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你应该了解的电力系统新技术(下)

添加时间:2017-02-24 08:37:44  浏览次数: 次  附加1:  【 】  打印  关闭窗口

 

01.柔性直流技术

 

《你应该了解的电力系统新技术》(上)发布后,电小科发现大家对柔性直流技术的兴趣很高,今天就再以工程为背景,说明一下我国的相关技术水平。编者整理了厦门柔性直流的相关介绍材料,以飨读者。


2015年12月17日,厦门±320kV柔性直流输电科技示范工程正式投运,标志着我国全面掌握了高压大容量柔性直流输电关键技术和工程成套能力,实现了柔性直流输电技术领域的国际引领。

 

柔性直流输电技术路线

 

该工程在浙江舟山±200kV柔性直流工程的应用基础上,将电压等级首次提升至±320kV,从伪双极提升至真双极接线。
厦门±320kV柔性直流输电科技示范工程示意图


工程额定电流1600A,输送容量1000MW新建浦园换流站(送端)、鹭岛换流站工程(受端)两座±320kV换流站及±320kV彭厝~湖边柔性直流线路工程,直流线路总长10.7千米,全部为陆缆,采用1800平方毫米大截面绝缘直流电缆敷设,通过厦门翔安海底遂道与两座换流站连接。

柔性直流输电适用场景


厦门柔性直流工程投运后,能够有效增强厦门地区电网网架结构,满足厦门岛内负荷增长需求,还能快速调节岛内电网的无功功率,稳定电网电压,提高电网供电可靠性和稳定运行水平,为厦门经济社会发展提供坚强可靠的电力保障。


厦门柔性直流工程的建成投运,标志着我国全面掌握高压大容量柔性直流输电工程设计、设备制造、工程施工调试、运营等关键技术,具备工程成套能力,对于进一步提高我国直流输电技术水平和电力装备制造水平具有重要意义,为开拓国际柔性直流工程市场奠定了坚实基础,为更高、更大输送容量柔性直流输电工程的建设提供了可复制、可推广的经验。

 

02.调相机技术

 

同步调相机的结构基本上与同步电动机相同,不带机械负载也不带原动机,在需要时向系统快速提供或吸收无功功率。

 

在我国电网发展过程中,如省间联网初期,由于电压等级低、输电距离远(多采用220kV线路远距离输电),系统功角和电压稳定问题突出,通过在受端电网配置调相机来提高系统稳定性。

 

上世纪八十年代以来,500kV电网发展加快,受端电网装机容量快速增加,替代了调相机作用,系统稳定性显著提高。随着调相机设备老化,逐渐退出了电网运行。

 

国外从上世纪五十年代开始有多个国家应用调相机提高系统的稳定性。如瑞典、阿根廷、加拿大、埃及、巴西等国家在大规模水电基地远距离外送的受端变电站加装调相机。法国、日本电网早期使用调相机较多,随着电网网架加强和电源增加,法国调相机没有新的增加。日本东京地区在1987年7月23日发生静态电压崩溃事故后,增加了抽水蓄能、调相机和SVC等动态无功补偿装置。

 

随着我国特高压直流的快速发展、清洁能源的大规模开发、大比例受电地区的集中出现,电网特性发生较大变化,部分地区动态无功储备下降、电压支撑不足的问题愈发突出,电压稳定问题成为大电网安全稳定的主要问题之一。客观要求直流大规模有功输送,必须匹配大规模动态无功,即“大直流输电、强无功支撑”。为提高电网动态无功补偿能力,增加地区电网动态无功储备水平,有效解决电压支撑不足的问题,需要在电网中加装调相机等动态无功设备,提高电网动态无功补偿能力。

 

目前国内的电机设备制造厂商正在积极研制新型调相机,具备大容量(额定容量最大300Mvar)、少维护的特点,同时其瞬时无功输出能力、暂态无功响应速度及过载能力相比传统调相机大大提高,是提升电网运行安全性、满足系统稳定要求的新一代设备。

 

调相机系统组成:

调相机本体、励磁系统、升压变、起动系统、冷却系统、油系统、控制保护系统


调相机技术特点:


 

技术优点


1.具备过载能力且无功输出受系统电压影响小。在强励作用下可短时间内发出超过2倍额定容量的无功,并且对于持续时间较长的故障可提供较强的无功支撑。

2.具备次暂态特性。能够在故障发生瞬间发出/吸收大量瞬时无功,支撑电网电压,抑制直流换相失败/工频过电压等。

3.具备深度进相能力。调相机最大进相能力约为额定容量的2/3。

4.运行稳定性好。调相机基于传统的同步电机技术,设备和控制技术成熟,抗干扰能力强,运行经验丰富。

5.使用寿命长,占地面积小。调相机使用寿命约30年,占地面积约为同容量SVC的1/3。

 



