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你應該了解的電力系統新技術(下)

添加時間:2017-02-24 08:37:44  瀏覽次數: 次  附加1:  【 】  打印  關閉窗口

 

01.柔性直流技術

 

《你應該了解的電力系統新技術》(上)發布后,電小科發現大家對柔性直流技術的興趣很高,今天就再以工程為背景,說明一下我國的相關技術水平。編者整理了廈門柔性直流的相關介紹材料,以饗讀者。


2015年12月17日,廈門±320kV柔性直流輸電科技示范工程正式投運,標志著我國全面掌握了高壓大容量柔性直流輸電關鍵技術和工程成套能力,實現了柔性直流輸電技術領域的國際引領。

 

柔性直流輸電技術路線

 

該工程在浙江舟山±200kV柔性直流工程的應用基礎上,將電壓等級首次提升至±320kV,從偽雙極提升至真雙極接線。
廈門±320kV柔性直流輸電科技示范工程示意圖


工程額定電流1600A,輸送容量1000MW新建浦園換流站(送端)、鷺島換流站工程(受端)兩座±320kV換流站及±320kV彭厝~湖邊柔性直流線路工程,直流線路總長10.7千米,全部為陸纜,采用1800平方毫米大截面絕緣直流電纜敷設,通過廈門翔安海底遂道與兩座換流站連接。

柔性直流輸電適用場景


廈門柔性直流工程投運后,能夠有效增強廈門地區電網網架結構,滿足廈門島內負荷增長需求,還能快速調節島內電網的無功功率,穩定電網電壓,提高電網供電可靠性和穩定運行水平,為廈門經濟社會發展提供堅強可靠的電力保障。


廈門柔性直流工程的建成投運,標志著我國全面掌握高壓大容量柔性直流輸電工程設計、設備制造、工程施工調試、運營等關鍵技術,具備工程成套能力,對于進一步提高我國直流輸電技術水平和電力裝備制造水平具有重要意義,為開拓國際柔性直流工程市場奠定了堅實基礎,為更高、更大輸送容量柔性直流輸電工程的建設提供了可復制、可推廣的經驗。

 

02.調相機技術

 

同步調相機的結構基本上與同步電動機相同,不帶機械負載也不帶原動機,在需要時向系統快速提供或吸收無功功率。

 

在我國電網發展過程中,如省間聯網初期,由于電壓等級低、輸電距離遠(多采用220kV線路遠距離輸電),系統功角和電壓穩定問題突出,通過在受端電網配置調相機來提高系統穩定性。

 

上世紀八十年代以來,500kV電網發展加快,受端電網裝機容量快速增加,替代了調相機作用,系統穩定性顯著提高。隨著調相機設備老化,逐漸退出了電網運行。

 

國外從上世紀五十年代開始有多個國家應用調相機提高系統的穩定性。如瑞典、阿根廷、加拿大、埃及、巴西等國家在大規模水電基地遠距離外送的受端變電站加裝調相機。法國、日本電網早期使用調相機較多,隨著電網網架加強和電源增加,法國調相機沒有新的增加。日本東京地區在1987年7月23日發生靜態電壓崩潰事故后,增加了抽水蓄能、調相機和SVC等動態無功補償裝置。

 

隨著我國特高壓直流的快速發展、清潔能源的大規模開發、大比例受電地區的集中出現,電網特性發生較大變化,部分地區動態無功儲備下降、電壓支撐不足的問題愈發突出,電壓穩定問題成為大電網安全穩定的主要問題之一。客觀要求直流大規模有功輸送,必須匹配大規模動態無功,即“大直流輸電、強無功支撐”。為提高電網動態無功補償能力,增加地區電網動態無功儲備水平,有效解決電壓支撐不足的問題,需要在電網中加裝調相機等動態無功設備,提高電網動態無功補償能力。

 

目前國內的電機設備制造廠商正在積極研制新型調相機,具備大容量(額定容量最大300Mvar)、少維護的特點,同時其瞬時無功輸出能力、暫態無功響應速度及過載能力相比傳統調相機大大提高,是提升電網運行安全性、滿足系統穩定要求的新一代設備。

 

調相機系統組成:

調相機本體、勵磁系統、升壓變、起動系統、冷卻系統、油系統、控制保護系統


調相機技術特點:


 

技術優點


1.具備過載能力且無功輸出受系統電壓影響小。在強勵作用下可短時間內發出超過2倍額定容量的無功,并且對于持續時間較長的故障可提供較強的無功支撐。

2.具備次暫態特性。能夠在故障發生瞬間發出/吸收大量瞬時無功,支撐電網電壓,抑制直流換相失敗/工頻過電壓等。

3.具備深度進相能力。調相機最大進相能力約為額定容量的2/3。

4.運行穩定性好。調相機基于傳統的同步電機技術,設備和控制技術成熟,抗干擾能力強,運行經驗豐富。

5.使用壽命長,占地面積小。調相機使用壽命約30年,占地面積約為同容量SVC的1/3。

 



