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第43屆國際大電網會議(CIGRE)于2010年8月22日至27日在法國巴黎召開。高壓直流輸電和電力電子技術委員會(SCB4)是CIGRE中的16個技術委員會之一[1],其工作范圍覆蓋了高壓直流輸電和電力電子技術研究的所有方面,包括:高壓直流輸電技術;交流輸配電系統和電能質量改進方面的電力電子技術;先進電力電子技術在電力工業各個領域中的應用;等等。SCB4的研究范圍還包括所有與電力電子技術相關的電力行業,同時也包括了與這些技術有關的經濟和環境方面的課題[2]。本次會議中SCB4主要就3個方面的主題展開討論:①高壓直流輸電和靈活交流輸電(FACTS)技術的發展,包括±800kV及以上電壓等級直流輸電工程、多端直流網絡、基于電壓源換流器的高壓直流輸電(VSC-HVDC)的新型拓撲、使用直流輸電和FACTS技術提高系統容量和運行效率等;②現有高壓直流輸電和FACTS工程運行經驗和新的工程,包括通過陸地或海底電纜實現電網互聯、原有交流網絡中嵌入直流輸電和FACTS技術、可再生能源利用等;③高壓直流輸電和FACTS工程討論,包括直流輸電和FACTS工程的環境問題(如視覺污染、大地回流、可聽噪聲污染和電磁干擾等),含直流輸電的系統特性、運行規程,直流輸電工程的建設許可、工程投資、技術風險分析等。本次大會SCB4共評選出26篇文章[3]。這些論文的內容涵蓋VSC-HVDC和電力電子技術及其應用中的最新發展,±800kV系統的運行經驗、遠景項目的規劃和遇到的挑戰等問題。其中,有些論文的內容并不局限于某一推薦課題,還討論了其他推薦主題的相關內容。本文重點介紹SCB4大會及其文章中討論的直流輸電和電力電子技術中的一些熱門問題。

1高壓直流輸電和FACTS技術的發展

1.1±800kV及以上電壓等級特高壓直流輸電技術

中國專家介紹了向家壩—上海±800kV特高壓直流輸電工程的最新進展,本工程于2009年12月通過了單線運行試驗。專家闡述了已通過長期運行試驗驗證的向家壩—上海工程中對于±800kV特高壓直流輸電系統所獲得的運行經驗,并重點介紹了換流變壓器、穿墻套管及外絕緣。印度專家介紹了NER/ER-NR/WR互聯工程,該工程用于將水電機組發出的電能輸送至印度東北部的主要負荷中心。通過位于Assam州和WestBengal州的2個整流站,使用1條1728km的直流線路將電能送至新德里附近的Agra逆變站,從而構成一個多端直流輸電系統。專家重點介紹了多端直流輸電結構的運行和控制策略,例如:并聯運行、正常和保護解列運行、直流線路故障清除、不同換流站之間的協調配合,以及系統的故障處理措施等。與會專家還介紹了±1000kV及以上電壓等級直流輸電系統的技術可行性和研究開發需求,其主要觀點包括:1000kV特高壓直流輸電系統在傳輸容量超過7000MW、輸電距離超過1500km時才能體現出經濟優勢;南橋—廣東和向家壩—上海2條±800kV輸電線路的運行記錄應該作為開發±1000kV設備和新的工程是否選用±1000kV電壓等級的重要參考資料;研發±1000kV換流站設備存在的主要挑戰包括絕緣問題、直流套管設計、開關設備和支撐絕緣子等;為減小工程投資,在設計直流架空線和桿塔時應認真考慮現有±800kV系統在電磁場、可聽噪聲、無線電干擾、閃絡特性等方面的設計與運行經驗。

