高壓直流三極輸電技術的應用

高壓直流三極輸電技術的應用

0電纜線路的增容改造隨著經濟的快速發(fā)展，一些運營的通信輸電線無法滿足電網的網架要求，導致輸電壓力的瓶頸效應。我國能源分布及負荷布局不均衡的客觀現(xiàn)實,更加劇了遠距離、大功率電能輸送的迫切需求。交流輸電線路增容的一般措施包括:新建交流輸電線路,改造為緊湊型輸電線路,提高導線最高允許溫度,采用大截面導線,改用耐熱導線以及加裝串補或可控串補(thyristor-controlledseriescompensator,TCSC)裝置。在這些措施中,若新建一條輸電線路,需解決極為困難的輸電線路走廊問題。若利用原路徑將線路拆除重建,不僅工程投資大,且停電時間及工期進度都不能滿足要求;另外這些需提高輸送容量的線路,一般都位于負荷密集地區(qū),其負荷增長速度極快,輸電線路運行的時間一般都不太長,絕大部分鐵塔、絕緣子、金具尚可二次利用,拆除原線路造成的資源浪費過大。對于改造為緊湊型輸電線路、提高導線最高允許溫度、采用大截面導線以及加裝TCSC裝置這幾種增容措施,其共同缺陷是增容效果差,改造后的輸送容量僅為原線路容量的1.2uf07e1.5倍,而且改造難度及成本大。若改建成耐熱導線,雖然能成倍提高輸送功率,但線損大,因此遠距離輸電線路以及長期大容量輸電線路采用耐熱導線不經濟。一般認為提高輸電線路輸送容量的目標是使原線路輸送容量擴大到1.6uf07e2.0倍,同時要求充分利用原線路的鐵塔。高壓直流(HVDC)輸電以其特別適合于遠距離、大容量輸電的獨特優(yōu)勢而在世界范圍內得到廣泛應用,已投運約百項直流工程,我國也已投運20多項直流工程,其中包含世界最高直流電壓等級及最大直流輸送功率的uf0b1800kV特高壓直流輸電工程3項。在遠距離、大容量輸電領域,高壓直流輸電已成為功率控制快速高效、運行維護經驗豐富、設備制造技術成熟、具有經濟優(yōu)勢的首選輸電方案。將交流輸電線路改造為高壓直流輸電線路(簡稱交改直)一直有工程實踐,但改造目的不是增容,而是:1)降低電網短路容量,避免由于短路容量的增加而大規(guī)模更換斷路器,或由于電纜熱極限限制而被迫采取限流措施;2)被聯(lián)電網可保持自己的電能質量而獨立運行,不受聯(lián)網的影響。1997年首次提出高壓直流三極(tripolehighvoltagedirectcurrent,tripoleHVDC)輸電的概念。高壓直流三極輸電技術采用電流調制控制模式,同時利用交流三相導線,只需對線路進行有限改造,可使直流輸送容量提升為原線路容量的1.5uf07e3.0倍。因此高壓直流三極輸電技術是潛在的解決輸電線路輸送容量瓶頸效應的最佳方案之一。本文首先介紹高壓直流三極輸電技術的發(fā)展歷程、系統(tǒng)結構、電流調制原理以及運行方式,詳細分析了高壓直流三極輸電與常規(guī)高壓直流輸電相比的技術優(yōu)勢和經濟特點,最后針對該技術的工程應用提出了需要重點研究的幾個領域。1國外高壓直流三極輸電技術研究現(xiàn)狀高壓直流三極輸電的概念由M.Haeusler、G.Schlayer和G.fitterer于1997年首次提出,發(fā)表于ABB評論(ABBReview)上。由于概念超前,同時沒有工程需求,因此該技術并未引起人們的過多關注。從2005年起,美國電力科學研究院聯(lián)合美國BPA公司、德國西門子公司等機構相繼開展了高壓直流三極輸電技術的理論研究,主要從交直流轉換的經濟性、主電路拓撲結構及工作原理、電流調制理論、輸電特性等方面進行理論分析,并將研究成果通過電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)、國際大電網會議(CIGRE)以及英國電氣工程協(xié)會(IET)等國際電氣工程界知名協(xié)會舉辦的各種會議加以公布,因此取得了空前的宣傳效果,世界各國開始關注高壓直流三極輸電技術。