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保证直流输电本身运行安全又充份发挥它对加强交流电网结构可靠性的重要作用

2016-06-30 14:18:49 5e   作者: 蒙定中  

蒙定中  国际大电网委员会CIGRE和美IEEE会员 原电力部生产司教授级高工

前言

我们要研究的一是保证直流输电本身运行安全,如何防止交流系统不合理的配置和运行影响直流运行的安全;特别是如何充分发挥直流对交流系统分区改革和远距离输电的作用。

为了充份发挥直流输电对建立安全、经济电网结构的重要作用,又确保直流输电本身的可靠运行,结合我国直流输电的大力发展,曾和有关制造部门和专家共同研究,提出初步意见,以供研究讨论。

一. 国际上因交流系统故障造成直流输电全停的经验教训

巴西伊泰普水电站投运时是当时世界最大的1400万千瓦水电站,其中60Hz10台 70万千瓦机組以三回交流765kV线送出,50Hz 10台70万千瓦机組以两回直流±600kV线里送出,长达约900公里都送到东南部345/500kV电网。2009年11月10日巴西重大停电,就是依泰普水电站送出的三回交流765kV线路故障连续跳闸全停后,该站并列送出的两回±600kV共630万千瓦的直流逆变站在同一受端交流电网(缺发电机组支持、短路电流低水平)电压崩溃时,两回整定不当的直流输电直流低电压保护(整定为电压0.48p.u.,时间2秒)跳闸全停,造成了巴西重大停电事故。

巴西两回直流全停的主要问题:

1.直流输电直流低电压保护(整定为电压0.48p.u.,时间2秒)整定电压过高而易在电压崩溃时误动。

2. 受端交流电网缺发电机组支持、短路电流低水平,难以防止电压崩溃。

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二.交直流运行的相互影响

国网公司为发展交流特高压而宣传“强直弱交”问题,我们研究首先应弄清交直流的相互影响,因为国网公司把三回直流同时双极闭锁停远作为系统规划的前提条件(2013年5月国网公司“华东电网发展情况调研材料”第33页和国网公司华东分部“华东电网发展情况汇报”第28页)。南网公司、电力规划设计总院和西南、中南、广东电力设计院的有关南网规划报告则把两回直流同时双极闭锁停远作为系统规划的前提条件。

前提条件对系统规划的安全、经济的影响非常重要;应按三十多年来我国包括世界的直流输电运行实践研究, 到底是怎么原因发生过双极闭锁?何种原因会使直流祗能一回发生双极闭锁?何种原因会使直流多回发生双极闭锁?我国有史以来从未发生过两回直流同时双极闭锁,将来也没有可能发生?除非如我国唯一的云南 - 广东的《同塔双回》直流输电才有可能发生,但从2013年投运至今,也从末发生。

多年运行经历证明,造成直流输电双极闭锁停运有两种原因:

一是从历史实践证明,由於直流本身设备/线路问题造成双极闭锁全停祗可能三、四年发生一次, 祗可能发生在一回直流输电上,不可能如国网宣传的两回、甚至三回直流同时发生双极闭锁。另外由於交流系统故障导至长时电压崩溃、造成两回直流低电压保护动作全停,祗有巴西发生过,我国直流受端系统短路电流容量都很强大,继电保护动作快速,直流低电压保护整定值很低就很可靠,过去直流从不发生巴西式全停,今后更大大降低直流低电压保护整定值,且分区后故障祗影响本区直流, 不影响他区直流运行。

二是交流系统故障会造成故障点附近多回直流输电同时瞬间换相失败(不是闭锁停运),国内500kV网所有故障都可在0.1秒内快速切除后、再经0.15秒直流即恢复运行;即使开关拒动,故障也可在0.3秒切除,直流再经0.25秒恢复运行,很可靠的不会造成本身直流低电压闭锁保护动作停运。如2012年8月11日广东增穗线C相接地,远近不同的五回直流皆短时换相失败,直流功率分别跌至故障前的0/0/39/65/70%,因切除故障快使其持续时间为40~80ms,故障切除后70~170ms时、直流功率即恢复到故障前的90%,在180~320ms时完全恢复100%。说明故障切除快,远低於直流低电压保护的时间整定值,就不影响运行。经和南瑞和中电普瑞公司直流制造公司的博士、专家们研究,直流站的交流低电压保护不需要,而直流低电压保护的电压定值可要求降到10%,时间增大为8秒以上。所以也不可能发生因交流系统故障造成多回直流同时双极闭锁故障停远。

如系统缺乏足够的动态无功储备,严重故障后引起长时间电压崩溃,直流逆变站的直流低电压保护又整定不合理,才会动作造成双极闭锁全停。巴西2009年直流受端电压崩馈,电压波动性降低,两回直流共四套直流低电压保护

整定电压过高,时间过短不合理(整定直流电压 48%;时间2秒) ,才陆续双极闭锁,造成了巴西重大停电。我国大容量直流受电地区短路电流水平都达40~60千安,说明有足够的动态无功储备支持,不会发生电压崩溃。

实际证明我国交流系统故障都将被快速切除,根据2006~2015年十年来广东500kV线路共发生635次故障,占97%的单相故障大都在0.06秒内切除,个别也不超过0.08秒,占4.7%的两相故障都在0.05秒内切除,从未发生三相故障。全国保护水平和广东基本相同,即使发生三相故障也是个别的,但国网、规划院和多个设计院又把三相故障同时开关拒动作为规划条件。

