新能源采用柔直電網(wǎng)送出功率盈余問題解決方案

彭花娜，周 楊，梅 念，代妍妍 ，方乙君

(1. 中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福建 福州 350003；2. 國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031 3. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

張北柔性直流電網(wǎng)工程(以下簡稱“張北工程”)為匯集和輸送大規(guī)模風(fēng)電、光伏、儲能、抽蓄等多種形態(tài)能源的多端柔性直流電網(wǎng)[1-2]，采用真雙極接線，雙極均可獨立運行，當單極發(fā)生故障后，非故障極仍可維持正常運行，非故障極將轉(zhuǎn)帶故障極部分或全部損失的功率，從而可能引起非故障極過負荷，即產(chǎn)生功率盈余[3-4]。本文對新能源采用柔直電網(wǎng)送出功率盈余問題進行相應(yīng)的探討及分析，對直流耗能裝置(DC chopper)[5-6]和交流耗能裝置(AC chopper)[7-9]方案進行比選，找到最優(yōu)解決方案。

1 問題提出

張北工程為匯集和輸送大規(guī)模風(fēng)電、光伏、儲能、抽蓄等多種形態(tài)能源的多端柔性直流電網(wǎng)，一期為四端，遠景為七端。一期采用“手拉手” 環(huán)形接線方式，系統(tǒng)電壓±500 kV，包括張北、康保兩個送端換流站(接入風(fēng)電、光伏等新能源)，輸送容量分別為3 000 MW、1 500 MW，北京一個受端換流站，輸送容量為3 000 MW和豐寧一個調(diào)節(jié)換流站，輸送容量為1 500 MW。張北工程簡圖示意如圖1所示。

圖1 張北工程簡圖示意

張北工程采用真雙極接線，具備雙極運行和單極獨立運行能力。在正常情況上，送端兩個換流站運行在孤島方式[10]下，四站控制模式如表1所示。

表1 送端孤島四站控制模式表

由表1可知，張北、康保兩個送端換流站正常情況下，采用定交流頻率/定交流電壓控制，其傳輸?shù)挠泄β始鞍l(fā)出的無功功率均由交流系統(tǒng)中新能源電源及負荷決定。

以康保換流站為例，雙極輸送功率范圍由交流系統(tǒng)中新能源電源及負荷決定，每極均在0～750 MW之間變化。當單極發(fā)生故障后，非故障極仍可維持正常運行，非故障極將轉(zhuǎn)帶故障極部分或全部損失的功率，從而可能引起非故障極過負荷，即產(chǎn)生功率盈余。可設(shè)定正負極正常時輸送功率分別為P1、P2，在發(fā)生單極故障后，非故障極轉(zhuǎn)帶故障極的功率，在當P1+P2＜750 MW時，非故障極不產(chǎn)生功率盈余，反之則會產(chǎn)生功率盈余。

非故障極在功率盈余情況下，直流電網(wǎng)的電壓電流將在幾毫秒短時間內(nèi)迅速發(fā)展，而采用交流安控策略切除風(fēng)機時間或速降風(fēng)機功率至少需要160 ms，無法滿足直流電網(wǎng)故障快速清除的要求。因此一旦出現(xiàn)功率盈余情況，在不采取措施的情況下，將導(dǎo)致風(fēng)機大面積脫網(wǎng)。

此時，交流系統(tǒng)與換流站交換的有功大于換流器額定功率，即風(fēng)電能量會灌注到MMC當中，在未采取合適的控制策略下，將引起子模塊電壓升高，從而引起換流器閉鎖。典型故障為：

1)送端換流站單極閉鎖；

2)受端換流站單極閉鎖或受端交流系統(tǒng)要求速降功率。

2 解決方案

2.1 耗能裝置設(shè)置

在張北、康保兩個送端換流站配置耗能裝置，以解決功率盈余問題。耗能裝置的作用主要用于孤島方式下的交流側(cè)電網(wǎng)平衡，當發(fā)生上述兩類典型故障時，投入耗能裝置消耗盈余功率，健全極正常工作，然后有序切除風(fēng)機。

