支持組均為火力組，則該組的貢獻(xiàn)由直流電源決定，直流電源增加后，外部供料通道占用量較高，新能源滅菌空間可以縮小。

3.2提高新能源消納空間的對(duì)策

外送通道限制來(lái)自系統(tǒng)功角暫態(tài)功角穩(wěn)定問(wèn)題和暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}。當(dāng)前，陜西電網(wǎng)具備根據(jù)系統(tǒng)特征變化升級(jí)三道防線的條件，提高系統(tǒng)應(yīng)對(duì)暫態(tài)功角失穩(wěn)問(wèn)題的能力;并且已經(jīng)在陜北交流外送通道中間建設(shè)開關(guān)站，通過(guò)提高陜北電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，提高新能源消納空間。針對(duì)陜西電網(wǎng)的特征，從放寬外送通道限制和減少通道占用2個(gè)角度提高新能源消納空間。（1）加快推進(jìn)交流通道補(bǔ)強(qiáng)工程，對(duì)于外送通道限制，由式（2）可知，減小通道阻抗能夠從根本上提高系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性，提升外送能力。針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)架在陜北地區(qū)的薄弱點(diǎn)，推進(jìn)補(bǔ)強(qiáng)工程，如陜北-關(guān)中第三通道規(guī)劃、建設(shè)，能夠有效方框外送通道限制，提升新能源消納空間。（2）調(diào)動(dòng)SVG動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，受電斷面受到系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓約束，配置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置是公認(rèn)的抑制暫態(tài)壓升的有效手段。在高新能源滲透率地區(qū)通過(guò)配套調(diào)相機(jī)來(lái)提高直流外送能力。陜北地區(qū)規(guī)劃火電裝機(jī)大、直接通過(guò)陜北換流站母線并網(wǎng)，已經(jīng)為抑制暫態(tài)過(guò)電壓提供很好的基礎(chǔ)。如果能夠升級(jí)AVC系統(tǒng)，充分調(diào)動(dòng)新能源場(chǎng)站及匯集站的SVG動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，將為抑制暫態(tài)過(guò)電壓做出貢獻(xiàn)。當(dāng)區(qū)域內(nèi)火電機(jī)組開機(jī)量Pth不變時(shí)，使神木地區(qū)最小開機(jī)方式減小，從而降低整個(gè)陜北地區(qū)火電對(duì)外送通道的占用，提高新能源消納空間。（3）新能源機(jī)組耐高壓改造，受電斷面同時(shí)受到系統(tǒng)耐壓水平限制。新能源機(jī)組耐壓水平是當(dāng)前約束系統(tǒng)耐壓能力的瓶頸。通過(guò)新能源機(jī)組及相關(guān)設(shè)備的耐高壓改造能夠提高系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)電壓耐受能力，受電斷面極限上升，進(jìn)而減小神木地區(qū)最小開機(jī)方式。在放寬外送通道限制的同時(shí)降低外送通道占用，提高新能源消納空間。（4）鼓勵(lì)火電參與調(diào)峰如3.1節(jié)討論，欲提高總外送能力增加直流外送功率，卻導(dǎo)致外送通道占用增加，事與愿違。當(dāng)直流外送功率為8000MW時(shí)，配套火電機(jī)組出力占外送需求42.68%。若能通過(guò)直流通道將新能源、火電打捆外送，借助市場(chǎng)手段調(diào)動(dòng)火電機(jī)組以及受端電網(wǎng)配合調(diào)峰的積極性，根據(jù)陜西火電機(jī)組當(dāng)前深度調(diào)峰能力（平均40%，最低27%）估計(jì)，外送通道占用將下降25%以上。促使直流外送功率上升的同時(shí)，保證外送通道上升裕度不被火電占用，從而提高新能源消納空間。

結(jié)束語(yǔ)

隨著資源的持續(xù)開發(fā)與電網(wǎng)的不斷發(fā)展，特高壓直流投運(yùn)后送端電力系統(tǒng)運(yùn)行特性將發(fā)生明顯改變，給地區(qū)新能源消納帶來(lái)挑戰(zhàn)。本文在介紹直流系統(tǒng)故障的基礎(chǔ)上，就特高壓直流投運(yùn)后的暫態(tài)功角穩(wěn)定問(wèn)題與暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行詳細(xì)討論，并通過(guò)陜西電網(wǎng)的仿真計(jì)算結(jié)果說(shuō)明了陜武直流投運(yùn)后將約束陜北外送通道上、下限值，降低系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。最后，針對(duì)所提問(wèn)題討論了提高陜北地區(qū)新能源消納能力的對(duì)策。通過(guò)推進(jìn)補(bǔ)強(qiáng)工程、升級(jí)AVC系統(tǒng)、調(diào)動(dòng)SVG動(dòng)態(tài)能力、完成新能源機(jī)組耐高壓改造、優(yōu)化陜北火電開機(jī)方式、優(yōu)化調(diào)度策略、提高新能源預(yù)測(cè)質(zhì)量等手段，能夠放寬外送通道約束、減少外送通道占用，提高新能源消納空間。

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