特高壓直流送端系統(tǒng)的運行約束及新能源消納挑戰(zhàn)研究

周金鑫

摘要：特高壓直流投運對送端電網特性將帶來明顯改變。尤其對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研究。針對電網實際案例分析非典型工況下高壓直流工程引起的過電壓異常風險。本文主要分析特高壓直流送端系統(tǒng)的運行約束及新能源消納挑戰(zhàn)研究。

關鍵詞：交直流外送系統(tǒng);新能源消納;暫態(tài)功角穩(wěn)定;暫態(tài)過電壓

引言

針對直流系統(tǒng)某一方面的特征展開，側重失穩(wěn)機理分析，未能從系統(tǒng)運行角度綜合考慮直流系統(tǒng)多方面特性，進一步分析對系統(tǒng)運行靈活性的影響。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)過電壓風險，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)問題。在這兩方面制約下，系統(tǒng)運行靈活性大幅下降。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整流側交流系統(tǒng)故障

對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)生三相對地短路故障時，故障點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。根據保護整定原則，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，直流功率快速恢復。

1.2換相失敗與極閉鎖

換相失敗發(fā)生在逆變側，是指因換流閥未能正常關斷，使換相過程無法順利結束，預計接替開通的閥組重新關斷，發(fā)生倒換相的現象。換相失敗可以由換流器自身故障如晶閘管擊穿導致、控制脈沖故障引起，也可以由受端交流系統(tǒng)故障導致。換相失敗發(fā)生后，直流側功率短時間內下降為0。換相失敗故障最終由換相失敗保護動作清除：切換控制系統(tǒng)使換流器恢復正常工作;延時重啟換流器恢復正常工作;閉鎖換流極。換相失敗保護出口時間需與交流系統(tǒng)故障清除時間配合。換流器重啟過程需要從系統(tǒng)吸收大量無功。若故障未清除，重啟中再次發(fā)生換相失敗，數次后將閉鎖換流極，切除配套濾波器及適量機組。

1.3有功回退與無功冗余

對于整流側，當整流側閥短路故障或逆變側三相換相失敗發(fā)生后，直流外送功率迅速下降為0，系統(tǒng)通過直流通道外送的有功功率回退向交流系統(tǒng)，對送端系統(tǒng)造成沖擊。換相失敗發(fā)生后，整流器消耗的無功功率下降為0，未切除的配套濾波器造成系統(tǒng)無功功率冗余，引起送端系統(tǒng)暫態(tài)過電壓。若送端系統(tǒng)由于暫態(tài)壓升過高引發(fā)機組無序脫網，可能導致連鎖故障，從而導致系統(tǒng)失穩(wěn)。

2、直流系統(tǒng)故障對電網運行方面的影響

目前，國內外已就直接通信系統(tǒng)故障對電網運行的影響進行了分析研究。相關文獻指出，高壓直流轉換失敗可能會影響通信線路的保護，在直流運輸系統(tǒng)靜態(tài)影響特性仿真分析過程中，也發(fā)現了常見故障時的暫態(tài)響應特性。其中，轉換失敗是電網運行異常的狀態(tài)，特別是在介質交換系統(tǒng)薄弱的情況下。直流側暫態(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)開關可能會誤觸發(fā)。由于青藏電網通信系統(tǒng)與其他地區(qū)相比比較薄弱，很可能導致轉換失敗，嚴重影響供電可靠性。

3、直流投運后新能源消納的挑戰(zhàn)與對策

3.1直流投運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)討論了出站訪問限制。可見直流投入運行后暫態(tài)功率角的穩(wěn)定性問題和暫態(tài)過電壓問題分別對供電中心和同步電網主網之間的交流接入造成了較高和較低的限制，限制了電網的運行靈活性疏散調節(jié)范圍狹窄，限制了電力中心吸收新能源的能力。就陜西電網而言，電網框架引起的電力中心新的能源制約包括兩種形式：（1）整個陜西外部供電通道已滿，整個地區(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，只能通過增加直流電源來實現出站限制。在靖國神社范圍有限的情況下，只要滿足最低啟動要求，單方面增加點火組和增加電源橫截面界限是沒有必要的，必須同時增加直流功率，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）能滿足起動方法限制的電源組（2）直流發(fā)電機。這兩個元素可以重合。根據目前的規(guī)劃數據，陜西—吳直流供電機組58%位于神木地區(qū)。白天新能源擴大期間，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13620MW。其中，景疏散請求與神木地區(qū)疏散請求的比率為1：2?？梢酝ㄟ^直流輸出功率的增加來實現。但是，在實際操作中，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策

