深度好文 | 张北柔直电网的构建与特性分析

摘要

柔性直流输电技术是继交流输电、常规直流输电之后的新一代输电技术,基于柔性直流输电技术的直流电网是未来电网的重要组成部分。研究了直流电网的定义,基于张北柔性直流电网示范工程,分析了网络拓扑结构、主接线方式和设备配置方案,研究了直流电网低惯性弱阻尼特性,多电力电子设备协调配合难题和器件支撑能力不足的问题,提出了解决方案,为我国直流电网的研究、张北工程建设提供技术支撑。

关键词 :模块化多电平换流器;大规模新能源接入;张北直流电网;构建方案;

0 引言

随着环境问题的突出和能源危机的加剧,风能、太阳能等可再生能源发电得到了突飞猛进的发展。然而,可再生能源发电具有间歇性和随机性特点,电力系统自身消纳能力不足,导致出现了“弃风”、“弃光”等现象,可再生能源集中式开发面临着电网稳定和规模化送出难题[1-2]。

我国可再生能源主要分布于东南沿海和内陆地区,通常采用交流或者常规直流并网。然而,针对偏远地区新能源送出问题,采用交流并网需要将交流主网延伸,建设难度高、设备投资大,远距离输送时同时存在电压稳定与电能质量问题;采用常规直流并网又存在换相失败问题,需要强交流系统支撑,难以适应新能源出力频繁波动特性[3-6]。

柔性直流输电技术是基于IGBT器件和电压源换流器的新一代直流输电技术,与常规直流输电技术相比,具有有功、无功灵活控制,可向无源网络或者弱交流系统供电,不存在换相失败问题,易于扩展为多端直流输电系统和直流电网,系统谐波含量小,不需要配置交流滤波器和无功补偿装置等优点,在清洁能源并网、孤岛供电、城市异步电网互联、海上平台供电等技术领域具有明显优势[7-9]。

基于柔性直流技术的直流电网是未来电网的重要组成部分,它不仅具备了柔性直流输电技术的优点,网络特性还能提高系统供电可靠性,实现大范围、多种形式的清洁能源汇集和互补,提高电网输送能力和可再生能源利用效率,对加快边远地区可再生能源集约开发,推动我国能源结构变革具有重要意义[10]。

2022年冬奥会将在北京-张家口举行,为推进 “绿色奥运”、“低碳奥运”的理念,国家发改委印发《河北省张家口市可再生能源示范区发展规划》。根据规划,张家口地区2020年和2030年可再生能源装机规模将分别达到20 GW和50 GW,外送需求突出。北京地区经济发达,能源需求量大,为满足节能减排要求,需逐步提高外来电比例和可再生能源电量比重。

为解决大规模可再生能源送出问题,国家电网公司在北京、河北建设四端直流电网示范工程,构建直流电网理论体系,突破直流电网关键技术,研制并应用直流电网核心设备,进一步推进我国在直流电网领域原始创新和自主创新,充分利用张家口地区大规模风、光互补特性与抽蓄电站的灵活调峰能力,为京津冀地区提供稳定、可靠的清洁能源,为后续西北部新能源集中开发和规模外送创造条件。

目前对直流电网的研究主要集中在仿真建模[11-12]、控制保护策略[13-14]、潮流计算[15-16]和关键设备[17-20]研制方面,缺少从实际工程角度对柔性直流电网构建方案和运行特性分析。本文依托张北柔性直流电网示范工程,分析直流电网的定义、拓扑结构、主接线方式和设备配置方案,深入研究构建直流电网的难点和关键点,为张北直流电网示范工程建设提供技术支撑。

1 张北柔直电网构建方案

1.1 关于直流电网的定义

目前,国际上关于直流电网的定义还没有统一的说法。根据2011年国际大电网会议(CIGRE)B4-52工作组在《HVDC Grid Feasibility Study》报告中给出的定义,直流电网是换流器直流端互联所构成的网络化结构电网,2014年进一步定义直流电网是包含至少3个换流站和1个由输电线路组成的网孔的直流输电系统。

