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灵活调控电网潮流 挖掘现有供电能力

北极星输配电网  来源:国家电网报  作者:尉志勇 陆振纲  2021/2/23 10:07:46  我要投稿  

北极星输配电网讯:据国际大电网委员会统计,21世纪前20年间,全球13次大停电中有12次由潮流失控引起。为解决电网潮流调节难题,我国研发应用了静止同步串联补偿器,可实现灵活调控电网潮流,挖掘现有供电能力。

潮流是表征电网运行的核心指标。我国已建成世界上规模最大、结构最复杂的交直流混合电网,对优化潮流分布、精准控制局部潮流增减有迫切的需求。

静止同步串联补偿器(Static Synonous Series Compensator,简称SSSC)是优化电网潮流分布的利器。SSSC成本低、占地小、功能灵活,适用于局部电网潮流分配不均、输送能力受限、新建输电走廊难度大等情形,尤其可为城市电网潮流控制提供经济高效的技术手段。

电网发展面临潮流调控难题

电网中能量的分布和流向被称为潮流。目前,电力系统“能量流”的流动是由线路阻抗的自然分布决定的。也就是说,对于固定的网架,我们很难控制能量的分配并对其进行优化。潮流控制直接关系电网安全高效运行。据国际大电网委员会统计,21世纪前20年间,全球13次大停电中有12次由潮流失控引起。

我国电网规模和复杂程度已达世界之最,潮流控制问题尤为突出。潮流按阻抗自然分布,轻重不均现象普遍存在。局部潮流重载会在电网中形成“短板效应”,限制整体供电能力的发挥,降低电网利用效率。受土地、环境等因素制约,通过新建线路解决局部潮流重载问题代价高昂,且在城市电网中难以实现。而城市电网密集复杂,部分线路和变压器重载现象更为突出。

随着我国能源转型的推进,负荷中心的供电越来越依靠区外来电。发电侧调节、负荷侧限制等现有潮流控制手段速度慢、灵活性差,作用有限。潮流分布不均成为我国电网面临的技术难题。开展基于柔性交流输电装置的潮流优化控制研究与应用,从而充分挖掘现有电网的供电能力,既是当前需求,也是未来发展需要。

SSSC优化电网潮流分布效率更高

目前,优化电网潮流分布一般会应用什么设备?这些设备各有什么特点?

可控串联电容补偿器为串联容性补偿,可单方向提升潮流。统一潮流控制器(UPFC)兼顾电压和潮流调节双重目标,需采用串、并双换流器结构,换流阀采用模块化多电平换流器(MMC)拓扑,电气结构复杂,换流模块数和连接电抗器数量多,占地面积较大。SSSC则具有限制和提升潮流的双向调节功能。

SSSC基于电压源换流器技术,通过向线路注入可控电压,动态改变线路等效阻抗,使线路的潮流由自然分布变为灵活受控,从而实现对线路和临近电网的潮流重新分配与优化。打个比方,SSSC相当于输电线路中的“红绿灯”,可以有选择地疏导电力潮流,保障电网安全高效运行。自20世纪80年代被业界提出至今,SSSC一直是电力电子领域的研究热点和攻关重点。

作为一种串联型灵活交流输电设备,SSSC无需并联电压支撑和公共直流系统。与其他潮流控制技术相比,其造价和占地面积可降低60%,损耗可减少50%。

2018年,该技术在天津220千伏石各庄变电站示范应用。220千伏石各庄变电站所在的天津西部分区电网属于典型的城市电网,负荷增长迅速,输电线路走廊用地稀缺,新建线路及变电站困难,亟须采用新技术突破供电能力瓶颈。

220千伏石各庄变电站应用的SSSC装置容量±3万千伏安,具有输电线路及输电断面功率均衡、限流等灵活调节功能,解决了高场—石各庄双线潮流分布不均、电力输送能力受限的问题,将断面输送能力从76万千瓦提高至96万千瓦,增加南蔡—北郊供电分区内10%的供电能力,提高了系统安全稳定裕度。

创新攻关填补技术空白

在我国开展SSSC研发之初,国际上仅开展了相关理论研究。SSSC无并联换流器提供电源支撑,在主电路拓扑、系统潮流控制、故障电流耐受与过电压防护等方面的研发难度大。

主电路拓扑方面:SSSC与UPFC相比,没有并联侧的电压支撑,需要解决装置启动运行的难题,满足自励启动需求且进一步降低换流阀造价是研发的难点。

潮流控制方面:装置与线路交互的有功/无功功率相互强耦合,需解决强耦合带来的潮流快速动态控制难题。

故障电流耐受方面:作为串联型设备,耐受故障电流的能力决定了装置运行的可靠性。如何提升器件短时大电流耐受和故障电流快速转移能力、避免直流电容器因过电压击穿换流阀是研发难点之一。

过电压防护方面:SSSC直接串入线路,线路上的雷电等各类过电压会经串联变压器传递到换流阀,SSSC过电压防护技术也是一项难题。

全球能源互联网研究院有限公司聚焦潮流调控技术难题开展攻关,完成了SSSC基础理论、关键技术研究和样机研制,并实现了成果转化和工程示范应用。依托公司重点科技项目,联研院在换流阀研制、运行控制、安全防护、工程应用4个方面取得了一系列创新成果。

经济高效的主电路结构:提出无源阻抗与有源换流器串联的混合拓扑,显著降低换流阀容量,且兼具故障电流限制功能;创新换流阀模块电路结构,研制自励链式换流阀,实现装置自励启动、独立运行,和模块化多电平换流器(MMC)相比,换流阀模块数和电抗器数均减少50%。

快速稳定的控制系统:提出实时归一化电流锁相与注入电压前馈加速的控制方法,攻克电流同步坐标系下潮流解耦控制技术,并研制成套控制系统,大幅提升了潮流动态控制性能。

“皮实”的换流阀:研发绝缘栅双极型晶体管(IGBT)过电流软关断、换流模块防开路、换流阀电流快速转移的过电流三重防护技术,器件、换流模块、换流阀耐受能力逐级提升,过电流耐受能力达27千安/100毫秒,较同类潮流控制技术提升近10倍。

“抗压”的成套装置:串联变压器高压绕组端部电场优化技术和梯级绝缘配合方法保障了装置过电压防护的完整性;等电位无冲击接入及区域潮流优化调控方法解决了工程接入与调控难题。

SSSC在天津220千伏石各庄变电站的应用,为我国电网潮流控制、安全可靠运行提供了新的技术手段,进一步推动了柔性输电领域的技术创新,带动了电网技术和装备制造产业技术升级,为柔性输电技术和重大装备“走出去”创造了条件。

此后,SSSC还将在江苏、浙江等地的负荷中心区域推广,解决城市电网潮流控制问题;在西部、北部清洁能源外送通道应用,解决大规模清洁能源外送通道潮流重载和宽频振荡问题。

(作者单位:全球能源互联网研究院有限公司)

原标题:灵活调控电网潮流,挖掘现有供电能力

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