周金鑫

摘要：特高壓直流投運對送端電網(wǎng)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(wǎng)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(jù)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(xiàn)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(shù)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(wǎng)，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(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)了常見故障時的暫態(tài)響應特性。其中，轉換失敗是電網(wǎng)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(wǎng)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?？梢娭绷魍度脒\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(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(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(xiàn)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(jù)目前的規(guī)劃數(shù)據(jù)，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。可以通過直流輸出功率的增加來實現(xiàn)。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(wǎng)具備根據(jù)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(jīng)在陜北交流外送通道中間建設開關站，通過提高陜北電網(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(wǎng)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(wǎng)，已經(jīng)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(wǎng)配合調峰的積極性，根據(jù)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(wǎng)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(wǎng)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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