特高压直流送端系统的运行约束及新能源消纳挑战研究

周金鑫

摘要：特高压直流投运对送端电网特性将带来明显改变。尤其对于高新能源渗透地区，换相失败后的暂态压升成为约束运行灵活性的重要因素。电力系统围绕新疆天中直流工程及宁夏昭沂、灵绍、银东直流工程已展开了相关研究。针对电网实际案例分析非典型工况下高压直流工程引起的过电压异常风险。本文主要分析特高压直流送端系统的运行约束及新能源消纳挑战研究。

关键词：交直流外送系统;新能源消纳;暂态功角稳定;暂态过电压

引言

针对直流系统某一方面的特征展开，侧重失稳机理分析，未能从系统运行角度综合考虑直流系统多方面特性，进一步分析对系统运行灵活性的影响。特别是典型的交直流外送系统，除了存在直流换相失败后的暂态过电压风险，更面临着换流站近区交流故障后系统暂态功角失稳问题。在这两方面制约下，系统运行灵活性大幅下降。如何释放外送空间是保障新能源消纳工作面临的重要挑战。

1、直流系統故障与冲击

1.1整流侧交流系统故障

对于特高压直流工程送端电力系统，在换流站近区的交流系统发生三相对地短路故障时，故障点距离换流站交流母线的电气距离很近。故障发生后换流站电压跌落，直流外送功率迅速下降。根据保护整定原则，交流线路直跳不重合，故障切除后随着交流系统电压的恢复，直流功率快速恢复。

1.2换相失败与极闭锁

换相失败发生在逆变侧，是指因换流阀未能正常关断，使换相过程无法顺利结束，预计接替开通的阀组重新关断，发生倒换相的现象。换相失败可以由换流器自身故障如晶闸管击穿导致、控制脉冲故障引起，也可以由受端交流系统故障导致。换相失败发生后，直流侧功率短时间内下降为0。换相失败故障最终由换相失败保护动作清除：切换控制系统使换流器恢复正常工作;延时重启换流器恢复正常工作;闭锁换流极。换相失败保护出口时间需与交流系统故障清除时间配合。换流器重启过程需要从系统吸收大量无功。若故障未清除，重启中再次发生换相失败，数次后将闭锁换流极，切除配套滤波器及适量机组。

1.3有功回退与无功冗余

对于整流侧，当整流侧阀短路故障或逆变侧三相换相失败发生后，直流外送功率迅速下降为0，系统通过直流通道外送的有功功率回退向交流系统，对送端系统造成冲击。换相失败发生后，整流器消耗的无功功率下降为0，未切除的配套滤波器造成系统无功功率冗余，引起送端系统暂态过电压。若送端系统由于暂态压升过高引发机组无序脱网，可能导致连锁故障，从而导致系统失稳。

2、直流系统故障对电网运行方面的影响

目前，国内外已就直接通信系统故障对电网运行的影响进行了分析研究。相关文献指出，高压直流转换失败可能会影响通信线路的保护，在直流运输系统静态影响特性仿真分析过程中，也发现了常见故障时的暂态响应特性。其中，转换失败是电网运行异常的状态，特别是在介质交换系统薄弱的情况下。直流侧暂态电路和交流系统电压降低在相变失败后发生。造成这种情况的原因可能是直流系统受到干扰，系统开关可能会误触发。由于青藏电网通信系统与其他地区相比比较薄弱，很可能导致转换失败，严重影响供电可靠性。