目前,國際上關于高壓直流三極輸電技術的研究工作主要集中在電路結構、電流調制原理、經濟性分析等基礎理論方面。研究熱點包括如何在最大限度保留原線路的基礎上提高高壓直流三極輸電技術的容量,如何構建雙向換流器電路結構,使其容量大、可靠性高,同時控制損耗和造價。美國電科院已研制開發(fā)一套評估軟件,可對不同電壓等級交流輸電線路進行不同交直流轉換方案的輸送容量和經濟性進行評估。當前該技術沒有工程應用,國內只出現(xiàn)一篇該技術的文章。2換流器的組成方式高壓直流三極輸電系統(tǒng)結構如圖1所示。原交流線路的三相導線分別作為高壓直流三極輸電的正極(極1)、負極(極2)和第3極(極3)。其中正、負極與常規(guī)高壓直流輸電的正、負極相同,極3則相當于單極接線方式的高壓直流輸電。因此高壓直流三極輸電系統(tǒng)可視為由一個雙極直流和一個單極直流并聯(lián)組成。三極換流器分別通過各自的換流變壓器(T)并聯(lián)接在同一個換流母線上。兩側換流站分別共用交流濾波器(ACF)、無功補償設備(QC)和交流開關場,按極配置直流開關場以及控制保護系統(tǒng)。因此正、負極線及其對應的12脈動換流器(12p)、換流變壓器、無功補償設備以及控制保護系統(tǒng)已有十分成熟的設備制造和運行維護經驗,不存在技術障礙。極3與正、負極的差別主要在于換流器不同。極3換流器(C3)具備雙向導電性,而正、負極換流器僅能單向導電。為此極3需要特殊設計具有雙向傳輸特性的換流器。極3換流器存在2種可能的組成方式:2組12脈動換流器反并聯(lián)方式和2組換流閥反并聯(lián)方式,對應電路如圖2所示。對于12脈動換流器反并聯(lián)方式,每一組12脈動換流器(12p)具有獨立且相同的電路結構、閥塔布置以及控制保護系統(tǒng)配置,而且與常規(guī)高壓直流輸電的換流器完全相同。對于換流閥反并聯(lián)方式,12個換流閥(VT1uf07eVT12)中的每一個換流閥均包含2組反向連接的換流閥,因此正、反向閥可共用阻尼電路、陽極電抗器、部分門極觸發(fā)系統(tǒng)和閥冷卻系統(tǒng)等設備。因此所用設備更少,經濟性較好。而12脈動換流器反并聯(lián)方式更好地沿襲了常規(guī)換流器的成熟設計理念,控制保護系統(tǒng)的實現(xiàn)更加常態(tài),因此極3換流器宜采用2組12脈動換流器反并聯(lián)的組成方式,至少在高壓直流三極輸電的初始應用階段會如此。3直流電流極性同步改變?yōu)橥瑫r使用3根極線,高壓直流三極輸電采用電流調制控制模式。電流調制原理是:在任意時刻,極1和極2輪流交替輸送直流電流最大值和最小值,極3則配合極1或極2輸送直流返回電流。因此極3又稱為調制極(modulatingpole)。3根極線的電流調制波形如圖3所示。由圖3可見,在一個調制周期TM中,極1和極2的直流電流Id1、Id2分別為直流電流最大值Idmax和最小值Idmin,極性不變;極3流過數(shù)值恒為|Idmax-Idmin|的直流電流,極性發(fā)生1次改變。三極直流電壓數(shù)值恒為額定直流電壓(Ud=1.0pu),但是極1和極2的極性分別保持正極性和負極性,而極3的極性卻與其直流電流極性同步改變。在一個調制周期TM內,取每根極線的平均發(fā)熱量與通以恒定直流電流(1.0pu)的發(fā)熱量相等,則極1和極2導線的熱平衡方程分別如式(1)和式(2)所示:式中t1和t2分別代表極1電流最大值和最小值的運行時間。