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国网智研院:创新混合级联直流技术 助力特高压直流工程建设

北极星智能电网在线  来源:国家电网报  作者:林畅 李跃  2022/8/9 14:52:35  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:7月1日,白鹤滩—江苏±800千伏特高压直流工程(以下简称白鹤滩—江苏工程)竣工投产。该工程在世界上首次采用常规直流加柔性直流的混合级联特高压直流输电技术,集成特高压直流和柔性直流输电优势,标志着我国特高压直流技术再升级。

国家电网有限公司的组织下,国网智能电网研究院有限公司参与了白鹤滩—江苏工程初设、工程可研和成套设计,提出了混合级联特高压直流输电技术的工程可行性方案,并确定了工程主要设备的技术参数。

解决不同特性换流阀搭配难题

白鹤滩—江苏工程将西南的清洁水电外送至华东负荷中心,对保障江苏及华东地区电力供应、助力长三角地区控制煤炭消费总量,具有重要意义。

白鹤滩水电外送距离超过2000千米,途经地区城镇密集,线路走廊资源紧缺。受端华东地区已有多回特高压常规直流集中馈入、落点密集,采用常规直流送出方案存在换相失败风险。这给整个工程的系统设计带来了挑战。

柔性直流对受端电网强度的要求不高,且具备一定的故障穿越能力。保留高端特高压直流换流阀,将低端换成柔性直流换流阀,还能降低成本。

开展混合级联特高压直流输电技术研究之初,国内外没有混合级联拓扑多落点的研究。特高压直流换流阀和柔性直流换流阀的响应速度和器件耐受过压过流的能力完全不同。特高压直流换流阀器件耐受能力强、响应速度慢,柔性直流换流阀的器件耐受能力弱、响应速度快。如何让两种不同特性的换流阀“步调一致”地搭配起来,发挥各自优势,成为研发中最大的技术挑战。

主电路拓扑方面:常规直流输电受端高低端换流阀均接入同一交流落点,高低端阀组控制特性一致。而混合级联高低端换流阀的器件、运行原理、控制特性均不同,且分别接入不同的交流落点,系统主回路参数设计是一项难题。

系统启停投退控制方面:常规直流换流器是电流源型换流器,而柔性直流换流器是电压源型换流器。级联后要确保启停投退过程中常规直流不断流、柔性直流不短路,需重新设计协调配合控制策略,控制响应特性快慢动作协调控制难度大。

故障处理方面:柔性直流响应速度快但耐受过压过流的能力较常规直流弱。一旦发生故障,功率输送通道受阻,柔性直流换流阀过压过流,而常规直流换流阀未接到通信指令时仍会持续输送功率。此时,30毫秒的站间通信指令传输时间足以让柔性直流换流阀面临设备过压风险。制订快速安全处理故障的措施是工程的技术瓶颈之一。

谐波谐振方面:混合级联直流输电与常规直流输电技术相比,柔性直流换流阀的直流侧不能并联直流滤波器组,因此传统的直流滤波器设计经验不再适用,需重新设计直流滤波器接线和参数,设计难度大。

提出混合级联直流输电拓扑方案

国网智研院集中梳理混合级联直流设计风险,攻克技术难题。经过了近一年的集中论证,国网智研院攻关团队验证提出了多个柔性直流换流阀并联后再与常规直流换流阀串联的混合级联直流输电拓扑方案,并完成了新型可控自恢复消能装置的成套方案设计,支撑了白鹤滩—江苏工程实施。该拓扑方案实现了多馈入直流系统的安全稳定运行能力跨越式提升,具有多方面技术优势。

技术兼容优势:该拓扑方案将两种不同响应速度、不同耐受能力的换流阀有机结合,发挥了常规直流输送距离远、技术经济性好、可靠性高、运行经验丰富和柔性直流有功和无功功率灵活独立控制、不存在换相失败问题、动态无功功率支撑能力强的优势,实现了技术性和经济性的结合,将换相失败风险降低为常规直流的四分之一。

改善多馈入短路比:若采用常规直流方案,受端电网最小多馈入直流短路比在检修或故障运行方式下属于弱系统水平;而采用混合级联技术,受端最小多馈入直流短路比将提升至强系统水平,提升了直流馈入能力。

改善直流有功功率特性:交流故障情况下,混合级联直流仍可保持30%~40%的功率传输,具有良好的功率恢复特性。

改善受端电网无功功率特性:混合级联直流的柔性直流换流站不存在换相失败问题。一旦交流系统出现故障,混合级联直流从交流电网吸收的无功功率少于常规直流,换流母线及近区电压恢复特性好。

输电利用率更高:采用混合级联拓扑方案,当单个柔性直流换流阀出现故障时,其余两个柔性直流换流阀可完全转带功率,降低了受端低压阀组不可用率,系统输电利用率较常规直流方案更高。

运行方式灵活:低端电压源换流器可构建多端柔性直流电网,实现柔性直流换流阀间功率互济,形成区域内柔性直流联络通道。如果单个电压源换流器出现故障,系统仍可满功率运行。

可控自恢复消能装置提升受电能力

白鹤滩—江苏工程研发应用了可控自恢复消能装置。该装置的应用消除了工程应用的潜在故障风险,突破了混合级联直流输电拓扑方案中故障快速处理方面的技术瓶颈。

当故障产生的盈余功率造成电压源换流器过流过压时,可控自恢复消能装置能在1毫秒内将能量转移,大幅提升华东电网受电能力。该技术已授权给公司系统内外多家单位使用,为白鹤滩—江苏工程及后续特高压直流输电工程建设提供了有力支撑。

可控自恢复消能装置不仅能用于特高压直流输电工程,还能用于海上风电并网场景,可提升新能源消纳能力,提高大范围内电力系统电能变换和输送效率,推广应用前景广阔。

(作者单位:国网智能电网研究院有限公司)


原标题:创新混合级联直流技术 助力特高压直流工程建设

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