剖析高压直流输电的技术研发

第43届国际大电网会议(CIGRE)于2010年8月22日至27日在法国巴黎召开。高压直流输电和电力电子技术委员会(SCB4)是CIGRE中的16个技术委员会之一[1],其工作范围覆盖了高压直流输电和电力电子技术研究的所有方面,包括:高压直流输电技术;交流输配电系统和电能质量改进方面的电力电子技术;先进电力电子技术在电力工业各个领域中的应用;等等。SCB4的研究范围还包括所有与电力电子技术相关的电力行业,同时也包括了与这些技术有关的经济和环境方面的课题[2]。本次会议中SCB4主要就3个方面的主题展开讨论:①高压直流输电和灵活交流输电(FACTS)技术的发展,包括±800kV及以上电压等级直流输电工程、多端直流网络、基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)的新型拓扑、使用直流输电和FACTS技术提高系统容量和运行效率等;②现有高压直流输电和FACTS工程运行经验和新的工程,包括通过陆地或海底电缆实现电网互联、原有交流网络中嵌入直流输电和FACTS技术、可再生能源利用等;③高压直流输电和FACTS工程讨论,包括直流输电和FACTS工程的环境问题(如视觉污染、大地回流、可听噪声污染和电磁干扰等),含直流输电的系统特性、运行规程,直流输电工程的建设许可、工程投资、技术风险分析等。本次大会SCB4共评选出26篇文章[3]。这些论文的内容涵盖VSC-HVDC和电力电子技术及其应用中的最新发展,±800kV系统的运行经验、远景项目的规划和遇到的挑战等问题。其中,有些论文的内容并不局限于某一推荐课题,还讨论了其他推荐主题的相关内容。本文重点介绍SCB4大会及其文章中讨论的直流输电和电力电子技术中的一些热门问题。

1高压直流输电和FACTS技术的发展

1.1±800kV及以上电压等级特高压直流输电技术

中国专家介绍了向家坝—上海±800kV特高压直流输电工程的最新进展,本工程于2009年12月通过了单线运行试验。专家阐述了已通过长期运行试验验证的向家坝—上海工程中对于±800kV特高压直流输电系统所获得的运行经验,并重点介绍了换流变压器、穿墙套管及外绝缘。印度专家介绍了NER/ER-NR/WR互联工程,该工程用于将水电机组发出的电能输送至印度东北部的主要负荷中心。通过位于Assam州和WestBengal州的2个整流站,使用1条1728km的直流线路将电能送至新德里附近的Agra逆变站,从而构成一个多端直流输电系统。专家重点介绍了多端直流输电结构的运行和控制策略,例如:并联运行、正常和保护解列运行、直流线路故障清除、不同换流站之间的协调配合,以及系统的故障处理措施等。与会专家还介绍了±1000kV及以上电压等级直流输电系统的技术可行性和研究开发需求,其主要观点包括:1000kV特高压直流输电系统在传输容量超过7000MW、输电距离超过1500km时才能体现出经济优势;南桥—广东和向家坝—上海2条±800kV输电线路的运行记录应该作为开发±1000kV设备和新的工程是否选用±1000kV电压等级的重要参考资料;研发±1000kV换流站设备存在的主要挑战包括绝缘问题、直流套管设计、开关设备和支撑绝缘子等;为减小工程投资,在设计直流架空线和杆塔时应认真考虑现有±800kV系统在电磁场、可听噪声、无线电干扰、闪络特性等方面的设计与运行经验。

1.2基于新型拓扑结构的VSC-HVDC系统

世界上首个基于模块化多电平换流器(MMC)的直流输电工程———TransBay工程,用于从匹兹堡向旧金山市提供电力,其额定参数为400MW/±200kV。由于具有电压支撑能力,工程的投运将使得旧金山市电网的运行稳定性得以提高。专家介绍了MMC拓扑的基本原理、不平衡工况及故障下的交流系统运行特性,以及基于MMC的直流输电系统的接地和换流站布局设计方案。有专家介绍了适用于FACTS的MMC的特性和优点,并讨论了适用于VSC-HVDC的多种MMC拓扑。其中包括级联两电平换流器,其基本结构与普通MMC相同,但桥臂上的每个子模块均由串联的压装式绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成,开关频率为150Hz。专家认为使用此拓扑可以将每个换流器的损耗通过协调控制降低1%左右。有学者提出了一种用于电压源换相系统的新型换流器拓扑,由串联半导体器件构成的阀与MMC共同组成。混合拓扑的基本思路是充分利用两电平换流器和MMC结构各自的优点,其中,两电平换流器承担主要的能量传输功能,MMC提供必要的交流输出波形。这种混合结构的一个主要优势在于只需要较少的MMC子模块,因此每个换流器的体积和重量都可以大大减小,有利于实际工程的应用。