图1(a)所示的系统只能称为多端直流系统,它从交流系统引出多个换流站,通过多个端对端直流工程连接不同交流系统,网格不具备冗余效应,因此只能称为多端直流。

如果将直流线路相互连接起来,形成“一点对多点”和“多点对一点”网络拓扑结构,即可组成真正的直流电网,如图1(b)所示。每个交流系统通过一个换流站与直流电网连接,换流站之间有多条直流线路通过直流断路器连接,当发生故障时可通过断路器进行选择性切除线路或换流站。

图1 多端直流和直流电网

直流电网是具有“网孔”的输电系统,它具有以下特点：1）换流器之间有多回联络线路;2）直流线路拥有冗余回路,可靠性高,换流站数量少;

3）可以通过DC/DC变换器联接不同电压等级的电网。

构成直流电网的关键设备包括：1）高压大功率VSC换流器;2）高压直流断路器;3）高压DC/DC变换器;4）高压直流电缆及架空线路;5）高压直流限流器。其中高压DC/DC变换器来实现不同电压等级直流电网之间的互联,高压直流断路器用于隔离故障,高压直流限流器用于限制直流电网短路电流。

1.2 张北柔直电网网络拓扑

按照张家口可再生能源发展规划,该地区将建成大型可再生能源基地,已开发和规划开发的装机规模巨大,且拥有风、光、抽蓄等多种典型要素,具备良好的多能互补特性。张家口地区能源消纳量少,但毗邻京津唐负荷中心,是典型的大规模可再生能源开发与外送的场景。根据电源分布和电网发展,张北柔性直流工程总体方案是在河北的康保、张北、丰宁建设3个±535 kV送端柔性直流换流站,张北、康保站汇集张家口地区的风能、光伏新能源;丰宁站与建设中的丰宁抽水蓄能电站相连,通过张北柔性直流工程对张家口地区新能源进行汇集和调节,在北京建设一个±535 kV受端柔性直流换流站,向北京地区供电。

多端柔性直流输电技术是目前较为成熟的直流输电技术,也可以认为是直流电网发展的一个阶段,能够实现多电源供电或多落点供电。如果张北柔性直流工程采用多端柔性直流输电技术,其中任何一个换流站或线路发生故障,则整条线路及连接在这条线路的两侧换流站将全部退出运行,可靠性较低。若将直流传输线在直流侧互相连接起来,组成真正直流电网,可实现任一直流线路故障跳开后的潮流转移,提高输电可靠性。采用环形拓扑结构,可以在送端直接实现可再生能源、抽水蓄能等储能与负荷间的灵活能量交互,可有效实现大规模光伏、风能的昼夜互补,解决大规模可再生能源的系统调峰问题,减小间歇性能源对受端交流电网的扰动冲击,有利于改善清洁能源接入的友好性,提升可再生能源的利用效率。直流电网示范工程能够为未来电网的风、光、储、抽水蓄能一体化运作、功率互补输送起到非常好的技术指导和示范作用。采用环形拓扑结构之后,直流电网内部潮流按照线路阻抗自然分布,通过附加直流电网潮流控制器[21]可使系统潮流分布更加合理,提升系统经济性,降低站间环流对系统造成的影响。

张北柔性直流工程将构建输送大规模风电、光伏、抽蓄等多种能源的四端环形柔性直流电网,拓扑结构如图2所示。结合未来负荷的发展和示范工程应用效果,柔性直流电网可向承德、锡盟等风电、光伏发电基地延伸,进一步扩大可再生能源接入规模和范围,同时消纳范围可进一步延伸至唐山、天津等负荷中心。远期对四端环形柔性直流电网进行扩展,在御道口、蒙西、唐山等可再生能源丰富地区和负荷中心,形成泛京津冀七端直流电网,为多种形式的大规模可再生能源发电的广域互联和送出消纳提供高效传输平台。