1.2基于新型拓撲結構的VSC-HVDC系統

世界上首個基于模塊化多電平換流器(MMC)的直流輸電工程———TransBay工程,用于從匹茲堡向舊金山市提供電力,其額定參數為400MW/±200kV。由于具有電壓支撐能力,工程的投運將使得舊金山市電網的運行穩定性得以提高。專家介紹了MMC拓撲的基本原理、不平衡工況及故障下的交流系統運行特性,以及基于MMC的直流輸電系統的接地和換流站布局設計方案。有專家介紹了適用于FACTS的MMC的特性和優點,并討論了適用于VSC-HVDC的多種MMC拓撲。其中包括級聯兩電平換流器,其基本結構與普通MMC相同,但橋臂上的每個子模塊均由串聯的壓裝式絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構成,開關頻率為150Hz。專家認為使用此拓撲可以將每個換流器的損耗通過協調控制降低1%左右。有學者提出了一種用于電壓源換相系統的新型換流器拓撲,由串聯半導體器件構成的閥與MMC共同組成。混合拓撲的基本思路是充分利用兩電平換流器和MMC結構各自的優點,其中,兩電平換流器承擔主要的能量傳輸功能,MMC提供必要的交流輸出波形。這種混合結構的一個主要優勢在于只需要較少的MMC子模塊,因此每個換流器的體積和重量都可以大大減小,有利于實際工程的應用。

1.3多端高壓直流輸電網絡

魁北克水電局的專家作了一個關于從魁北克到新英格蘭之間的多端直流輸電系統運行經驗的介紹。此系統目前大約有40%~50%的時間運行在多端模式下。工程為包含多個換流器的直流電網的運行和保護提供了豐富的經驗,也是直流輸電系統應用的一個良好拓展。專家認為,有迫切需要時,直流斷路器會得到非常快的發展。同時,需要確定一個直流電壓的標準以避免直流電網中含有過多等級的電壓。因此,對于如何建立較大的直流電網還需要完成大量的工作。根據電壓源換相直流輸電網絡的潮流控制需求,阿根廷學者提出了一種可行的控制方案。該方案采用有差調節控制策略,這種控制策略與交流頻率控制比較類似。專家提出了有功平衡控制和穩態潮流計算的基本原則,同時還指出直流電壓是多端直流輸電系統功率平衡的一個重要指標。通過案例分析,得出高壓直流輸電網絡中采用直流電壓控制的換流站對與其相連的交流系統影響較大,因此,在大規模直流輸電系統(如高壓直流網絡)中,新型潮流控制策略的設計對系統的穩定運行十分重要。

1.4利用FACTS技術提高系統輸送能力

利用FACTS技術提高系統運行效率的典型實例為挪威ViklandetTunnsjφdal靜止無功補償器(SVC)工程。該工程于2008年安裝完成,用于增加送往挪威中部地區的功率,使用了2臺±250MvarSVC裝置和9臺100Mvar并聯電容器組。挪威學者介紹了該工程的設計、建設和第1年的運行經驗,以及主要設計參數、SVC閥、控制和保護系統。同時對工程中應用的特殊技術也進行了介紹,包括功率振蕩阻尼和環境污染保護系統等。靜止同步串聯補償器(SSSC)在西班牙已得到實際應用。相關專家介紹了電網對功率控制系統的需求,特別是用來緩解過載對電網帶來的危害,同時說明了在SSSC的規格和相關設計中都必須考慮到系統參數。該工程的額定容量為47MVA,可以滿足其所連接的340MVA線路的控制要求,并且在前期研究論證階段已通過潮流和短路電流的仿真分析驗證了設計的正確性。

2高壓直流輸電和FACTS工程的運行經驗及新工程

2.1通過陸地或海底電纜實現電網互聯

羅慕洛項目是一條連接著西班牙半島和馬略卡島的長達243km的海底高壓直流輸電線路,是西班牙單個項目投資最高、世界上海底深度最大(1485m)的第2大電纜系統,也是西班牙計劃建設的第1條高壓直流輸電線路,計劃于2011年投入運行。工程采用金屬回線,其傳輸容量為2×200MW,直流電壓為250kV。另一個互聯工程位于巴西西部,在里約馬代拉河的水電站與圣保羅附近的負荷中心之間計劃建立2條3150MW/±600kV的直流連接線路。該工程的一個突出特點是采用了2個不同供貨方提供的大容量換流器,而且彼此在同一個接入點連接到500kV的交流母線上,因此,在前期系統分析中需要從無功交換、諧波、控制特性等方面驗證2個換流站彼此之間不會產生不利影響,且需保證2個換流站在同時運行時其控制不能相互影響和干擾,在任何工況下都能夠穩定運行。

