特高壓直流調(diào)峰運(yùn)行功率調(diào)節(jié)范圍評估

李 軍 俞 翔 劉心旸 劉孝輝 張國華

特高壓直流調(diào)峰運(yùn)行功率調(diào)節(jié)范圍評估

李 軍1俞 翔2劉心旸1劉孝輝1張國華1

（1. 國家電網(wǎng)有限公司直流技術(shù)中心，北京 100052； 2. 南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，南京 211102）

隨著新能源裝機(jī)占比的提高和火電裝機(jī)占比的下降，電力系統(tǒng)調(diào)峰面臨較大壓力，利用特高壓直流較強(qiáng)的功率調(diào)節(jié)能力為電網(wǎng)提供調(diào)峰資源具備一定的可行性，但是調(diào)峰運(yùn)行時直流功率的靈活調(diào)節(jié)會導(dǎo)致有載分接開關(guān)和交流濾波器頻繁動作從而減少其壽命。本文首先分析特高壓直流輸電系統(tǒng)參與調(diào)峰運(yùn)行的能力和限制因素，分別分析有載分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)與直流功率的關(guān)系，進(jìn)而提出一種確保特高壓直流調(diào)峰運(yùn)行時有載分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)不越限的功率調(diào)節(jié)范圍評估方法。最后，利用實(shí)時數(shù)字仿真儀（RTDS）搭建特高壓直流系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性。

特高壓直流（UHVDC）；調(diào)峰運(yùn)行；有載分接開關(guān)；交流濾波器；功率調(diào)節(jié)范圍

0 引言

建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑[1]。隨著大規(guī)模新能源的接入和火電占比的逐步下降，系統(tǒng)調(diào)峰形勢日益嚴(yán)峻，這主要是由于新能源的出力規(guī)律通常與負(fù)荷相反，呈現(xiàn)反調(diào)峰特性，而火電占比下降意味著調(diào)峰資源緊缺；同時，饋入電網(wǎng)的特高壓直流目前都是按照計(jì)劃運(yùn)行，功率的調(diào)整次數(shù)較少，且易出現(xiàn)“直線”甚至“反調(diào)峰”計(jì)劃，進(jìn)一步加大了電網(wǎng)的調(diào)峰壓力[2-4]。

特高壓直流具有較強(qiáng)的功率調(diào)節(jié)能力，可充分發(fā)揮其調(diào)節(jié)能力為電網(wǎng)提供調(diào)峰資源，具體表現(xiàn)在：①可以利用直流送、受端電網(wǎng)負(fù)荷的錯峰特性，通過調(diào)整直流功率協(xié)調(diào)兩者，以降低最大發(fā)電容量需求；②可以利用直流送端的大規(guī)模水電和火電作為受端電網(wǎng)的調(diào)峰電源；③可以利用直流跟蹤送端電網(wǎng)光伏和風(fēng)電的功率波動，在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)新能源的消納[5-9]。

常規(guī)特高壓直流處于調(diào)峰模式運(yùn)行時，直流功率的變化更加頻繁，從而導(dǎo)致站內(nèi)有載分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)顯著增加（本文所指的交流濾波器包含濾波器和電容器），這將減少有載分接開關(guān)和交流濾波器的壽命，影響特高壓直流的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為解決上述矛盾，一方面需要提升有載分接開關(guān)和交流濾波器開關(guān)動作的可靠性[10-11]，另一方面可以從控制策略入手進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]提出一種有載分接開關(guān)和交流濾波器的協(xié)調(diào)控制策略，可以減少其不必要的動作。文獻(xiàn)[13-14]提出降壓、優(yōu)化死區(qū)和同步策略、直流電壓動態(tài)調(diào)控等降低有載分接開關(guān)動作次數(shù)的策略。文獻(xiàn)[15]提出一種調(diào)相機(jī)與特高壓直流換流站交流濾波器的協(xié)調(diào)控制策略，在一定程度上可以減少交流濾波器的投切頻次。