3、直流投运后新能源消纳的挑战与对策

3.1直流投运后新能源消纳的挑战

由于输送通道受到限制和输送通道被占用，该系统运作的灵活性限制了新能源的耗散。（1）第2.3节讨论了出站访问限制。可见直流投入运行后暂态功率角的稳定性问题和暂态过电压问题分别对供电中心和同步电网主网之间的交流接入造成了较高和较低的限制，限制了电网的运行灵活性疏散调节范围狭窄，限制了电力中心吸收新能源的能力。就陕西电网而言，电网框架引起的电力中心新的能源制约包括两种形式：（1）整个陕西外部供电通道已满，整个地区有限;2）电力段满，景区有限，在全区域范围限制的情况下，只能通过增加直流电源来实现出站限制。在靖国神社范围有限的情况下，只要满足最低启动要求，单方面增加点火组和增加电源横截面界限是没有必要的，必须同时增加直流功率，才能最终消除从定靖向康杜地区输送的新能源。（2）外料道占用外料道所用火力由两部分组成：（1）能满足起动方法限制的电源组（2）直流发电机。这两个元素可以重合。根据目前的规划数据，陕西—吴直流供电机组58%位于神木地区。白天新能源扩大期间，如果直流发射功率为8000MW，陕西地区的排放需求总量超过13620MW。其中，景疏散请求与神木地区疏散请求的比率为1：2。可以通过直流输出功率的增加来实现。但是，在实际操作中，直流电源由支持单元提供。如果DC陕西、Wu支持组均为火力组，则该组的贡献由直流电源决定，直流电源增加后，外部供料通道占用量较高，新能源灭菌空间可以缩小。

3.2提高新能源消纳空间的对策

外送通道限制来自系统功角暂态功角稳定问题和暂态过电压问题。当前，陕西电网具备根据系统特征变化升级三道防线的条件，提高系统应对暂态功角失稳问题的能力;并且已经在陕北交流外送通道中间建设开关站，通过提高陕北电网暂态稳定性，提高新能源消纳空间。针对陕西电网的特征，从放宽外送通道限制和减少通道占用2个角度提高新能源消纳空间。（1）加快推进交流通道补强工程，对于外送通道限制，由式（2）可知，减小通道阻抗能够从根本上提高系统暂态功角稳定性，提升外送能力。针对当前网架在陕北地区的薄弱点，推进补强工程，如陕北-关中第三通道规划、建设，能够有效方框外送通道限制，提升新能源消纳空间。（2）调动SVG动态调节能力，受电断面受到系统暂态过电压约束，配置动态无功补偿装置是公认的抑制暂态压升的有效手段。在高新能源渗透率地区通过配套调相机来提高直流外送能力。陕北地区规划火电装机大、直接通过陕北换流站母线并网，已经为抑制暂态过电压提供很好的基础。如果能够升级AVC系统，充分调动新能源场站及汇集站的SVG动态调节能力，将为抑制暂态过电压做出贡献。当区域内火电机组开机量Pth不变时，使神木地区最小开机方式减小，从而降低整个陕北地区火电对外送通道的占用，提高新能源消纳空间。（3）新能源机组耐高压改造，受电断面同时受到系统耐压水平限制。新能源机组耐压水平是当前约束系统耐压能力的瓶颈。通过新能源机组及相关设备的耐高压改造能够提高系统的暂态过电压耐受能力，受电断面极限上升，进而减小神木地区最小开机方式。在放宽外送通道限制的同时降低外送通道占用，提高新能源消纳空间。（4）鼓励火电参与调峰如3.1节讨论，欲提高总外送能力增加直流外送功率，却导致外送通道占用增加，事与愿违。当直流外送功率为8000MW时，配套火电机组出力占外送需求42.68%。若能通过直流通道将新能源、火电打捆外送，借助市场手段调动火电机组以及受端电网配合调峰的积极性，根据陕西火电机组当前深度调峰能力（平均40%，最低27%）估计，外送通道占用将下降25%以上。促使直流外送功率上升的同时，保证外送通道上升裕度不被火电占用，从而提高新能源消纳空间。

结束语

随着资源的持续开发与电网的不断发展，特高压直流投运后送端电力系统运行特性将发生明显改变，给地区新能源消纳带来挑战。本文在介绍直流系统故障的基础上，就特高压直流投运后的暂态功角稳定问题与暂态过电压问题进行详细讨论，并通过陕西电网的仿真计算结果说明了陕武直流投运后将约束陕北外送通道上、下限值，降低系统运行的灵活性。最后，针对所提问题讨论了提高陕北地区新能源消纳能力的对策。通过推进补强工程、升级AVC系统、调动SVG动态能力、完成新能源机组耐高压改造、优化陕北火电开机方式、优化调度策略、提高新能源预测质量等手段，能够放宽外送通道约束、减少外送通道占用，提高新能源消纳空间。

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