新能源采用柔直电网送出功率盈余问题解决方案

2021-03-10彭花娜代妍妍方乙君

电力勘测设计 2021年2期

彭花娜，周杨，梅念，代妍妍，方乙君

(1. 中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建福州 350003；2. 国家电网有限公司，北京 100031 3. 国网北京经济技术研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

张北柔性直流电网工程(以下简称“张北工程”)为汇集和输送大规模风电、光伏、储能、抽蓄等多种形态能源的多端柔性直流电网[1-2]，采用真双极接线，双极均可独立运行，当单极发生故障后，非故障极仍可维持正常运行，非故障极将转带故障极部分或全部损失的功率，从而可能引起非故障极过负荷，即产生功率盈余[3-4]。本文对新能源采用柔直电网送出功率盈余问题进行相应的探讨及分析，对直流耗能装置(DC chopper)[5-6]和交流耗能装置(AC chopper)[7-9]方案进行比选，找到最优解决方案。

1 问题提出

张北工程为汇集和输送大规模风电、光伏、储能、抽蓄等多种形态能源的多端柔性直流电网，一期为四端，远景为七端。一期采用“手拉手” 环形接线方式，系统电压±500 kV，包括张北、康保两个送端换流站(接入风电、光伏等新能源)，输送容量分别为3 000 MW、1 500 MW，北京一个受端换流站，输送容量为3 000 MW和丰宁一个调节换流站，输送容量为1 500 MW。张北工程简图示意如图1所示。

图1 张北工程简图示意

张北工程采用真双极接线，具备双极运行和单极独立运行能力。在正常情况上，送端两个换流站运行在孤岛方式[10]下，四站控制模式如表1所示。

表1 送端孤岛四站控制模式表

由表1可知，张北、康保两个送端换流站正常情况下，采用定交流频率/定交流电压控制，其传输的有功功率及发出的无功功率均由交流系统中新能源电源及负荷决定。

以康保换流站为例，双极输送功率范围由交流系统中新能源电源及负荷决定，每极均在0～750 MW之间变化。当单极发生故障后，非故障极仍可维持正常运行，非故障极将转带故障极部分或全部损失的功率，从而可能引起非故障极过负荷，即产生功率盈余。可设定正负极正常时输送功率分别为P1、P2，在发生单极故障后，非故障极转带故障极的功率，在当P1+P2＜750 MW时，非故障极不产生功率盈余，反之则会产生功率盈余。

非故障极在功率盈余情况下，直流电网的电压电流将在几毫秒短时间内迅速发展，而采用交流安控策略切除风机时间或速降风机功率至少需要160 ms，无法满足直流电网故障快速清除的要求。因此一旦出现功率盈余情况，在不采取措施的情况下，将导致风机大面积脱网。

此时，交流系统与换流站交换的有功大于换流器额定功率，即风电能量会灌注到MMC当中，在未采取合适的控制策略下，将引起子模块电压升高，从而引起换流器闭锁。典型故障为：

1)送端换流站单极闭锁；

2)受端换流站单极闭锁或受端交流系统要求速降功率。

2 解决方案

2.1 耗能装置设置

在张北、康保两个送端换流站配置耗能装置，以解决功率盈余问题。耗能装置的作用主要用于孤岛方式下的交流侧电网平衡，当发生上述两类典型故障时，投入耗能装置消耗盈余功率，健全极正常工作，然后有序切除风机。

2.2 耗能装置选型

根据装设位置不同，可分为直流耗能装置(DC chopper)和交流耗能装置 (AC chopper)。

1)DC chopper

根据调研，仅ABB提供DC chopper方案，装设于直流极线汇流母线上，安装示意图、实物图如图2、图3所示。

图2 DCchopper安装示意图

图3 DCchopper实物图

送端2个换流站直流极线汇流母线均为500 kV。以康保换为例，DC chopper为2大组，分别装设于直流±500 kV极线汇流母线上，每组容量为750 MW(取单极可承受最大功率)。当双极功率P为750～1 500 MW时，发生单极故障时，非故障极DC chopper投入；当双极功率P为0～750 MW时，发生单极故障时，非故障极DC chopper可不投入，直接由非故障极进行功率转带即可。但当双极均闭锁时，由于DC chopper布置于直流极线汇流母线上，风电能量无法通过换流变、换流阀传递至直流极线汇流母线，因此DC chopper无法进行盈余功率耗散。

DC chopper投切策略如表2所示。

表2 DC chopper投切策略

2)AC chopper

国内许继、南瑞等设备厂家提供AC chopper方案，装设于风电汇集的交流母线上，安装示意图、实物图如图4、图5所示。

图4 AC chopper安装示意图

图5 AC chopper实物图

送端2个换流站风电接入均采用220 kV汇集，220 kV交流配电装置采用双母线双分段接线。以康保换为例，AC chopper为2大组，分别装设于交流配电装置220 kV汇流母线上，每组容量为750 MW(取单极可承受最大功率)。