本文在不改變特高壓直流基本控制策略、不增加額外設(shè)備的前提下，分析特高壓直流的調(diào)峰潛力。首先從特高壓直流常規(guī)控制策略出發(fā)，對特高壓直流參與調(diào)峰運(yùn)行的限制因素展開研究，進(jìn)而分析有載分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)與直流功率的關(guān)系，并提出一種確保特高壓直流調(diào)峰運(yùn)行時有載分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)不越限的功率調(diào)節(jié)范圍評估方法。以昌吉—古泉±1 100kV特高壓直流輸電工程（以下簡稱吉泉工程）為參照對象，通過實(shí)時數(shù)字仿真儀（real time digital simulator, RTDS）搭建工程仿真系統(tǒng)驗(yàn)證該方法在工程中的應(yīng)用價值。

1 常規(guī)特高壓直流調(diào)峰能力分析

常規(guī)特高壓直流調(diào)峰能力主要可以從以下幾個方面進(jìn)行分析：①可接受的調(diào)節(jié)速度，即直流運(yùn)行時能以多快的速度跟隨功率指令變化，以適應(yīng)新能源的波動和負(fù)荷的變化；②日內(nèi)可提供的調(diào)峰容量變化范圍；③日內(nèi)可接受的調(diào)節(jié)頻度，即直流能以多高的頻度進(jìn)行調(diào)峰所要求的功率調(diào)節(jié)。

對于①，考慮到特高壓直流可以在150ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.5p.u.的功率階躍，其功率調(diào)節(jié)速度可達(dá)到每分鐘百萬兆瓦，而一般新能源功率波動速率為每分鐘幾十兆瓦[16]，因此在調(diào)節(jié)速度方面，特高壓直流完全可以滿足調(diào)峰需求。

對于②和③，其本質(zhì)可歸結(jié)為直流系統(tǒng)在調(diào)峰運(yùn)行時可以接收的日內(nèi)總功率變化量，圖1為特高壓直流參與調(diào)峰的典型兩階段日功率曲線，分別對應(yīng)兩次功率上升再下降的過程，其功率上升和下降過程的直流功率變化量之和即為日內(nèi)總功率變化量。該變化量的增大主要會導(dǎo)致?lián)Q流站內(nèi)有載分接開關(guān)調(diào)節(jié)次數(shù)和交流濾波器投切次數(shù)的增加，從而降低設(shè)備壽命，影響直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此需分析總功率變化量與有載分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)的關(guān)系，從而得到基于上述設(shè)備動作次數(shù)限制的直流功率調(diào)節(jié)范圍評估方法。

圖1 特高壓直流參與調(diào)峰典型兩階段日功率曲線

2 調(diào)峰運(yùn)行直流功率調(diào)節(jié)范圍評估方法

2.1 基于有載分接開關(guān)動作次數(shù)限制的評估方法

以整流側(cè)有載分接開關(guān)控制觸發(fā)角，逆變側(cè)有載分接開關(guān)控制直流電壓為例（吉泉工程即為此種方式），從簡化計(jì)算角度出發(fā)，令兩端交流電壓均為額定電壓，整流側(cè)和逆變側(cè)的分接開關(guān)檔位和換流器端口直流電流的關(guān)系可統(tǒng)一表示為

基于式（1）和式（2），進(jìn)一步得到整流側(cè)和逆變側(cè)的直流電壓關(guān)系為

設(shè)整流側(cè)觸發(fā)角為15°，逆變側(cè)熄弧角為17°，對整流側(cè)分別聯(lián)立式（1）～式（3），令直流電流在0.1p.u.～1.0p.u.之間變化，則可得到整流側(cè)和逆變側(cè)各換流器檔位cp隨直流電流的變化關(guān)系。以吉泉工程為例，各換流器檔位隨直流電流變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 各換流器檔位隨直流電流變化關(guān)系

2.2 基于交流濾波器動作次數(shù)限制的評估方法

在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時，交流濾波器主要根據(jù)絕對最小濾波器控制、最小濾波器控制和無功控制三種策略進(jìn)行投切。

絕對最小濾波器是為了防止交流濾波器諧波過負(fù)荷而需要投入的最少濾波器組數(shù)，絕對最小濾波器控制保證在任何情況下，該組數(shù)滿足要求。

最小濾波器控制保證為了滿足濾波性能而投入的濾波器組數(shù)滿足要求。

無功控制是為了使換流站和交流系統(tǒng)交互的無功功率在參考值附近而投切濾波器。無功控制具體方法如下：

絕對最小濾波器控制、最小濾波器控制和無功控制的優(yōu)先級為絕對最小濾波器控制＞最小濾波器控制＞無功控制。在直流功率上升的過程中，絕對最小濾波器控制、最小濾波器控制和無功控制均會投入濾波器，在直流功率下降的過程中，僅由無功控制切除濾波器，但也會受到絕對最小濾波器和最小濾波器組數(shù)的限制。此外，對于同種類濾波器，遵循“先投先退，先退先投”原則，從而可使同種類濾波器投切次數(shù)均勻。