如果同時希望極3的平均發(fā)熱量與通以恒定直流電流(1.0pu)的發(fā)熱量相等,則極3應滿足:計及極1和極2具有相同的溫升,則t1與t2相等,且存在:聯(lián)立求解式(1)—(4),得:Idmax=1.37pu,Idmin=0.37pu。該結果表明,為保證每根極線的平均發(fā)熱量與通以恒定直流電流(1.0pu)的發(fā)熱量相等,則極3的直流電流平均值Id3應為1.0pu,同時極1和極2的直流電流平均值相等,均為規(guī)定每根極線的額定直流電流IdN=1.0pu,并且每根極線的平均發(fā)熱量與通以IdN的發(fā)熱量相等,則在此電流調制控制模式下,極1和極2的直流電流平均值低于額定值。定義電流調制比M為直流電流最大值與最小值之比,即三極直流電流平均值分別由式(7)和式(8)決定:三極直流輸送總功率為由式(7)—(9)畫出電流調制比M對三極直流電流平均值以及直流輸送總功率的影響波形,如圖4所示。由圖4可知,電流調制比M對高壓直流三極輸電存在以下影響關系:1)M最小為1,此時極1和極2為額定運行狀態(tài),即Id1=Id2=1.0pu、Ud1=Ud2=1.0pu,極3空載。此時高壓直流三極輸電退化為常規(guī)雙極直流輸電,直流輸送總功率Pd3T為原線路額定功率(PN)的1.15倍。2)當M=1.37/0.37=3.73時,極1、極2和極3的直流電流平均值分別為0.87、0.87、1.0pu,三極直流輸送總功率為1.58倍原線路額定功率。3)當M<3.73時,極3電流平均值小于額定值。只有當M>3.73時,極3電流平均值才高于1.0pu。隨著M的增加,極3電流平均值單調增大,極限值為。4)極1和極2的電流平均值不可能高于額定值。隨著M的增加,正、負兩極的電流平均值單調減小,極限值為。5)隨著M的增加,三極直流輸送總功率單調增大,數(shù)值范圍為。4極線控制模式不計功率反送及降壓運行時,高壓直流三極輸電存在4種運行方式:三極、雙極、單極以及雙極與單極并聯(lián)運行方式。其中:1)三極運行方式采用電流調制控制模式,同時使用3根極線,無大地電流。2)雙極運行方式采用常規(guī)定直流電流控制模式。正常運行時,極3作為金屬回線,同樣無大地電流;當極1或極2線路故障時,極3取代故障極線,此時入地電流為不足額定電流1%的雙極不平衡直流電流。3)單極運行方式同樣采用常規(guī)定直流電流控制模式,使用2根極線,其中一根極線作為金屬回線,不存在大地電流。4)雙極與單極并聯(lián)運行方式采用定直流電流控制模式,其中極1和極2按常規(guī)雙極運行,極3為單極大地回線運行方式,因此入地電流很大,等于極3電流。5電力技術的優(yōu)勢和經濟特點5.1交流線路的dn、idn模型設交改直后直流額定電壓和電流繼續(xù)保持原線路的額定值,即UdN=UlN、IdN=IlN。其中UdN、IdN分別為直流極線的額定直流電壓和額定直流電流;UlN、IlN分別為交流輸電線路的額定電壓和電流。交流輸電線路的額定功率為。1直流輸送總功率如果將交流輸電線路改造為常規(guī)高壓直流輸電,即只使用2/3根導線,此時直流輸送總功率為Pd2T=2UdNIdN=1.15PN;如果改造為高壓直流三極輸電,則直流輸送總功率為Pd3T=UdN(2×0.87+1.0)×IdN=1.58PN=1.37Pd2T;如果改造為雙極與單極并聯(lián)直流輸電,直流輸送總功率為Pd3PT=UdN(2×1.0+1.0)×IdN=1.73PN=1.5Pd2T。2直流輸送總功率一般晶閘管具有30min內過載15%的能力。此時,交改雙極直流后,直流輸送總功率為Pd2T=2UdN×1.15IdN=1.32PN;交改三極直流后,直流輸送總功率為Pd3T=UdN(2×0.87+1.0)×1.15IdN=1.82PN=1.37Pd2T;交改雙極與單極并聯(lián)直流后,直流輸送總功率為Pd3PT=UdN(2×1.0+1.0)×1.15IdN=1.99PN=1.5Pd2T。