2.2在交流網絡中增加FACTS

有專家介紹了在配電系統中使用的有源濾波器的拓撲結構比較,以及這種裝置的一種應用。因為直流輸電和FACTS設備產生的大量諧波,以及系統中現有電容帶來的諧振,都會導致濾波器需求的增加。專家對于濾波裝置的拓撲結構和特性進行了描述,并給出了相應的解釋。2009年初,在芬蘭的400kV輸電系統中安裝了+200Mvar/-240Mvar的SVC。該SVC的主要目的是在從芬蘭南部向北部甚至更遠的瑞典傳輸較大功率的情況下,有效衰減區域間的機電振蕩。因此,該SVC在輸出情況下的功率振蕩阻尼控制僅采用了有功控制模式,以確保系統嚴重故障引起大幅度區域間振蕩時可用的無功容量。Joetsu熱電廠屬于日本關中電力公司,主要為日本中部地區提供電力。距離該廠最近的500kV主環網約300km,在重負荷條件下單相故障可能會導致電廠從系統中失步,且線路故障還會引起過電壓,故有必要安裝靜止同步補償器(STATCOM)以解決穩定性問題和過壓問題,為此,關中電力公司計劃在2013年配備450MVA的STATCOM。

2.3可再生能源應用

對于水電是否是一種可再生能源,一直有人存在著疑問。對于工程人員來說其作為可再生能源是顯而易見的,但是對于部分政府人員和公眾來說這個答案則不是那么容易接受的。巴西、印度和中國的電力能源發展嚴重依賴于水電(正在規劃的有22GW)。為了充分利用這些能源,采用直流輸電是一個重要的技術手段。在過去10年間風電技術的發展使得大量的風電場接入電網,并且其容量還在持續增加。在保證電力系統的安全可靠以及供電質量的前提下,將風電接入電網存在諸多的挑戰,而電力電子技術的發展已經成為解決這些問題的關鍵。目前的電力電子技術已經使得風電的安全性、可靠性和靈活性不低于任何現有其他類型的發電方式。有學者介紹了澳大利亞和新西蘭風力發電的發展情況,澳大利亞和新西蘭可能是世界上風電接入電網比例最高的地區,其使用FACTS裝置將風電場接入電網,其中涉及到在電網連接點的SVC和STATCOM、少量小型靜止無功補償渦輪發電機、雙饋感應電機和連接發電機的交—直—交轉換等相關技術。關于非可計劃性能源(如風力發電和光伏發電)對于系統穩定性和電壓控制的影響也進行了討論。丹麥的經驗表明了風電場可以為交流系統提供慣性控制,以及有功和無功功率控制。但是,在2006年的歐洲大停電事故中,相對較小的功率(大約7GW)卻導致了大規模(17GW)的甩負荷問題。因此,對于將可再生能源作為常規能源來使用,還需要一個很長的過程。