當(dāng)以上交流濾波器投切策略確定之后，相應(yīng)工況的各型交流濾波器的投切功率點(diǎn)實(shí)際已大致確定?？赏ㄟ^查閱工程成套設(shè)計(jì)書的絕對最小濾波器和最小濾波器表，以及結(jié)合式（1）、式（3）、式（5）、式（6）確定各型濾波器的投切點(diǎn)，但較為繁瑣。

本文采用更為便捷的方法，即在包含上述交流濾波器控制邏輯的實(shí)際工程仿真系統(tǒng)中模擬功率從最小升至額定再降回最小的過程，記錄各種類濾波器個數(shù)對應(yīng)的功率點(diǎn)，對于升功率過程和降功率過程中記錄的相同濾波器個數(shù)對應(yīng)的功率點(diǎn)，取兩者中的較大值作為最終的功率點(diǎn)，圖3為吉泉直流送端BP11/13型濾波器個數(shù)與直流功率的關(guān)系，對于送、受端其他種類濾波器，也可得到類似關(guān)系圖。

圖3 BP11/13型濾波器個數(shù)與直流功率關(guān)系

2.3 綜合評估方法

綜合2.1節(jié)和2.2節(jié)方法，得到本文所提特高壓直流調(diào)峰運(yùn)行功率調(diào)節(jié)范圍評估方法，即設(shè)定直流運(yùn)行方式、日內(nèi)調(diào)節(jié)頻次和日內(nèi)調(diào)峰運(yùn)行最小功率，分別計(jì)算直流兩端各分接開關(guān)檔位和各種類交流濾波器投切與直流功率的關(guān)系，進(jìn)而分別計(jì)算其對應(yīng)的功率調(diào)節(jié)范圍限制，取其中的最小值作為調(diào)峰運(yùn)行功率調(diào)節(jié)范圍限制。功率調(diào)節(jié)范圍評估方法示意圖如圖4所示。

圖4 功率調(diào)節(jié)范圍評估方法示意圖

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所提方法的正確性和有效性，以吉泉工程為仿真對象，采用實(shí)時數(shù)字仿真系統(tǒng)與控制保護(hù)設(shè)備搭建閉環(huán)仿真系統(tǒng)進(jìn)行測試，控制保護(hù)設(shè)備程序與現(xiàn)場實(shí)際保持一致。具體參數(shù)為：額定功率12 000MW，額定直流電壓1 100kV，額定直流電流5 455A，直流線路電阻為9.41W；整流側(cè)額定空載直流電壓319kV，相對感性壓降為0.1，額定檔位26檔，檔位級差為0.86%；逆變側(cè)為分層接入，高端額定空載直流電壓308.3kV，相對感性壓降為0.11，額定檔位26檔，檔位級差為1.25%；逆變側(cè)低端額定空載直流電壓和相對感性壓降與高端相同，額定檔位21檔，檔位級差為0.65%。整流側(cè)濾波器配置為：5組BP11/13型濾波器+4組HP24/36型濾波器+3組HP3濾波器+8組電容器。逆變側(cè)高端濾波器配置為：8組HP12/24型濾波器+1組HP3濾波器+5組電容器。逆變側(cè)低端濾波器配置為：10組BP12/24型濾波器+2組HP3濾波器。

以最常見的雙極全壓運(yùn)行工況進(jìn)行校核。考慮光伏出力在日間達(dá)到峰值，而風(fēng)電出力在傍晚到夜間達(dá)到峰值，令直流調(diào)峰運(yùn)行時一天功率調(diào)節(jié)次數(shù)為2次，即直流功率波動形式與圖1類似。

首先基于分接開關(guān)動作次數(shù)限制計(jì)算直流功率調(diào)節(jié)范圍，目前常規(guī)特高壓分接頭壽命一般為300 000次/30年，即日均27次，通過計(jì)算對比可知，整流站分接頭隨功率調(diào)節(jié)最為頻繁，約為13.6次/p.u.，故根據(jù)式（4）可得日均直流功率最大調(diào)節(jié)范圍限制約為0.5p.u.。