在上述2種過載能力下,不同交改直方案的直流輸送總功率計算結果如表1所示。由表1可見,交改雙極直流時,增容15%uf07e32%,而交改三極直流時,增容58%uf07e82%,即三極直流較雙極直流多輸送37%的功率。因此高壓直流三極輸電的增容效果十分顯著。如果三極直流工作在雙極與單極并聯(lián)運行方式,則增容范圍擴大為73%uf07e99%。直流輸送總功率由雙極直流的1.37倍提高到1.5倍,即較三極運行方式多增容9%。5.2交流直流系統(tǒng)的低冗余特性冗余是指單極停運時直流系統(tǒng)最大輸送功率與額定功率之比。1)如果交改單極直流,直流系統(tǒng)的任何故障都會中斷功率輸送。2)如果交改雙極直流,當一極停運時,利用大地回線還可送出50%的額定功率;如果不允許直流電流入地,則當單極故障來自換流站時,通過0.1uf07e0.2s的換流器旁路開關投入操作,形成單極金屬回線運行方式,使直流功率恢復至50%的額定功率;當單極故障來自極線時,將金屬回線替代故障極線,形成雙極兩端中性點接地運行方式,直流系統(tǒng)可輸出全額功率,但直流系統(tǒng)的停電時間歷時1uf07e2s,這將對兩側交流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產生不利影響。電網越弱,影響越大。此時要求直流系統(tǒng)金屬回線全絕緣,同時直流線路外絕緣水平足夠高,不至于發(fā)生線路閃絡。3)如果交改三極直流,單極停運后仍可送出73%(無過載)或84%(15%過載)的額定功率。由此可見,三極直流較單極直流和常規(guī)雙極直流具有更高的冗余,其輸電可靠性更高、可用率更強。高壓直流三極輸電的高冗余特性還意味著:1)單極停運對直流輸送功率的影響小,仍可送出較多的直流功率,因此有利于兩側交流系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。2)并聯(lián)交流輸電線路在失去一極直流線路時的影響有限,故其有更高的負荷能力,可放寬交流系統(tǒng)的(N-1)限制;3)當與直流并聯(lián)的交流輸電線路退出運行時,直流輸電可承受更多的轉移功率。加之高壓直流輸電的快速可控性,一般只需要0.5uf07e1.0s即可完成直流功率的大幅度改變,因此使交直流系統(tǒng)具有更快速穩(wěn)定的動態(tài)響應。5.3輸電設備投運交改雙極直流時,極3作為金屬回線,也可平時閑置不用,故障時取代故障極線。因此正常運行時,只有2/3的輸電設備投運;交改三極直流時,所有輸電設備同時使用,提高了輸電設備的利用率。5.4直流接地極無電流正常運行時,高壓直流三極輸電采用電流平衡控制,任意時刻三極電流之和為零,因此直流接地極中無電流。故障運行時,無論工作在雙極還是單極運行方式,均同樣無大地電流。因此直流系統(tǒng)不會對變壓器產生直流偏磁的危害。計及測量及控制誤差時,直流接地極中會有少量的諧波電流和暫態(tài)電流,不會產生直流偏磁危害。5.5獨立直流接地極高壓直流三極輸電無論工作在三極、雙極還是單極運行方式,地中均無直流電流,因此可不設直流接地極。如果為鉗制中性點,可考慮只裝設一側直流接地極。在直流接地極選址越來越困難的今天,只設單側接地極具有工程意義。仿真研究表明:雙極直流接地時,有利于抑制換流母線電壓的波動。三極直流的另一個獨特之處是當運行在雙極與單極并聯(lián)運行方式時,可人為控制從而減輕直流電流對陰極接地極的腐蝕。由于極3為雙向換流器,可交替改變該極的入地電流,從而使兩站的直流接地極交替作為陰極,從而延長直流接地極的使用壽命。5.6相互影響的因素由于采用電流調制技術,三極電流的整定值相互影響。