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    廣東南澳多端柔性直流輸電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行策略探討

    2016-08-08 00:57:50蔡新雷
    廣東電力 2016年7期
    關(guān)鍵詞:南澳換流站風(fēng)電場(chǎng)

    蔡新雷

    (廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州510600)

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    廣東南澳多端柔性直流輸電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行策略探討

    蔡新雷

    (廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州510600)

    分析了廣東南澳多端柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行模式、功率控制原理、調(diào)度運(yùn)行控制原則和調(diào)度運(yùn)行指標(biāo),針對(duì)不同的功率控制模式給出實(shí)用性的調(diào)度運(yùn)行控制策略,指出多端柔性直流輸電系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行需兼顧考慮安全性、優(yōu)質(zhì)性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

    多端柔性直流輸電;調(diào)度運(yùn)行;交直流并聯(lián);安全性;優(yōu)質(zhì)性;經(jīng)濟(jì)性

    南澳柔性直流輸電示范工程是世界上首個(gè)商業(yè)運(yùn)行的多端柔性直流輸電工程,采用交直流并列運(yùn)行方式,南澳地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)出力通過(guò)交直流混聯(lián)系統(tǒng)送出。由于風(fēng)功率具有隨機(jī)性、間歇性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn),因此如何合理地調(diào)度柔性直流輸電系統(tǒng),并兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),是電力調(diào)度機(jī)構(gòu)面臨的重要問(wèn)題之一。本文結(jié)合南澳多端柔性直流輸電系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“南澳直流”)的調(diào)度運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),探討多端柔性直流輸電的調(diào)度運(yùn)行策略。

    1 南澳直流概況

    1.1工程介紹

    南澳柔性直流輸電工程將廣東省南澳島上富裕的風(fēng)電送至汕頭市澄海區(qū)塑城變電站附近電網(wǎng)。目前,南澳島上規(guī)模較大的風(fēng)電場(chǎng)有牛頭嶺、云澳、青澳、南亞風(fēng)電場(chǎng),總裝機(jī)容量約170 MW,其中云澳風(fēng)電場(chǎng)29.25 MW,牛頭嶺風(fēng)電場(chǎng)58.30 MW,青澳風(fēng)電場(chǎng)45.05 MW,南亞風(fēng)電場(chǎng)36.43 MW。島內(nèi)負(fù)荷較小(2014年最大負(fù)荷為18 MW,2015年最大負(fù)荷為20 MW),風(fēng)電送出需求約110 MW,通過(guò)柔性直流系統(tǒng)以及與其并聯(lián)的110 kV交流線(xiàn)路送出。隨著風(fēng)電場(chǎng)的不斷建設(shè),預(yù)計(jì)2020年,風(fēng)電送出需求增至200 MW。

    南澳柔性直流輸電工程是在南澳島上建設(shè)金牛、青澳2個(gè)換流站,在汕頭市建設(shè)塑城換流站,并配套建設(shè)交、直流線(xiàn)路,形成一個(gè)電壓±160 kV、輸送容量150 MW的三端柔性直流輸電系統(tǒng)。工程建成后,南澳島電網(wǎng)成為交直流混聯(lián)結(jié)構(gòu),如圖1所示。目前南澳直流采用三端交直流運(yùn)行模式,同時(shí),為了避免電磁環(huán)網(wǎng),金牛換流站110 kV母線(xiàn)保持分母運(yùn)行。正常情況下,金牛、青澳換流站作為整流站運(yùn)行,塑城換流站作為逆變站運(yùn)行,形成多端柔性直流輸電系統(tǒng)。南澳直流在系統(tǒng)級(jí)控制下正常運(yùn)行,金牛換流站作為主控站運(yùn)行,塑城換流站和青澳換流站作為從控站運(yùn)行。

    圖1 南澳直流正常運(yùn)行方式

    文獻(xiàn)[1]分析了南澳直流的14種運(yùn)行方式,根據(jù)國(guó)務(wù)院第599號(hào)令《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》中對(duì)事故等級(jí)的劃分,南澳全島失壓將構(gòu)成三級(jí)事件。為避免三級(jí)事件的發(fā)生,確定運(yùn)行方式的原則是“N-1”故障不導(dǎo)致南澳全島失壓,正常運(yùn)行應(yīng)采用方式1(如圖1所示)。