图2 张北柔性直流电网示意

张北柔直电网四端换流站采用“手拉手”环形接线方式,系统运行分为3个层次,分别为正极运行层、负极运行层和金属回线运行层。正负极均可以独立运行,相当于2个独立环网,在一极故障时另外一极可以功率转带,提高了系统供电可靠性。通过大地回线与金属回线方案比较,考虑到华北地区接地极选择困难,推荐采用金属回线方案,避免入地电流对周围设施的影响。由于500 kV、3000 A及以上直流电缆正在研发试用,成本过高,而且未来直流电网将应用于远距离、大容量新能源送出,采用高压、大通流能力的直流电缆技术经济性较差,因此张北柔直电网直流线路采用架空输电线路。

1.3 张北柔直电气主接线

柔直换流器主接线方式主要包括双极对称接线方案(也称“真双极”)和单极对称方案(也称“伪双极”)。双极对称接线方案采用2个6桥MMC结构,分别组成正极和负极,两极可以独立运行,中间采用金属回线或接地极形成返回电流通路。这种接线方案的特点是可靠性较高,当一极故障时另外一极可以继续运行;直流极线电压和设备绝缘水平大幅降低。但是,在这种接线方案下,每一极的交流侧联接区在正常运行时都要承受一个带直流偏置的交流电压,提高了变压器及连接区相关设备的制造难度。单极对称接线方案采用单个MMC拓扑结构,在交流侧采用合适的接地装置钳制中性点电位,2条直流极线为对称的正负电位。这种接线方案结构简单,在正常运行时,联接变压器阀侧仅承受正常的交流电压,因此可以采用与普通交流变压器类似的结构,但是变压器容量增大一倍,按照目前确定的输送容量和器件水平,研制运输极其困难。考虑张北柔直电网的可靠性和设备研制难度,换流器推荐采用真双极接线方案。

相对于端对端直流工程,张北柔直电网工程需要研究直流母线接线形式。参照交流母线接线形式,主要有单母线接线、单母线分段、双母线接线和3/2接线4种可能的方案。采用3/2接线配置直流断路器最多,单回母线故障或者检修不会导致任何直流出线停运,可靠性较高,但是可能由于潮流穿越导致直流断路器的最大开断电流超出设备能力,主接线方式如图3(a)所示;对于单母线接线,直流断路器配置数量较少,直流母线故障将导致进出线停运,可靠性较低,主接线方式如图3(b)所示;单母线分段和双母线情况介于以上2种情况之间。考虑到直流断路器造价昂贵且可靠性指标尚不明确,每回直流母线的出线较少,而且直流母线故障概率较低,因此可以采用单母线接线方式,同时在换流器接入直流母线的回路上装设快速开关替代直流断路器,在远期直流出线较多时更换为直流断路器,这种主接线方式称为简化单母线主接线,如图3(c)所示。

图3 直流极母线主接线方式

不同直流母线接线方式下的直流断路器配置数量、故障后对系统的影响如表1所示。采用简化单母线接线,换流器故障时直流母线和直流线路需要短时停运,通过快速开关可以隔离故障换流器,在故障发生后100 ms时间内恢复直流线路运行,对交流电网冲击较小。如果直流母线故障,与之相连的换流器必须闭锁才能隔离故障,无法实现STATCOM运行。从系统年电能损失费用与投资成本对比看,采用简化单母线方案可节约工程投资36亿元。综合比较,考虑直流断路器关断能力和设备投资,张北柔直电网工程中各换流站直流场电气主接线推荐采用简化单母线方案,每站装设4台直流断路器。

表1 不同直流母线接线方式对比

张北柔直电网中性线采用金属回线环形连接,中性母线采用类似完整单母线接线,主接线方式如图4所示。本站每极换流器通过NBS转换开关与直流母线相连,金属回线出线采用MBS转换开关接入母线,在北京站、丰宁站设置站内接地开关。金属回线故障(线路故障)跳开该支路MBS开关,电流转移到其他中性金属回线;换流器侧故障,跳开极线直流断路器,在跳开NBS后隔离;母线故障跳开所有对应支路极线断路器和转换开关。

图4 直流中性母线主接线