2.2 耗能裝置選型

根據(jù)裝設(shè)位置不同，可分為直流耗能裝置(DC chopper)和交流耗能裝置 (AC chopper)。

1)DC chopper

根據(jù)調(diào)研，僅ABB提供DC chopper方案，裝設(shè)于直流極線匯流母線上，安裝示意圖、實物圖如圖2、圖3所示。

圖2 DCchopper安裝示意圖

圖3 DCchopper實物圖

送端2個換流站直流極線匯流母線均為500 kV。以康保換為例，DC chopper為2大組，分別裝設(shè)于直流±500 kV極線匯流母線上，每組容量為750 MW(取單極可承受最大功率)。當雙極功率P為750～1 500 MW時，發(fā)生單極故障時，非故障極DC chopper投入；當雙極功率P為0～750 MW時，發(fā)生單極故障時，非故障極DC chopper可不投入，直接由非故障極進行功率轉(zhuǎn)帶即可。但當雙極均閉鎖時，由于DC chopper布置于直流極線匯流母線上，風(fēng)電能量無法通過換流變、換流閥傳遞至直流極線匯流母線，因此DC chopper無法進行盈余功率耗散。

DC chopper投切策略如表2所示。

表2 DC chopper投切策略

2)AC chopper

國內(nèi)許繼、南瑞等設(shè)備廠家提供AC chopper方案，裝設(shè)于風(fēng)電匯集的交流母線上，安裝示意圖、實物圖如圖4、圖5所示。

圖4 AC chopper安裝示意圖

圖5 AC chopper實物圖

送端2個換流站風(fēng)電接入均采用220 kV匯集，220 kV交流配電裝置采用雙母線雙分段接線。以康保換為例，AC chopper為2大組，分別裝設(shè)于交流配電裝置220 kV匯流母線上，每組容量為750 MW(取單極可承受最大功率)。

當雙極功率P為750～1 500 MW時，發(fā)生單極故障時，非故障極AC chopper投入；當雙極功率P為0～750 MW時，發(fā)生單極故障時，非故障極AC chopper可不投入，直接由非故障極進行功率轉(zhuǎn)帶即可。當雙極均閉鎖時，由于AC chopper布置于交流配電裝置220 kV匯流母線上，風(fēng)電能量直接傳遞至交流匯流母線，AC chopper仍可進行盈余功率耗散。

考慮受端故障時，若直流電壓不上升，則不需投入AC chopper，若單/雙極電壓上升(張北工程取值為580 kV)，則考慮投入。

AC chopper投切策略如表3所示。

表3 AC chopper投切策略(受端故障)

3)Chopper選型

考慮到雙極閉鎖的概率極低，在海外海上風(fēng)電工程DC chopper較為廣泛應(yīng)用，一旦考慮雙極均閉鎖的工況，則DC chopper無法進行盈余功率耗散，因此張北工程設(shè)計最終考慮采用交流耗能裝置。

2.3 AC Chopper構(gòu)成

AC Chopper裝置一般由耗能換流閥、耗能電阻、取能阻抗等設(shè)備組成。AC Chopper裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 AC Chopper裝置控制回路基本結(jié)構(gòu)

當AC chopper采用毫秒級瞬時策略時，通過耗能換流閥快速觸發(fā)，經(jīng)回路1吸收短時暫態(tài)能量。當AC chopper采用秒級瞬時策略時，先通過耗能換流閥快速觸發(fā)，經(jīng)回路1吸收短時暫態(tài)能量，同時閉合回路2實現(xiàn)長時間吸收系統(tǒng)暫態(tài)能量。

張北工程采用毫秒級瞬時策略，采用回路1，不設(shè)置回路2。耗能換流閥采用先進光電技術(shù)進行晶閘管快速觸發(fā)，安全可靠，且響應(yīng)時間小于6 ms，換流閥采用電壓過零觸發(fā)控制，不影響系統(tǒng)電能質(zhì)量。耗能電阻采用大功率電阻串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電阻材料采用合金金屬，層疊式設(shè)計，自冷卻，投入時間為1.5 s，冷卻間隔時間不小于 30 min。