    交直流系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)方式有交直流并聯(lián)方式、純直流方式和直流孤島方式。交直流并聯(lián)方式是指直流兩端(三端)系統(tǒng)通過(guò)直流和交流線(xiàn)路聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行;純直流方式是指直流兩端(三端)系統(tǒng)僅通過(guò)直流聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行,交流聯(lián)絡(luò)線(xiàn)斷開(kāi);直流孤島方式是指送端換流站的交流側(cè)電網(wǎng)與交流主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)斷開(kāi),僅通過(guò)直流并入直流受端系統(tǒng)運(yùn)行。該工程正常運(yùn)行時(shí)采用交直流并聯(lián)方式,即直流兩端(三端)系統(tǒng)通過(guò)直流和交流線(xiàn)路聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

    塑城、金牛、青澳換流站正常運(yùn)行的頻率范圍為49.8~50.2 Hz,事故情況下的頻率范圍為 49.5~50.5 Hz。南澳直流運(yùn)行時(shí),塑城、金牛、青澳換流站交流母線(xiàn)正常連續(xù)運(yùn)行電壓的范圍均為106.7~117.7 kV,極端連續(xù)運(yùn)行電壓的范圍均為99~121 kV。

    南澳直流每極可采用額定電壓(160 kV)或降壓(80%降壓或70%降壓)運(yùn)行。正常時(shí),以額定電壓運(yùn)行;在直流線(xiàn)路或換流站內(nèi)高壓直流設(shè)備絕緣水平降低時(shí),可根據(jù)設(shè)備運(yùn)行需要降壓運(yùn)行。

    1.2柔性直流功率控制基本原理

    (1)

    (2)

    由式(1)—(2)可見(jiàn):通過(guò)調(diào)節(jié)δ可以控制系統(tǒng)輸送的有功功率,調(diào)節(jié)Uc可以控制無(wú)功功率,從而實(shí)現(xiàn)有功功率與無(wú)功功率的獨(dú)立控制。

    在柔性直流輸電系統(tǒng)中,每個(gè)換流站均須從有功類(lèi)、無(wú)功類(lèi)物理量中各選擇一個(gè)變量進(jìn)行控制。有功類(lèi)物理量包括交流或直流側(cè)有功功率、直流側(cè)電壓、交流系統(tǒng)頻率,無(wú)功類(lèi)物理量包括交流或直流側(cè)無(wú)功功率、交流側(cè)電壓。為了確保直流系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定,在交直流混聯(lián)方式下,塑城換流站作為受端站點(diǎn),控制直流電壓及交流側(cè)無(wú)功功率;金牛、青澳換流站作為送端站點(diǎn),控制輸送的有功功率及交流側(cè)無(wú)功功率。

    1.3調(diào)度運(yùn)行控制原則

    電能輸送需要滿(mǎn)足安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的指標(biāo),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度規(guī)程,南澳直流的運(yùn)行方式控制原則為:采用交直流并聯(lián)方式時(shí),應(yīng)避免明顯的潮流迂回;運(yùn)行中應(yīng)避免直流功率頻繁調(diào)整;正常運(yùn)行時(shí),應(yīng)避免直流或交流單個(gè)通道潮流過(guò)重;運(yùn)行中應(yīng)避免柔性直流系統(tǒng)閉鎖(故障停運(yùn))而造成交流輸電通道過(guò)載。

    1.4調(diào)度運(yùn)行指標(biāo)

    潮流控制包括有功控制和無(wú)功控制。在無(wú)功控制方面,應(yīng)以就地平衡無(wú)功為原則,避免南澳島與主網(wǎng)之間存在明顯的無(wú)功交換。而在有功功率控制方面,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及上述控制原則設(shè)置功率曲線(xiàn),往往很難實(shí)現(xiàn)安全性、優(yōu)質(zhì)性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。本文將分別討論這3個(gè)指標(biāo),提出兼顧各運(yùn)行指標(biāo)的實(shí)用調(diào)度策略。

    1.4.1安全性約束

    安全性約束要求系統(tǒng)滿(mǎn)足“N-1”特性,包括:交流線(xiàn)路潮流不超過(guò)事故限流;直流線(xiàn)路輸送功率小于換流站額定容量;柔性直流系統(tǒng)閉鎖后,潮流轉(zhuǎn)移至并列的交流線(xiàn)路時(shí),交流線(xiàn)路潮流不超過(guò)事故限流;柔性直流系統(tǒng)閉鎖后,潮流轉(zhuǎn)移至并列的交流線(xiàn)路時(shí),交流系統(tǒng)不失穩(wěn)[3]。安全性約束是必須滿(mǎn)足的指標(biāo),在調(diào)度運(yùn)行中,通過(guò)實(shí)時(shí)信號(hào)告警的形式提醒當(dāng)值調(diào)度人員及時(shí)處理異常。