外送通道限制來自系統(tǒng)功角暫態(tài)功角穩(wěn)定問題和暫態(tài)過電壓問題。當前，陜西電網具備根據系統(tǒng)特征變化升級三道防線的條件，提高系統(tǒng)應對暫態(tài)功角失穩(wěn)問題的能力;并且已經在陜北交流外送通道中間建設開關站，通過提高陜北電網暫態(tài)穩(wěn)定性，提高新能源消納空間。針對陜西電網的特征，從放寬外送通道限制和減少通道占用2個角度提高新能源消納空間。（1）加快推進交流通道補強工程，對于外送通道限制，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。針對當前網架在陜北地區(qū)的薄弱點，推進補強工程，如陜北-關中第三通道規(guī)劃、建設，能夠有效方框外送通道限制，提升新能源消納空間。（2）調動SVG動態(tài)調節(jié)能力，受電斷面受到系統(tǒng)暫態(tài)過電壓約束，配置動態(tài)無功補償裝置是公認的抑制暫態(tài)壓升的有效手段。在高新能源滲透率地區(qū)通過配套調相機來提高直流外送能力。陜北地區(qū)規(guī)劃火電裝機大、直接通過陜北換流站母線并網，已經為抑制暫態(tài)過電壓提供很好的基礎。如果能夠升級AVC系統(tǒng)，充分調動新能源場站及匯集站的SVG動態(tài)調節(jié)能力，將為抑制暫態(tài)過電壓做出貢獻。當區(qū)域內火電機組開機量Pth不變時，使神木地區(qū)最小開機方式減小，從而降低整個陜北地區(qū)火電對外送通道的占用，提高新能源消納空間。（3）新能源機組耐高壓改造，受電斷面同時受到系統(tǒng)耐壓水平限制。新能源機組耐壓水平是當前約束系統(tǒng)耐壓能力的瓶頸。通過新能源機組及相關設備的耐高壓改造能夠提高系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓耐受能力，受電斷面極限上升，進而減小神木地區(qū)最小開機方式。在放寬外送通道限制的同時降低外送通道占用，提高新能源消納空間。（4）鼓勵火電參與調峰如3.1節(jié)討論，欲提高總外送能力增加直流外送功率，卻導致外送通道占用增加，事與愿違。當直流外送功率為8000MW時，配套火電機組出力占外送需求42.68%。若能通過直流通道將新能源、火電打捆外送，借助市場手段調動火電機組以及受端電網配合調峰的積極性，根據陜西火電機組當前深度調峰能力（平均40%，最低27%）估計，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，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。

結束語

隨著資源的持續(xù)開發(fā)與電網的不斷發(fā)展，特高壓直流投運后送端電力系統(tǒng)運行特性將發(fā)生明顯改變，給地區(qū)新能源消納帶來挑戰(zhàn)。本文在介紹直流系統(tǒng)故障的基礎上，就特高壓直流投運后的暫態(tài)功角穩(wěn)定問題與暫態(tài)過電壓問題進行詳細討論，并通過陜西電網的仿真計算結果說明了陜武直流投運后將約束陜北外送通道上、下限值，降低系統(tǒng)運行的靈活性。最后，針對所提問題討論了提高陜北地區(qū)新能源消納能力的對策。通過推進補強工程、升級AVC系統(tǒng)、調動SVG動態(tài)能力、完成新能源機組耐高壓改造、優(yōu)化陜北火電開機方式、優(yōu)化調度策略、提高新能源預測質量等手段，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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