3高壓直流輸電和FACTS工程技術問題

3.1工程的視覺污染、接地電流、可聽噪聲、電磁干擾等環境問題

隨著環境保護要求的日益提高,電力工程設施對于其周圍環境的影響也越來越受到關注。接地電流和電磁干擾等問題已經得到了較多的重視并有了良好的解決方案。而各種電力設備所產生的噪聲對周邊群眾日常生活的影響,以及工程設備和建筑與周圍環境協調的問題,目前也逐漸受到重視。通過在建筑內使用各種吸音材料和在設備周圍布置隔音屏蔽等措施來對噪聲進行抑制,已經取得了良好的成效。而在工程設計時充分考慮工程建筑與周圍環境的視覺協調設計,并對工程設備進行必要的遮擋,是解決視覺污染問題的有效措施。卡普里維高壓直流輸電聯網工程提供了從納米比亞到贊比亞電網之間的輸電走廊。該工程使得納米比亞電網能從水電資源豐富的國家得到充足的電力供應。目前,該工程已經在單極模式下使用金屬物回路和大地回路進行了試驗,針對未來的雙極擴展也已開展了可行性研究。對于使用大地回路的方案在不同運行模式下進行論證,需要綜合考慮地表特征、地下金屬結構物、輸電走廊內地下構造等多方面因素。有學者對SCB4文章中相關但不經常涉及的方面進行了深入的探討,如考慮土壤電氣和熱應力特性及土壤深度而進行的接地極選址研究、用來評估選址結論的不同調查結論,以及接地極對環境的影響等。從而指導直流輸電換流站址選擇、地理位置調查、接口的影響和接地極的設計,同時還給出了工程特征和應用情況概述。

3.2含高壓直流輸電的交流系統特性

有關專家對于使用電壓源換相直流輸電進行電網互聯和可再生能源發電接入問題進行了研究,并主張在控制中引入直流電壓斜率控制。這種控制方式是對交流系統中發電機間功率分配技術的延伸,同時在處理不同干擾和功能邊界時進行了改進。提出采用閉環直流電壓控制與直流彎曲特性聯合的方式進行直流電網管理,以確保系統操作的平滑控制并在不同換流站間合理分配,同時采用多端直流輸電系統進行近海輸電網絡支撐來提供動態頻率控制和功率振蕩阻尼。在多饋入直流輸電系統的相互影響強度指數方面,專家解決了中國南部電網多饋入的相互影響問題。目前該區域內已有4條完全投入運行的高壓直流輸電線路,第5條高壓直流輸電線路也已經在試運行。目前,已經對相互影響指數進行了評估,并正在提出一個新的指數。

3.3工程方案選擇、監管、許可、資金和技術風險問題

有學者針對日本北海道—本州島的直流輸電線路,介紹了滿足電力系統運行需要的控制方法及運行特性,提出了增加直流輸電系統靈活性的方法,以便使系統在功率降至0.1(標幺值)以下時仍能正常運行。這種方法在零功率附近避免了多次極性翻轉并減小了電纜的絕緣應力。該學者認為這些技術同樣可以應用于任何一個直流輸電工程。巴西學者介紹了馬德拉群島直流輸電系統的設計及其實現的過程,其連接了圣•安東尼奧和吉拉烏水電站。在考慮穩態運行、動態性能和經濟評估的基礎之上,設計人員對多種不同的輸電方案進行了可行性研究,最終提出了直流輸電方式、混合型輸電方式和交流輸電方式3種方案。直流輸電方式由2個雙極直流輸電和2個局部負載連接背靠背系統組成;混合型輸電方式由1條直流線路和2條500kV交流線路組成;交流輸電方式則選擇了3條相并聯的750kV交流線路。在經過深入分析之后,最終交、直流混合型輸電方案因報價低在投標過程中勝出。從這個過程中可以看到,馬德拉工程的確定方式是由經濟、技術和在其他事項上具有影響力的因素綜合決定的。

4結語

高壓直流輸電和新型電力電子技術的發展及其應用仍然是今年CIGRE的熱門主題,重點討論的對象包括±800kV及以上電壓等級特高壓直流輸電技術、多端直流網絡、現有直流輸電及FACTS工程運行經驗及相關工程關鍵技術;而對于MMC在高壓直流輸電、FACTS和新能源并網等方面的應用,專家們給予了較多的關注;同時,對于高壓直流輸電及FACTS工程的選址、工程技術風險分析等方面,專家們也進行了熱烈的討論。