 

技術缺點


1.增加短路電流。故障時調相機將向系統輸出短路電流,不適用于短路電流問題突出的電網。

2.旋轉設備運維相對復雜,功率損耗不高于1.5%。

3.調相機調節速度要慢于SVC、STATCOM,調相機從正常無功出力至輸出最大強勵無功功率的時間約1.2s。

 

 

目前國家電網公司規劃在多個已投運/在建的特高壓直流工程送受端換流站或近區電網,以及北京、西藏地區電網共加裝約多臺調相機,以滿足系統動態無功需求。以華東電網為例,在長三角地區加裝12臺調相機,可有效地減少多回直流同時換相失敗的機率。


03.統一潮流控制器

 

統一潮流控制器(unified power flow controller, UPFC)的概念最早由美國Westinghouse公司的L. Gyugyi在1992年提出,是迄今為止功能最全面的FACTS裝置。

 

UPFC由兩個(或多個)共用直流部分的電壓源換流器分別以并聯和串聯的方式接入輸電系統,可以同時或選擇性地控制輸電線路的電壓、阻抗、相位,實現線路有功、無功潮流控制,并可提供獨立可控并聯無功補償。UPFC具有靈活控制系統潮流、提高電網傳輸能力及改善系統穩定性等多種功能。

 

技術原理:

 

典型的UPFC裝置結構如下圖所示,由兩個背靠背、共用直流母線的電壓源換流器構成。其中,換流器1、換流器2對應的換流變壓器分別以并聯、串聯形式接入,有功功率可以在兩個換流器之間雙向流動,每個換流器的交流輸出端都可獨立地發出或吸收無功功率。

 

圖中,換流器2的功能是通過串聯變壓器給線路注入幅值和相角均可控的電壓向量。通過調整注入電壓的幅值、相位,能夠實現電壓調節、阻抗調節、相角調節等多種功能,可以對線路有功和無功潮流進行獨立解耦控制。

 

換流器1的功能是通過公共直流母線提供或吸收換流器2進行潮流控制時與系統交換的有功功率,以維持直流母線電壓恒定,保證換流器2正常工作,同時換流器1還能發出或吸收無功,發揮動態無功補償功能。

 

從結構上看,UPFC是將靜止同步串聯補償器(static synchronous series compensator, SSSC)作為串聯電壓源、靜止同步補償器(static synchronous compensator, STATCOM)作為并聯電流源集成到一起而形成的潮流控制器,但其功能較SCCC、STATCOM更為強大。


其關鍵在于兩者具有公共的直流母線,從而可以實現SCCC與STATCOM間的有功功率交換。UPFC中的SCCC可向系統注入任意幅值和相位的電壓,從而實現了線路端電壓控制、線路電抗控制、相角控制、自動潮流控制等功能。


工程應用:

 

UPFC裝置的成功投運,解決了當地電壓支撐不足和輸電線路過負荷等問題,為UPFC工程化提供了寶貴的工程運行經驗。

 

 

上述UPFC工程的電壓源換流器均采用門極可關斷晶閘管(gate-turn-off thyristor, GTO)串聯、低電平換流橋、變壓器多重化拓撲構成,由于GTO閥驅動復雜、損耗大,同時變壓器多重化結構復雜、成本高,從而導致換流器結構復雜、可靠性低且維護成本高。

 

隨著電力電子器件的不斷發展,使得采用新型器件(如絕緣柵雙極晶體管,insulated-gate-bipolar transistor, IGBT)構建模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)成為可能。

 

與早期基于GTO器件的電壓源換流器相比,基于MMC技術的電壓源換流器具有顯著的優勢:

 

 

技術優點


1.MMC換流器的IGBT器件驅動功率小,損耗低。

2.MMC換流器無需耦合變壓器和濾波器,結構簡單,可靠性高,占地面積小,成本低且可維護性好。

3.MMC換流器由于其模塊化特性,電壓、容量等級易于擴展,便于大容量、高電壓等級換流器的工程實現。

 

 

因此,國內在開展UPFC成套裝置研發時選擇采用MMC換流器。

 

2016年11月,世界上電壓等級最高、容量最大的UPFC工程——江蘇蘇州南部電網500kV UPFC示范工程開工建設,標志著我國UPFC技術已較為成熟,具備推廣應用的條件。

 

目前,國內已有3個UPFC工程投產或在建:

 

南京220kV西環網UPFC示范工程(220kV/ 180MVA,已投運)

上海蕰藻浜220kV UPFC工程(220kV/ 100MVA,在建)

江蘇蘇州南部電網500kV UPFC示范工程(500kV/ 750MVA,在建)


江蘇蘇州南部電網500kV UPFC示范工程示意圖


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