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经现场踏勘,500 kV UPFC站选址在500 kV木渎变电站北侧,紧邻500 kV木渎变北侧围墙,拟与木渎变共用该围墙。站址占地面积不到4 hm2,土地性质现为基本农田,工程实施难度较小,如图6所示。同时,示范工程500 kV UPFC的关键设备主要有电压源换流器、串联变压器、晶闸管旁路开关(TBS)、控制保护系统等,在设计过程中均不存在技术上的障碍。
(1)电压源换流器。根据潮流控制需求,示范工程500 kV UPFC换流器额定容量为250 MV˙A,直流电压为±90 kV。2014年投运的舟山多端柔性直流工程换流器最大容量400 MV˙A,直流电压±200 kV[13]。据调研,目前舟山工程已进入稳定运行期,2015年以来换流器一直运行正常。500 kV UPFC换流器在设备制造技术和可靠性上已经有比较好的基础。
(2)串联变压器。500 kV串联变压器制造是UPFC工程应用的难点,其特点为容量小、绝缘水平高、短路电流大。串联变压器的一次侧绕组采用500 kV全绝缘,目前500 kV全绝缘变压器在制造上比较成熟。500 kV串联变压器漏抗小但短路电流耐受能力要求高,经初步估算,本工程所接入的线路在近、远期流过的最大短路电流不超过55 kA,与南京220 kV西环网UPFC工程串联变压器的设计条件(线路短路电流50 kA)接近。因此,通过借鉴南京UPFC工程串联变压器设计的经验,示范工程500 kV串联变的设计和制造不存在障碍。
(3)晶闸管旁路开关。示范工程晶闸管旁路开关(TBS)的额定工作电压暂定为105 kV,该电压等级的晶闸管阀目前在国内制造较为成熟。结合线路最大故障电流和串联变压器变比选择,预估TBS所需要通过的故障电流不超过63 kA,而南京西环网UPFC工程的TBS短路电流通过能力为70 kA/(60 ms),大于本工程的设计水平,因此,通过借鉴南京UPFC工程TBS阀的设计经验,本工程所采用的TBS技术上不存在障碍。
(4)控制保护系统。500 kV UPFC控制保护系统的难点主要有:换流器的多目标协调控制、换流器的平滑启动和停运控制、换流器低调制比运行控制、并联换流器在故障穿越控制和串联侧换流器的故障重启控制、系统调度和运行策略等。在南京西环网UPFC工程经验[14-16]的基础上进一步研究500 kV UPFC控制保护系统技术,针对500 kV UPFC的系统结构的特点以及系统的控制目标,可以得到控制保护装置的配置和上层的控制策略。
2.4 UPFC工程投资成本
苏州南部500 kV UPFC示范工程建设规模如下。
(1)500 kV UPFC配电装置部分:采用3/2接线,500 kV出线7回(至同里变2回、梅里变2回、木渎变3回)。
(2)500 kV UPFC成套设备部分:建设换流器3台,容量3×250 MV˙A;配套建设500 kV联结变压器3台,容量3×300 MV˙A;500 kV断路器5台;±90 kV直流场设备。
(3)500 kV线路部分:同里变—木渎变双线、梅里变—木渎变双线的木渎变电站侧均改接至500 kV UPFC配电装置,新建线路长度约1 km。
(4)配套木渎变、梅里变等500 kV变电站间隔(保护)改造及光通信工程。
苏州南部500 kV UPFC工程投资估算如表1所示,由表1中数据可以看出,苏州南部500 kV UPFC工程总投资约为9.3亿元。
3 技术经济比较
与新增输电通道的方案相比,装设UPFC的方案在满足输电能力需求的前提下,其优势如下:(1)不增加短路电流,避免了系统短路电流越限的问题;(2)能够减少锦苏直流换相失败风险;(3)工程实施具备可行性;(4)投资上优势显著(较新增输电通道减少5.7亿元)。因此,最终选定在木渎变装设UPFC的方案。
苏州南部电网500 kV UPFC示范工程于2016年11月正式开工建设,2017年年底建成投运后,使电网潮流由自然分布转变为智能化灵活控制,在不新建输电通道的前提下,有效解决苏州南部500 kV电网发展中存在的问题,提升苏州南部电网输电能力和安全稳定水平,提高500 kV电网对特高压交直流电网的承接能力和支撑作用。同时,苏州南部电网500 kV UPFC示范工程建成后将成为世界上电压等级最高、容量最大的UPFC工程,将显著提高电网的整体科技含量,对柔性交流输电技术在更高电压等级的应用和推广,能起到很好的示范作用。
4 结语
苏州南部500 kV电网存在直流小方式下供电能力受限、无功支撑不足、直流换相失败风险大及直流双极闭锁后应急拉限电多等问题。对于上述问题,采用常规的线路增容、新增输电通道等方案实施难度较大,技术经济不合理。同时,苏州南部500 kV电网结构在规划期内保持稳定,其影响潮流分布的主要因素—锦苏直流运行方式的季节性变化长期存在。因此,苏州南部电网是应用UPFC等柔性输电技术比较理想的场合。考虑到该地区同时存在潮流控制及无功电压问题,最终决定应用具有潮流和无功电压综合调节能力的UPFC来解决上述问题。
在苏州南部500 kV电网中应用UPFC能够较好地解决苏州南部电网中存在的问题,与常规方案相比,具有较好的经济效益和社会效益。苏州南部电网500 kV UPFC示范工程对于苏州进一步拓展发展空间、节约土地资源、加强电网安全运行具有十分重要的意义。同时,苏州南部UPFC工程的建成投产对在更高电压等级应用UPFC具有示范作用,对柔性交流输电技术在更高电压等级的应用和推广具有积极的意义。
作者:杨林 , 蔡晖 , 汪惟源 , 宋鹏程 , 徐政 , 陈刚 , 窦飞
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