当双极功率P为750～1 500 MW时，发生单极故障时，非故障极AC chopper投入；当双极功率P为0～750 MW时，发生单极故障时，非故障极AC chopper可不投入，直接由非故障极进行功率转带即可。当双极均闭锁时，由于AC chopper布置于交流配电装置220 kV汇流母线上，风电能量直接传递至交流汇流母线，AC chopper仍可进行盈余功率耗散。

考虑受端故障时，若直流电压不上升，则不需投入AC chopper，若单/双极电压上升(张北工程取值为580 kV)，则考虑投入。

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选型

考虑到双极闭锁的概率极低，在海外海上风电工程DC chopper较为广泛应用，一旦考虑双极均闭锁的工况，则DC chopper无法进行盈余功率耗散，因此张北工程设计最终考虑采用交流耗能装置。

2.3 AC Chopper构成

AC Chopper装置一般由耗能换流阀、耗能电阻、取能阻抗等设备组成。AC Chopper装置的基本结构如图6所示。

图6 AC Chopper装置控制回路基本结构

当AC chopper采用毫秒级瞬时策略时，通过耗能换流阀快速触发，经回路1吸收短时暂态能量。当AC chopper采用秒级瞬时策略时，先通过耗能换流阀快速触发，经回路1吸收短时暂态能量，同时闭合回路2实现长时间吸收系统暂态能量。

张北工程采用毫秒级瞬时策略，采用回路1，不设置回路2。耗能换流阀采用先进光电技术进行晶闸管快速触发，安全可靠，且响应时间小于6 ms，换流阀采用电压过零触发控制，不影响系统电能质量。耗能电阻采用大功率电阻串并联结构，电阻材料采用合金金属，层叠式设计，自冷却，投入时间为1.5 s，冷却间隔时间不小于 30 min。

3 AC chopper设计

3.1 接线方案

张北工程送端两个换流站耗能装置配置容量与输送容量一致，均分为2大组，其中张北换配置8小组，康保换配置4小组，单组标称容量均为375 MW，标称电压均为66 kV，采用220/66 kV耗能变压器，经SF6全封闭组合电气设备连接至耗能装置。

1)耗能换流阀接线

66 kV 耗能换流阀接线方案主要有角接、星接不接地和星接接地方案三种，3种方案的比较如表4所示：

表4 AC chopper耗能换流阀接线方案比较表

综合考虑设备的可用性和运行的可靠性，角接方案比星型不接地方案和星型接地方案更具有优势，作为推荐方案。

2)耗能电阻接线

耗能电阻采用箱式，每相额定电阻(在环境温度25℃额定电流下的冷态电阻)为30Ω，设置3个电阻箱叠装，接线示意如图7所示。

图7 耗能电阻接线示意图

3)AC chopper小组接线

根据前文分析，AC chopper小组接线如图8所示。

图8 AC Chopper小组接线图

3.2 布置方案

AC chopper装置耗能换流阀阀塔布置于耗能阀厅内，耗能电阻采用户外布置。

1)横向尺寸确定

耗能换流阀阀塔布置尺寸：兼容厂家方案，耗能换流阀阀塔尺寸按2.1×1.6×3.5 m(长×宽×高)考虑，同时考虑在阀塔两侧进行检修，耗能阀厅内考虑进检修小车，尺寸为 2.26 m×0.8 m，检修宽度按 1.2 m 考虑，两相阀塔中心间距最小值为阀塔宽度(1.6 m)+检修值(1.2 m)=2.8 m，阀塔中心至墙中心最小值为阀塔宽度一半(1.6 m/2)+A1值(0.65 m)+墙体一半(0.1 m)=1.55 m。在不考虑与耗能电阻匹配的情况下，耗能阀厅布置最小的横向尺寸为2.8×2+1.55×2=8.7 m。

耗能电阻布置尺寸：在新型三角接线方式下，不同相耗能电阻之间净距均为1.75 m，边相耗能电阻与两侧围栏之间净距分别为1.75 m和1.2 m，耗能电阻布置尺寸为3×1.25+3×1.75+1.2=10.2 m。

耗能电阻布置尺寸大于耗能换流阀阀塔布置尺寸，耗能阀厅横向尺寸兼顾耗能换流阀、耗能电阻布置，取值为10.2 m。按2小组耗能装置组成1个AC Chopper大组，则耗能阀厅尺寸取值为20.4 m。

2)纵向尺寸确定

耗能阀厅纵向尺寸受阀塔布置、检修距离等控制。耗能阀厅内考虑进检修小车，尺寸为2.26 m×0.8 m，转弯半径不超 2.1 m。经过校验，耗能阀厅纵向尺寸为7.5 m可以满足要求。

耗能阀厅旁布置耗能控保室，屏柜为12面，布置尺寸为 5.4 m×7.5 m。

3)AC chopper大组布置

AC chopper大组以康保换为例，包含2个AC chopper小组，设置1个耗能阀厅、1个耗能控保室，布置如图9所示。