    需要指出的是,正常方式下系統(tǒng)是滿(mǎn)足“N-1”指標(biāo)的,只要合理設(shè)置功率,均不會(huì)有安全性問(wèn)題。安全性指標(biāo)的意義在于,在柔性直流系統(tǒng)發(fā)生故障或跳閘時(shí),系統(tǒng)仍滿(mǎn)足“N-1”指標(biāo),相關(guān)設(shè)備不過(guò)載。例如當(dāng)交流線(xiàn)路跳閘時(shí),由方式1切換至方式6,但經(jīng)檢測(cè)方式6下系統(tǒng)不滿(mǎn)足“N-1”指標(biāo),此時(shí)需要提醒當(dāng)值調(diào)度人員及時(shí)調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式及輸送功率,做好相關(guān)事故預(yù)想。

    1.4.2優(yōu)質(zhì)性指標(biāo)

    優(yōu)質(zhì)性以柔性直流系統(tǒng)送出的電壓、電流和頻率的質(zhì)量來(lái)衡量。風(fēng)電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)送出,可減少諧波水平,提高電能質(zhì)量。而柔性直流系統(tǒng)輸送的功率不同,相應(yīng)的電壓、電流和頻率質(zhì)量也不同。若設(shè)置直流輸送功率為零,則柔性直流系統(tǒng)作為靜止同步補(bǔ)償裝置(staticsynchronouscompensation,STATCOM)使用,電能仍通過(guò)并聯(lián)的110kV交流線(xiàn)路送出,大量諧波直接入侵到交流系統(tǒng),需要靠STATCOM實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償,平滑輸出電壓、電流波形。而STATCOM的容量是有限的,若風(fēng)電場(chǎng)送出潮流較重,其平滑電壓、電流的能力有限;若設(shè)置為純直流輸送,則風(fēng)電場(chǎng)出力全部經(jīng)整流后送到交流系統(tǒng),交流線(xiàn)路潮流為零,可保證柔性直流輸電系統(tǒng)具有較佳的電能質(zhì)量。具體可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),以實(shí)測(cè)情況為準(zhǔn),合理安排輸送功率。

    1.4.3經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

    經(jīng)濟(jì)性主要考慮的因素有:換流閥損耗和交流線(xiàn)路損耗、潮流迂回帶來(lái)的附加損耗、直流功率頻繁調(diào)節(jié)帶來(lái)的換流閥損耗和折舊、直流與交流線(xiàn)路潮流不均衡導(dǎo)致的設(shè)備利用率不一致和經(jīng)濟(jì)性損耗[3]。根據(jù)目前的工程技術(shù)水平,在柔性直流系統(tǒng)中,換流器的輸電損耗率大于1%,仍大于交流線(xiàn)路的輸電損耗率[4]。因此,理論上通過(guò)直流系統(tǒng)輸出的電能越多,相應(yīng)的損耗越大;當(dāng)直流功率零輸送時(shí),相應(yīng)的輸電損耗最小。

    潮流迂回的定義為:因風(fēng)電場(chǎng)出力不穩(wěn)定,如指定的直流送出功率過(guò)高,甚至超過(guò)風(fēng)電場(chǎng)出力,則交直流混聯(lián)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)直流通道與交流通道潮流方向不一致的情況,即直流通道不僅輸送風(fēng)電場(chǎng)出力,還會(huì)從交流通道吸收功率,然后從直流通道送出,造成潮流迂回,增加輸電損耗。可見(jiàn),潮流迂回的本質(zhì)是直流輸送功率過(guò)高,應(yīng)采取措施降低直流系統(tǒng)輸送功率。在南澳直流中,直流線(xiàn)路、灣金線(xiàn)、萊金線(xiàn)3回線(xiàn)路潮流方向不一致,即判定為潮流迂回。在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中,當(dāng)實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有潮流迂回時(shí),應(yīng)調(diào)整直流輸送功率直至迂回消失。

    直流功率頻繁調(diào)節(jié)會(huì)帶來(lái)?yè)Q流閥的損耗和折舊,因此運(yùn)行規(guī)程明確規(guī)定避免直流功率頻繁調(diào)整。直流與交流線(xiàn)路潮流不均衡會(huì)導(dǎo)致設(shè)備利用率不同,因此調(diào)度運(yùn)行中應(yīng)盡量保持潮流均衡。