1.3多端高压直流输电网络

魁北克水电局的专家作了一个关于从魁北克到新英格兰之间的多端直流输电系统运行经验的介绍。此系统目前大约有40%~50%的时间运行在多端模式下。工程为包含多个换流器的直流电网的运行和保护提供了丰富的经验,也是直流输电系统应用的一个良好拓展。专家认为,有迫切需要时,直流断路器会得到非常快的发展。同时,需要确定一个直流电压的标准以避免直流电网中含有过多等级的电压。因此,对于如何建立较大的直流电网还需要完成大量的工作。根据电压源换相直流输电网络的潮流控制需求,阿根廷学者提出了一种可行的控制方案。该方案采用有差调节控制策略,这种控制策略与交流频率控制比较类似。专家提出了有功平衡控制和稳态潮流计算的基本原则,同时还指出直流电压是多端直流输电系统功率平衡的一个重要指标。通过案例分析,得出高压直流输电网络中采用直流电压控制的换流站对与其相连的交流系统影响较大,因此,在大规模直流输电系统(如高压直流网络)中,新型潮流控制策略的设计对系统的稳定运行十分重要。

1.4利用FACTS技术提高系统输送能力

利用FACTS技术提高系统运行效率的典型实例为挪威ViklandetTunnsjφdal静止无功补偿器(SVC)工程。该工程于2008年安装完成,用于增加送往挪威中部地区的功率,使用了2台±250MvarSVC装置和9台100Mvar并联电容器组。挪威学者介绍了该工程的设计、建设和第1年的运行经验,以及主要设计参数、SVC阀、控制和保护系统。同时对工程中应用的特殊技术也进行了介绍,包括功率振荡阻尼和环境污染保护系统等。静止同步串联补偿器(SSSC)在西班牙已得到实际应用。相关专家介绍了电网对功率控制系统的需求,特别是用来缓解过载对电网带来的危害,同时说明了在SSSC的规格和相关设计中都必须考虑到系统参数。该工程的额定容量为47MVA,可以满足其所连接的340MVA线路的控制要求,并且在前期研究论证阶段已通过潮流和短路电流的仿真分析验证了设计的正确性。

2高压直流输电和FACTS工程的运行经验及新工程

2.1通过陆地或海底电缆实现电网互联

罗慕洛项目是一条连接着西班牙半岛和马略卡岛的长达243km的海底高压直流输电线路,是西班牙单个项目投资最高、世界上海底深度最大(1485m)的第2大电缆系统,也是西班牙计划建设的第1条高压直流输电线路,计划于2011年投入运行。工程采用金属回线,其传输容量为2×200MW,直流电压为250kV。另一个互联工程位于巴西西部,在里约马代拉河的水电站与圣保罗附近的负荷中心之间计划建立2条3150MW/±600kV的直流连接线路。该工程的一个突出特点是采用了2个不同供货方提供的大容量换流器,而且彼此在同一个接入点连接到500kV的交流母线上,因此,在前期系统分析中需要从无功交换、谐波、控制特性等方面验证2个换流站彼此之间不会产生不利影响,且需保证2个换流站在同时运行时其控制不能相互影响和干扰,在任何工况下都能够稳定运行。

2.2在交流网络中增加FACTS

有专家介绍了在配电系统中使用的有源滤波器的拓扑结构比较,以及这种装置的一种应用。因为直流输电和FACTS设备产生的大量谐波,以及系统中现有电容带来的谐振,都会导致滤波器需求的增加。专家对于滤波装置的拓扑结构和特性进行了描述,并给出了相应的解释。2009年初,在芬兰的400kV输电系统中安装了+200Mvar/-240Mvar的SVC。该SVC的主要目的是在从芬兰南部向北部甚至更远的瑞典传输较大功率的情况下,有效衰减区域间的机电振荡。因此,该SVC在输出情况下的功率振荡阻尼控制仅采用了有功控制模式,以确保系统严重故障引起大幅度区域间振荡时可用的无功容量。Joetsu热电厂属于日本关中电力公司,主要为日本中部地区提供电力。距离该厂最近的500kV主环网约300km,在重负荷条件下单相故障可能会导致电厂从系统中失步,且线路故障还会引起过电压,故有必要安装静止同步补偿器(STATCOM)以解决稳定性问题和过压问题,为此,关中电力公司计划在2013年配备450MVA的STATCOM。

2.3可再生能源应用

对于水电是否是一种可再生能源,一直有人存在着疑问。对于工程人员来说其作为可再生能源是显而易见的,但是对于部分政府人员和公众来说这个答案则不是那么容易接受的。巴西、印度和中国的电力能源发展严重依赖于水电(正在规划的有22GW)。为了充分利用这些能源,采用直流输电是一个重要的技术手段。在过去10年间风电技术的发展使得大量的风电场接入电网,并且其容量还在持续增加。在保证电力系统的安全可靠以及供电质量的前提下,将风电接入电网存在诸多的挑战,而电力电子技术的发展已经成为解决这些问题的关键。目前的电力电子技术已经使得风电的安全性、可靠性和灵活性不低于任何现有其他类型的发电方式。有学者介绍了澳大利亚和新西兰风力发电的发展情况,澳大利亚和新西兰可能是世界上风电接入电网比例最高的地区,其使用FACTS装置将风电场接入电网,其中涉及到在电网连接点的SVC和STATCOM、少量小型静止无功补偿涡轮发电机、双馈感应电机和连接发电机的交—直—交转换等相关技术。关于非可计划性能源(如风力发电和光伏发电)对于系统稳定性和电压控制的影响也进行了讨论。丹麦的经验表明了风电场可以为交流系统提供惯性控制,以及有功和无功功率控制。但是,在2006年的欧洲大停电事故中,相对较小的功率(大约7GW)却导致了大规模(17GW)的甩负荷问题。因此,对于将可再生能源作为常规能源来使用,还需要一个很长的过程。