 

技术缺点


1.增加短路电流。故障时调相机将向系统输出短路电流,不适用于短路电流问题突出的电网。

2.旋转设备运维相对复杂,功率损耗不高于1.5%。

3.调相机调节速度要慢于SVC、STATCOM,调相机从正常无功出力至输出最大强励无功功率的时间约1.2s。

 

 

目前国家电网公司规划在多个已投运/在建的特高压直流工程送受端换流站或近区电网,以及北京、西藏地区电网共加装约多台调相机,以满足系统动态无功需求。以华东电网为例,在长三角地区加装12台调相机,可有效地减少多回直流同时换相失败的机率。


03.统一潮流控制器

 

统一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)的概念最早由美国Westinghouse公司的L. Gyugyi在1992年提出,是迄今为止功能最全面的FACTS装置。

 

UPFC由两个(或多个)共用直流部分的电压源换流器分别以并联和串联的方式接入输电系统,可以同时或选择性地控制输电线路的电压、阻抗、相位,实现线路有功、无功潮流控制,并可提供独立可控并联无功补偿。UPFC具有灵活控制系统潮流、提高电网传输能力及改善系统稳定性等多种功能。

 

技术原理:

 

典型的UPFC装置结构如下图所示,由两个背靠背、共用直流母线的电压源换流器构成。其中,换流器1、换流器2对应的换流变压器分别以并联、串联形式接入,有功功率可以在两个换流器之间双向流动,每个换流器的交流输出端都可独立地发出或吸收无功功率。

 

图中,换流器2的功能是通过串联变压器给线路注入幅值和相角均可控的电压向量。通过调整注入电压的幅值、相位,能够实现电压调节、阻抗调节、相角调节等多种功能,可以对线路有功和无功潮流进行独立解耦控制。

 

换流器1的功能是通过公共直流母线提供或吸收换流器2进行潮流控制时与系统交换的有功功率,以维持直流母线电压恒定,保证换流器2正常工作,同时换流器1还能发出或吸收无功,发挥动态无功补偿功能。

 

从结构上看,UPFC是将静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator, SSSC)作为串联电压源、静止同步补偿器(static synchronous compensator, STATCOM)作为并联电流源集成到一起而形成的潮流控制器,但其功能较SCCC、STATCOM更为强大。


其关键在于两者具有公共的直流母线,从而可以实现SCCC与STATCOM间的有功功率交换。UPFC中的SCCC可向系统注入任意幅值和相位的电压,从而实现了线路端电压控制、线路电抗控制、相角控制、自动潮流控制等功能。


工程应用:

 

UPFC装置的成功投运,解决了当地电压支撑不足和输电线路过负荷等问题,为UPFC工程化提供了宝贵的工程运行经验。

 

 

上述UPFC工程的电压源换流器均采用门极可关断晶闸管(gate-turn-off thyristor, GTO)串联、低电平换流桥、变压器多重化拓扑构成,由于GTO阀驱动复杂、损耗大,同时变压器多重化结构复杂、成本高,从而导致换流器结构复杂、可靠性低且维护成本高。

 

随着电力电子器件的不断发展,使得采用新型器件(如绝缘栅双极晶体管,insulated-gate-bipolar transistor, IGBT)构建模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)成为可能。

 

与早期基于GTO器件的电压源换流器相比,基于MMC技术的电压源换流器具有显著的优势:

 

 

技术优点


1.MMC换流器的IGBT器件驱动功率小,损耗低。

2.MMC换流器无需耦合变压器和滤波器,结构简单,可靠性高,占地面积小,成本低且可维护性好。

3.MMC换流器由于其模块化特性,电压、容量等级易于扩展,便于大容量、高电压等级换流器的工程实现。

 

 

因此,国内在开展UPFC成套装置研发时选择采用MMC换流器。

 

2016年11月,世界上电压等级最高、容量最大的UPFC工程——江苏苏州南部电网500kV UPFC示范工程开工建设,标志着我国UPFC技术已较为成熟,具备推广应用的条件。

 

目前,国内已有3个UPFC工程投产或在建:

 

南京220kV西环网UPFC示范工程(220kV/ 180MVA,已投运)

上海蕰藻浜220kV UPFC工程(220kV/ 100MVA,在建)

江苏苏州南部电网500kV UPFC示范工程(500kV/ 750MVA,在建)


江苏苏州南部电网500kV UPFC示范工程示意图


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