此外,三個極的直流電流或數(shù)值或極性隨時間改變,加之運行方式很多,使直流控制尤其是擾動下的暫態(tài)控制變得尤為復雜。5.7線路損壞三極直流的線損是雙極直流的1.5倍,約為每kW多增線損10%。5.8雙極直流系統(tǒng)比較在相同增容效果的條件下,無論哪一種交改直方案,每單位新增容量的改造投資均高于交流增容投資。三極直流相對于對應等級的雙極直流而言,每kW傳輸能力的成本要高一些,原因在于:1)三極直流系統(tǒng)中的極3需要1組額外的換流器;2)為能持續(xù)一定時間的1.37倍負荷,要求相應的散熱器參數(shù)更高,同時晶閘管元件通流能力的參數(shù)也要提高;3)由于設備并不都是全時段處于滿負荷運行,減少了9%的總體設備有用容量。6三極高壓供電的關鍵技術6.1主要道路規(guī)劃6.1.1極直流的電壓等級交改三極直流首先需要確定直流極線的額定容量和電壓等級,進而確定換流器主電路拓撲結構、每個換流閥的晶閘管串聯(lián)數(shù)目、過電壓保護及絕緣配合。交改三極直流的改造原則是:獲得最大的直流輸送功率,同時充分利用原線路鐵塔,盡可能不改造或少改造絕緣子和金具。在交流電的作用下,導線存在集膚效應以及鋼芯的磁滯損耗和渦流損耗,使交流電阻高于直流電阻,因此在同一發(fā)熱水平下,直流電流可以比交流電流略有提高。故極線的額定直流電流可取為原線路額定電流。在此額定直流電流下,極線的長期發(fā)熱小于原線路最高允許溫度。我國規(guī)定一般導線最高允許溫度應不超過70℃,必要時可按不超過80℃考慮。確定極線的直流電壓等級則要復雜得多,需要綜合考慮的因素有:導線對地絕緣、線間絕緣、空氣間隙以及導線表面電場強度。由于直流輸電的“靜電吸塵效應”,直流絕緣子的積污和污閃特性與交流絕緣子有較大不同,由此引起的污穢放電比交流更嚴重。另一方面,直流操作過電壓倍數(shù)小于交流電,因此可適當降低導線對地間隙,進而可以增加絕緣子。文獻研究認為:1)同樣串長的絕緣子,不能承受同樣數(shù)值的直流電壓。2)如果將交流絕緣子更換為串長相同的大爬距直流絕緣子,則一般來說直流電壓可取為交流相電壓峰值。3)導線表面電場強度與所有投入使用的導線電壓及其排列位置有關。以典型230kV水平排列導線為例,最大直流導線表面電場強度出現(xiàn)在邊線上,一般比交流導線表面電場強度約高出5%。如果采用雙極直流方案,當兩根邊線帶電時,最大直流導線表面電場強度較正常運行的交流導線表面電場強度少6%;而當相臨兩根導線帶電時,最大直流導線表面電場強度較正常運行的交流導線表面電場強度少2%。如果將垂直布置的同塔雙回線路改造為三極直流,一般而言較交流值高出15%,如果改造為雙極直流,則最大直流導線表面電場強度較交流值高出約8%。4)相對于345kV及以上電壓等級,230kV及以下電壓等級的絕緣、空氣間隙及導線表面電場強度的裕度更大,因此改造為三極直流具有更好的經濟優(yōu)勢。對于更高電壓等級,如果為使導線表面電場強度低于交流水平或為避免更換絕緣子而降低直流電壓,則如果交改三極直流的直流電壓低于雙極直流電壓的37%,則三極直流的容量優(yōu)勢將不復存在。6.1.2源流閥的固定參數(shù)為減小價格昂貴的晶閘管換流閥的投資,晶閘管幾乎不考慮過載。取晶閘管的額定電流為極線額定電流的1.37倍。6.1.3換流器的改造方案極1和極2換流器的主電路拓撲結構與常規(guī)換流器相同,極3換流器具有雙向導電特性,因此無論采用2組12脈動換流器反并聯(lián)方式還是2組換流閥反并聯(lián)方式,均需要從簡化換流器的主電路拓撲結構、有效降低控制保護系統(tǒng)的復雜性、減少換流器損耗等方面對換流器進行重新設計,應總體上保證系統(tǒng)的經濟性和運行可靠性。6.2管理系統(tǒng)的設計6.2.1導