    2 潮流控制方案分析

    2.1設(shè)備輸送能力

    按目前電網(wǎng)規(guī)模,以及南澳島的最高負(fù)荷、風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量,南澳島與主網(wǎng)最大交換功率在 -20~170MW之間。南澳直流的關(guān)鍵線(xiàn)路輸電能力見(jiàn)表1。各換流站輸電容量:塑城換流站200MV,金牛換流站100MV,青澳換流站50MV。

    表1南澳柔性直流輸電系統(tǒng)交流線(xiàn)路限值

    線(xiàn)路名稱(chēng)限流值/A對(duì)應(yīng)最大輸送功率/MW蘇灣線(xiàn)720134灣金線(xiàn)744139塑萊Ⅱ線(xiàn)700131萊金線(xiàn)40075

    分析可得:按目前的風(fēng)電規(guī)模,受限于送端換流站容量,本期柔性直流系統(tǒng)最大電力外送能力為150MW,不能滿(mǎn)足南澳島風(fēng)電送出要求。單一交流通道(灣金線(xiàn)或萊金線(xiàn))無(wú)法滿(mǎn)足南澳島最大功率外送的要求,特別是110kV萊金線(xiàn)電流僅有400A,如青澳、南亞風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)發(fā),則負(fù)荷低谷時(shí)會(huì)造成線(xiàn)路滿(mǎn)載甚至過(guò)載。因此,在實(shí)際運(yùn)行中,需要對(duì)系統(tǒng)有功潮流進(jìn)行合理分配。

    2.2功率控制模式

    南澳直流中現(xiàn)有的功率控制模式有定有功功率比例控制、定有功功率控制、直流優(yōu)先控制和混合控制模式4種模式。直流優(yōu)先控制為純直流控制模式,是定有功功率比例控制的特殊方式,比例為100%;而混合控制模式不常用。以下將重點(diǎn)分析定有功功率比例控制策略和分段式定有功功率控制策略。

    2.2.1定有功比例控制控制策略

    定有功功率比例控制按設(shè)定的比例自動(dòng)調(diào)節(jié)換流站交流、直流通道的有功功率。這種方法通過(guò)頻繁調(diào)節(jié)換流閥功率,實(shí)現(xiàn)等比例輸送。根據(jù)交直流混聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的輸電能力及換流站容量,金牛換流站可選擇的直流功率比例范圍為0%~100%,青澳換流站可選擇的直流功率比例范圍為不低于10%。

    取金牛換流站直流功率比例為100%(即直流優(yōu)先控制),青澳換流站直流功率比例為60%,可使柔性直流系統(tǒng)輸送最大功率;取金牛換流站直流功率比例為0%,青澳換流站直流功率比例為10%,可使柔性直流系統(tǒng)輸送最小功率。此種控制方法,可從根本上避免明顯的潮流迂回,代價(jià)是直流功率需要頻繁調(diào)整,若功率調(diào)整過(guò)于頻繁,會(huì)引起風(fēng)機(jī)機(jī)端電氣量的快速變化,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停運(yùn)。實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中,為避免直流或交流單個(gè)通道潮流過(guò)重,建議在風(fēng)電送出較多時(shí),金牛換流站直流功率比例設(shè)置為50%,青澳換流站直流功率比例設(shè)置為40%;在風(fēng)電出力較小時(shí),因負(fù)載均較輕,建議金牛換流站直流功率比例設(shè)置為100%,青澳換流站直流功率比例設(shè)置為60%。當(dāng)方式轉(zhuǎn)換操作時(shí)(如對(duì)混聯(lián)系統(tǒng)中的交流線(xiàn)路進(jìn)行停電操作),為保證切換成功,建議采用純直流控制模式。

    2.2.2分段式定有功功率控制策略

    在定有功功率控制模式下,按15min為一個(gè)時(shí)間點(diǎn),根據(jù)風(fēng)功率預(yù)測(cè)情況,獨(dú)立設(shè)定青澳換流站、金牛換流站的有功輸送值,并假定南澳島上4個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在同一時(shí)刻實(shí)際出力占裝機(jī)容量的比例相同。青澳換流站與金牛換流站的負(fù)載率基本相當(dāng),按換流站容量比例1∶2來(lái)設(shè)定青澳、金牛換流站功率。