3高压直流输电和FACTS工程技术问题

3.1工程的视觉污染、接地电流、可听噪声、电磁干扰等环境问题

随着环境保护要求的日益提高,电力工程设施对于其周围环境的影响也越来越受到关注。接地电流和电磁干扰等问题已经得到了较多的重视并有了良好的解决方案。而各种电力设备所产生的噪声对周边群众日常生活的影响,以及工程设备和建筑与周围环境协调的问题,目前也逐渐受到重视。通过在建筑内使用各种吸音材料和在设备周围布置隔音屏蔽等措施来对噪声进行抑制,已经取得了良好的成效。而在工程设计时充分考虑工程建筑与周围环境的视觉协调设计,并对工程设备进行必要的遮挡,是解决视觉污染问题的有效措施。卡普里维高压直流输电联网工程提供了从纳米比亚到赞比亚电网之间的输电走廊。该工程使得纳米比亚电网能从水电资源丰富的国家得到充足的电力供应。目前,该工程已经在单极模式下使用金属物回路和大地回路进行了试验,针对未来的双极扩展也已开展了可行性研究。对于使用大地回路的方案在不同运行模式下进行论证,需要综合考虑地表特征、地下金属结构物、输电走廊内地下构造等多方面因素。有学者对SCB4文章中相关但不经常涉及的方面进行了深入的探讨,如考虑土壤电气和热应力特性及土壤深度而进行的接地极选址研究、用来评估选址结论的不同调查结论,以及接地极对环境的影响等。从而指导直流输电换流站址选择、地理位置调查、接口的影响和接地极的设计,同时还给出了工程特征和应用情况概述。

3.2含高压直流输电的交流系统特性

有关专家对于使用电压源换相直流输电进行电网互联和可再生能源发电接入问题进行了研究,并主张在控制中引入直流电压斜率控制。这种控制方式是对交流系统中发电机间功率分配技术的延伸,同时在处理不同干扰和功能边界时进行了改进。提出采用闭环直流电压控制与直流弯曲特性联合的方式进行直流电网管理,以确保系统操作的平滑控制并在不同换流站间合理分配,同时采用多端直流输电系统进行近海输电网络支撑来提供动态频率控制和功率振荡阻尼。在多馈入直流输电系统的相互影响强度指数方面,专家解决了中国南部电网多馈入的相互影响问题。目前该区域内已有4条完全投入运行的高压直流输电线路,第5条高压直流输电线路也已经在试运行。目前,已经对相互影响指数进行了评估,并正在提出一个新的指数。

3.3工程方案选择、监管、许可、资金和技术风险问题

有学者针对日本北海道—本州岛的直流输电线路,介绍了满足电力系统运行需要的控制方法及运行特性,提出了增加直流输电系统灵活性的方法,以便使系统在功率降至0.1(标幺值)以下时仍能正常运行。这种方法在零功率附近避免了多次极性翻转并减小了电缆的绝缘应力。该学者认为这些技术同样可以应用于任何一个直流输电工程。巴西学者介绍了马德拉群岛直流输电系统的设计及其实现的过程,其连接了圣•安东尼奥和吉拉乌水电站。在考虑稳态运行、动态性能和经济评估的基础之上,设计人员对多种不同的输电方案进行了可行性研究,最终提出了直流输电方式、混合型输电方式和交流输电方式3种方案。直流输电方式由2个双极直流输电和2个局部负载连接背靠背系统组成;混合型输电方式由1条直流线路和2条500kV交流线路组成;交流输电方式则选择了3条相并联的750kV交流线路。在经过深入分析之后,最终交、直流混合型输电方案因报价低在投标过程中胜出。从这个过程中可以看到,马德拉工程的确定方式是由经济、技术和在其他事项上具有影响力的因素综合决定的。

4结语

高压直流输电和新型电力电子技术的发展及其应用仍然是今年CIGRE的热门主题,重点讨论的对象包括±800kV及以上电压等级特高压直流输电技术、多端直流网络、现有直流输电及FACTS工程运行经验及相关工程关键技术;而对于MMC在高压直流输电、FACTS和新能源并网等方面的应用,专家们给予了较多的关注;同时,对于高压直流输电及FACTS工程的选址、工程技术风险分析等方面,专家们也进行了热烈的讨论。