3 AC chopper設(shè)計

3.1 接線方案

張北工程送端兩個換流站耗能裝置配置容量與輸送容量一致，均分為2大組，其中張北換配置8小組，康保換配置4小組，單組標稱容量均為375 MW，標稱電壓均為66 kV，采用220/66 kV耗能變壓器，經(jīng)SF6全封閉組合電氣設(shè)備連接至耗能裝置。

1)耗能換流閥接線

66 kV 耗能換流閥接線方案主要有角接、星接不接地和星接接地方案三種，3種方案的比較如表4所示：

表4 AC chopper耗能換流閥接線方案比較表

綜合考慮設(shè)備的可用性和運行的可靠性，角接方案比星型不接地方案和星型接地方案更具有優(yōu)勢，作為推薦方案。

2)耗能電阻接線

耗能電阻采用箱式，每相額定電阻(在環(huán)境溫度25℃額定電流下的冷態(tài)電阻)為30Ω，設(shè)置3個電阻箱疊裝，接線示意如圖7所示。

圖7 耗能電阻接線示意圖

3)AC chopper小組接線

根據(jù)前文分析，AC chopper小組接線如圖8所示。

圖8 AC Chopper小組接線圖

3.2 布置方案

AC chopper裝置耗能換流閥閥塔布置于耗能閥廳內(nèi)，耗能電阻采用戶外布置。

1)橫向尺寸確定

耗能換流閥閥塔布置尺寸：兼容廠家方案，耗能換流閥閥塔尺寸按2.1×1.6×3.5 m(長×寬×高)考慮，同時考慮在閥塔兩側(cè)進行檢修，耗能閥廳內(nèi)考慮進檢修小車，尺寸為 2.26 m×0.8 m，檢修寬度按 1.2 m 考慮，兩相閥塔中心間距最小值為閥塔寬度(1.6 m)+檢修值(1.2 m)=2.8 m，閥塔中心至墻中心最小值為閥塔寬度一半(1.6 m/2)+A1值(0.65 m)+墻體一半(0.1 m)=1.55 m。在不考慮與耗能電阻匹配的情況下，耗能閥廳布置最小的橫向尺寸為2.8×2+1.55×2=8.7 m。

耗能電阻布置尺寸：在新型三角接線方式下，不同相耗能電阻之間凈距均為1.75 m，邊相耗能電阻與兩側(cè)圍欄之間凈距分別為1.75 m和1.2 m，耗能電阻布置尺寸為3×1.25+3×1.75+1.2=10.2 m。

耗能電阻布置尺寸大于耗能換流閥閥塔布置尺寸，耗能閥廳橫向尺寸兼顧耗能換流閥、耗能電阻布置，取值為10.2 m。按2小組耗能裝置組成1個AC Chopper大組，則耗能閥廳尺寸取值為20.4 m。

2)縱向尺寸確定

耗能閥廳縱向尺寸受閥塔布置、檢修距離等控制。耗能閥廳內(nèi)考慮進檢修小車，尺寸為2.26 m×0.8 m，轉(zhuǎn)彎半徑不超 2.1 m。經(jīng)過校驗，耗能閥廳縱向尺寸為7.5 m可以滿足要求。

耗能閥廳旁布置耗能控保室，屏柜為12面，布置尺寸為 5.4 m×7.5 m。

3)AC chopper大組布置

AC chopper大組以康保換為例，包含2個AC chopper小組，設(shè)置1個耗能閥廳、1個耗能控保室，布置如圖9所示。

圖9 AC Chopper縱向、橫向大組布置圖

AC chopper小組縱向、橫向斷面布置如圖10、11所示。

圖10 AC Chopper小組縱向斷面布置圖

圖11 AC Chopper小組橫向斷面布置圖

4 結(jié)論

本文通過對新能源采用柔直電網(wǎng)送出功率盈余問題進行探討及分析，對DC Chopper、AC chopper方案進行比選，得出以下結(jié)論：

1)張北工程采用真雙極接線，在單極故障后，非故障極轉(zhuǎn)帶故障極部分或全部損失的功率時，可能造成功率盈余問題。

2)經(jīng)比較后，推薦在送端換流站裝設(shè)AC chopper，通過投入AC chopper消耗盈余功率，使非故障極正常工作，再有序切除風(fēng)機，確保孤島方式下的交流側(cè)電網(wǎng)平衡，保障柔直電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。