    基于安全性約束,設(shè)定的有功功率值應(yīng)小于換流站額定輸送容量。基于經(jīng)濟(jì)性考慮,為避免潮流迂回,青澳、金牛換流站設(shè)定的有功功率值應(yīng)小于等于扣除島上負(fù)荷后的富余風(fēng)電場(chǎng)出力,且交流和直流的負(fù)載率盡量相同?;陔娔軆?yōu)質(zhì)性考慮,應(yīng)盡量使用直流輸送電力。綜上考慮,制定以下原則:

    a)風(fēng)電出力占60%以下時(shí),直流輸送功率設(shè)定為100%,即風(fēng)電全部由直流系統(tǒng)送出。此時(shí)由于送電功率小,直流換流閥及交流設(shè)備均輕載,損耗較??;并聯(lián)交流線(xiàn)路功率為零,若交流線(xiàn)路跳閘,可成功切換至其他模式,大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。此方式下充分發(fā)揮了柔性直流系統(tǒng)的優(yōu)良特性,電能質(zhì)量較高。

    b)風(fēng)電出力所占比例為60%~80%時(shí),設(shè)定青澳換流站輸送直流功率為15MW,金牛換流站輸送直流功率為30MW,柔性直流系統(tǒng)輸送電力共計(jì)45MW。此時(shí)設(shè)定的原則為直流輸送功率與交流輸送功率相當(dāng),保證負(fù)載率相近。但此種設(shè)定只能盡量減少直流迂回,不能完全避免直流迂回,帶來(lái)的好處是換流閥調(diào)節(jié)次數(shù)大大減少。

    c)風(fēng)電出力所占比例為80%~100%時(shí),設(shè)定青澳換流站輸送直流功率為20MW,金牛換流站輸送直流功率為40MW,柔性直流系統(tǒng)向汕頭主網(wǎng)輸送電力共計(jì)60MW。

    經(jīng)核算,按以上功率控制方案,當(dāng)風(fēng)電出力在0%~100%變化時(shí),萊金線(xiàn)、灣金線(xiàn)的負(fù)載較為合理,負(fù)載率最高不超過(guò)70%。定有功功率控制可減少換流器閥組對(duì)傳輸功率的頻繁調(diào)整,提高閥組運(yùn)行可靠性。但是需要根據(jù)風(fēng)功率預(yù)測(cè)來(lái)不斷修正直流功率傳輸曲線(xiàn),運(yùn)行管理復(fù)雜;若風(fēng)電出力波動(dòng)大,在一個(gè)調(diào)整周期內(nèi),仍有可能出現(xiàn)因直流輸送功率與風(fēng)電出力不匹配的現(xiàn)象,造成潮流迂回。

    實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中,若風(fēng)電送出變化較大,潮流迂回時(shí)常發(fā)生,則可縮小分段間隔,如可以20%為間隔設(shè)定直流功率,使功率更好地跟隨風(fēng)電場(chǎng)出力,帶來(lái)的影響是直流換流閥調(diào)節(jié)次數(shù)相應(yīng)增加。若風(fēng)電出力穩(wěn)定在某一負(fù)荷水平,則根據(jù)實(shí)際出力設(shè)置直流功率,在避免潮流迂回的前提下,保證直流和交流的負(fù)載率相近。

    3 結(jié)束語(yǔ)

    本文結(jié)合廣東南澳直流的調(diào)度運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),探討了多端柔性直流輸電的調(diào)度運(yùn)行策略,指出多端柔性直流系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行需考慮的安全性、優(yōu)質(zhì)性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),并針對(duì)不同控制模式提出了實(shí)用性的調(diào)度運(yùn)行控制策略,可為南澳直流的調(diào)度運(yùn)行和多端柔性直流輸電工程的建設(shè)規(guī)劃及運(yùn)行提供借鑒。

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    (編輯李麗娟)

    Discussion on Dispatching Operation Strategy for Guangdong Nan’ao VSC-MTDC Transmission System

    CAI Xinlei

    (Electric Power Dispatching and Control Center of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510600, China)

    This paper analyzes operational mode, power control principle, dispatching operation control principle and dispatching control index of Guangdong Nan’ao VSC-MTDC power transmission system. In allusion to different power control modes, it presents control strategies for dispatching operation with good practicability and points out to give considerations to security index, quality index and economy index.

    multi-terminal direct current power transmission; dispatching operation; AC/DC parallel; security index; quality index; economy index

    2016-03-15

    10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.018

    TM721.1

    B

    1007-290X(2016)07-0093-04

    蔡新雷(1986),男,安徽阜陽(yáng)人。工程師,工學(xué)碩士,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。

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