接著基于交流濾波器動作次數(shù)限制計(jì)算直流功率調(diào)節(jié)范圍，小組交流濾波器投切次數(shù)限制一般為1 000次/年，即日均2.7次。在搭建的仿真系統(tǒng)中通過2.2節(jié)所述方法得到各種類濾波器個數(shù)與直流功率的關(guān)系，并得出在不同調(diào)峰最小功率（0.1p.u.～1.0p.u.）下的功率上調(diào)范圍。綜合以上結(jié)果，吉泉直流基于分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)限制的功率調(diào)節(jié)范圍如圖5所示。

圖5 基于分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)限制的功率調(diào)節(jié)范圍

從圖5可以看出，當(dāng)調(diào)峰最小功率為0.35p.u.和1p.u.時，功率上調(diào)范圍基本為0。后者是因?yàn)檎{(diào)峰最小功率為1p.u.時，已無上調(diào)空間，故功率調(diào)節(jié)范圍為0，屬于正?，F(xiàn)象；而前者是因?yàn)檎{(diào)峰最小功率處于逆變側(cè)高端HP3濾波器的功率投切點(diǎn)，而該種類濾波器僅有一組，沒有其他同類型濾波器分?jǐn)偼肚写螖?shù)，因此從此功率點(diǎn)開始反復(fù)升降功率將導(dǎo)致該HP3濾波器投切次數(shù)越限。綜合來看，逆變側(cè)高端HP3濾波器個數(shù)太少，成為限制直流調(diào)峰能力的最大因素。在制定日前功率曲線時，若功率調(diào)節(jié)需要穿越該濾波器投切點(diǎn)，則建議減少該日的功率調(diào)節(jié)頻次。此外，建議盡量選擇功率上調(diào)范圍大的功率點(diǎn)作為當(dāng)日的起始功率點(diǎn)。

綜上所述，圖5即為本文所提方法應(yīng)用于吉泉直流后得到的功率調(diào)節(jié)范圍評估結(jié)果，在給定直流日內(nèi)調(diào)節(jié)次數(shù)和最小運(yùn)行功率后，根據(jù)圖5即可得到功率調(diào)節(jié)范圍。為驗(yàn)證本文所提方法的有效性，任意選取4個調(diào)峰運(yùn)行最小功率，由圖5得到其對應(yīng)功率上調(diào)范圍，在所搭建的仿真系統(tǒng)中模擬上述直流系統(tǒng)按圖1方式進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，即在功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)完成2次升降，如令調(diào)峰運(yùn)行最小功率為1 300MW，根據(jù)圖5得其功率上調(diào)最大范圍為2 800MW，則在仿真系統(tǒng)中2次模擬功率從1 300MW到4 100MW再到1 300MW的調(diào)節(jié)過程，記錄分接開關(guān)和交流濾波器的動作次數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)均沒有超出限制（分接開關(guān)日均動作次數(shù)限制為27次，交流濾波器日均動作次數(shù)限制為2.7次）。分接開關(guān)和交流濾波器最大動作次數(shù)見表1。

表1 分接開關(guān)和交流濾波器最大動作次數(shù)

4 結(jié)論

本文在不改變特高壓直流常規(guī)控制策略的前提下，基于對有載分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)隨直流功率變化關(guān)系的分析，提出了一種基于有載分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)限制的特高壓直流調(diào)峰運(yùn)行功率調(diào)節(jié)范圍評估方法，通過特高壓工程實(shí)例仿真證明了該方法的可行性和有效性。所提方法得出的直流日均最大功率調(diào)節(jié)范圍可為調(diào)峰運(yùn)行時制定和優(yōu)化日前直流功率曲線提供參考依據(jù)，有利于保障相關(guān)設(shè)備的安全與壽命。后續(xù)將基于本文所提方法進(jìn)一步研究可以減少分接開關(guān)和交流濾波器動作次數(shù)的直流功率曲線優(yōu)化方法。

[1] 舒印彪, 陳國平, 賀靜波, 等. 構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)框架研究[J]. 中國工程科學(xué), 2021, 23(6): 61-69.

[2] 何安明, 趙鑫, 吳立剛, 等. 基于雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域電網(wǎng)新能源消納預(yù)測算法[J]. 電氣技術(shù), 2023, 24(3): 23-30.

[3] 郭懌, 明波, 黃強(qiáng), 等. 考慮輸電功率平穩(wěn)性的水-風(fēng)-光-儲多能互補(bǔ)日前魯棒優(yōu)化調(diào)度[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2023, 38(9): 2350-2363.

[4] 程春田, 勵剛, 程雄, 等. 大規(guī)模特高壓直流水電消納問題及應(yīng)用實(shí)踐[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2015, 35(3): 549-560.

[5] 韓紅衛(wèi), 涂孟夫, 張慧玲, 等. 考慮跨區(qū)直流調(diào)峰的日前發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化方法及分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(16): 138-143.

[6] 鐘海旺, 夏清, 丁茂生, 等. 以直流聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行方式優(yōu)化提升新能源消納能力的新模式[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(3): 36-42.

[7] 王斌, 夏葉, 夏清, 等. 直流跨區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)發(fā)輸電計(jì)劃模型與方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2016, 40(3): 8-13.

[8] 崔楊, 趙玉, 邱麗君, 等. 改善受端電網(wǎng)調(diào)峰裕度的特高壓直流外送風(fēng)火協(xié)調(diào)調(diào)度[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2018, 42(15): 126-132.

[9] 崔楊, 程廣巖, 仲悟之, 等. 計(jì)及受端電網(wǎng)調(diào)峰趨勢的風(fēng)-光-火特高壓直流外送調(diào)度方法[J]. 太陽能學(xué)報, 2021, 42(8): 32-40.

[10] 王紹武, 李鵬, 李金忠, 等. 變壓器真空有載分接開關(guān)研究綜述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2022, 42(18): 6893-6908.

[11] 馬宏忠, 嚴(yán)巖. 基于混沌理論和GOA-K-means算法的有載分接開關(guān)狀態(tài)特征分析計(jì)算方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(7): 1399-1406.

[12] 索之聞, 李暉, 蔣維勇, 等. 考慮離散調(diào)壓設(shè)備動作頻次的高壓直流輸電系統(tǒng)控制優(yōu)化[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(3): 211-219.

[13] 郭賢珊, 李鳳祁, 阮思燁, 等. 高壓直流換流變壓器有載分接開關(guān)控制優(yōu)化[J]. 電力建設(shè), 2021, 42(2): 9-19.

[14] 周曉風(fēng), 付艷, 崔晨, 等. 提高分接開關(guān)可靠性的直流輸電控制策略優(yōu)化[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(9): 54-58.

[15] 孫巍峰, 崔晨, 周曉風(fēng), 等. 調(diào)相機(jī)與特高壓直流換流站交流濾波器的協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(7): 182-187.

[16] 朱藝穎, 董鵬, 謝國平, 等. 適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電外送的特高壓直流協(xié)調(diào)控制實(shí)時仿真研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(7): 1814-1819.

Evaluation of power regulation range for UHVDC to participate in peak load regulation

LI Jun1YU Xiang2LIU Xinyang1LIU Xiaohui1ZHANG Guohua1

(1. DC Technology Center of State Grid Corporation of China, Beijing 100052; 2. NR Engineering Co., Ltd, Nanjing 211102)

With the increase of renewable energy and the decrease of thermal power, the power system is under greater pressure to regulate peak load. It is feasible to utilize the strong power regulation capability of ultra high voltage direct current (UHVDC) to provide peaking resources for the grid. However, the fluctuation of DC power during peak load regulation could lead to frequent operation of the on-load tap changers and the AC filters, which would reduce their life. In this paper, the capability and constraint of the UHVDC to participate in peaking load operation is analyzed. The relationship between DC power and the operation frequency of on-load tap changers or AC filters is analyzed respectively. Moreover, a power regulation range evaluation method is proposed to ensure the operation frequency of the on-load tap changers and AC filters does not exceed their limits during peak load regulation. The real time digital simulation test results verify the feasibility and effectiveness of the method.

ultra high voltage direct current (UHVDC); peak load regulation; on-load tap changer; AC filter; power regulation range

國家電網(wǎng)有限公司直流技術(shù)中心科技項(xiàng)目（SGTYHT/21-JS-223）

2023-09-19

2023-10-07

李 軍（1987—），男，本科，高級工程師，主要從事直流控制保護(hù)和測量裝置研究工作。