脱离实际、不弄清交、直流运行的相互影响是为国网公司宣传“不交不直”、“先交后直”创造条件。所谓两回甚至三回直流同时双极闭锁停远,不仅为交流特高压三华联网创造理由,且对将来500kV电网规划造成不合理的浪费。

从我国多年实践证明交流系统故障不可能造成多回直流闭锁同时停运,交流系统故障会造成故障点附近多回直流输电同时瞬间换相失败(不是闭锁停运),国内500kV网所有故障都可在0.1秒内快速切除后、再经0.15秒直流即恢复运行;即使开关拒动,故障也可在0.3秒切除,直流再经0.25秒恢复运行,很可靠的不会造成本身直流低电压闭锁保护动作停运。

三. 怎样保持直流输电本身安全又防止它不必要的闭锁造成大停电?

1.明确直流输电设备的低电压运行耐受能力作为采用的条件

经和制造世界电压最高(±800kV)、容量最大(720万千瓦) 、由錦屏送到江苏苏南的±800kV直流输电主要设备阀的生产厂家-我国中电普瑞电力公司研究,直流站具备直流低电压运行能力为0.1p.u., 178秒,这说明直流站设备有很强的承受低电压运行能力。即使发生严重的交流测电压崩溃,也不会闭锁,故障时交流电压降低时祗短时换相失败,在故障切除后,由于我国受端短路电流水平高,有大量发电机组支持,电压恢复快,直流输电也同时恢复正常运行。

经对其他直流设备制造部门(包括西门子、许继、南瑞继保)初步了解,直流逆变站的直流电压整定可改为电压0.3p.u.或更低,时间4秒或更长(承受能力不如中电普瑞电力公司) 。今后新建直流工程(包括背靠背),加强其承受低电压运行能力应作为设备采购的条件。

保持直流输电安全的关键是防止交流系统长时低电压,当系统事故/低电压时,直流会出现换相失败,祗要直流站具备很强的低电压运行耐受能力就不会闭锁全停,祗要故障切除,系统电压立即恢复,就完全可以防止巴西式的重大停电事故。

2. 明确交直流系统故障及相互影响

目前设计/科研部门在报告中都把多回(2~3)直流同时双极闭锁,500kV线路三相短路同时开关拒动等条件,作为研究电网结构和采取各种措施的根据,过度脱离实际的条件必然造成问题复杂性和严重的工程投资浪费。关键是要符合实际,按直流输电的运行经厉,目前常用直流输电(Line-communicated thyristor converters)运行出现的问题和交直流系统故障相互影响和500kV线路故障机率作以下的分析。

(1)直流本身设备/线路问题造成的单极或双极闭锁  

直流单极或双极闭锁分别造成本身的半停或全停,我国运行经历证明,这种直流本身问题造成的闭锁祗可能发生在一回直流输电上,除非个别采取同塔双回线的两回直流输电线路同时故障,目前只有云南溪洛渡直流输电送出为同塔双回,这样双回同时故障机率很少。单极闭锁可能多些,但影响不大;但双极闭锁一般是多年才发生一次,即使发生,祗是一回或个别同塔双回,对多回直流馈入的华南、华东网影响不大。没有必要因直流站/线路本身原因、对多(2~3)回直流会同时双极闭锁作为前提条件进行加强电网结构和采取各种措施的分依据。

(2)交流系统故障对直流输电的影响 - 换相失败

直流输电技术上有如下的规律:交流电网不论单相/两相/三相故障,不论切除时间长短,都可能造成换相失败,但失败的程度和其交流侧母线的电压降/相位变化有关,相间比单相故障严重,故障切除时间愈长愈严重,故障点电气距离愈近愈严重,这也和短路容量有关,但500kV电网短路电流己近50或63千安水平,不会大变。一是只要故障切除前后,系统保持足够的动态无功储备,各直流线都可迅速恢复运行。二是我国继电保护水平高,故障切除快,相间故障少,几乎不出现三相短路。所以直流换相失败基本不影响安全运行。

(3) 交流系统故障、保护/开关拒动、直流低电压保护整定不合理 - 直流闭锁

如系统缺乏足够的动态无功储备,严重故障时保护/开关又拒动、同时受影响的逆变站直流低电压保护整定不合理(整定电压过高、时间过短),一旦动作才会造成直流闭锁全停,祗要按本报告研究结果将直流低电压保护定值降到0.3p.u.或以下,动作时间为4秒或以上,即使出现上述異常,也可以避免直流闭锁造成的事故。

(4) 直流站没有必要再设〈交流低电压保护〉

经和直流输制造专家们研究,既然〈直流低电压保护〉可有效保护直流站设备,其定值决定於直流站可承受低电压运行能力,已满足保护要求。没有必要在直流站再设〈交流低电压保护〉,因为它一旦动作跳直流逆变站环流变等开关,后果严重。

(5)〈500kV线路三相短路同时开关拒动〉的条件过度脱离实际

根据2006~2015年广东500kV线路故障共发生635次,由於切除快速,单相接地占95.3%,两相短路皆在50ms内切除、占4.7%,十年来从末发生三相短路。

将500kV线路三相短路同时又开关拒动,作为研究电网结构和采取各种措施的根据是否也过度脱离实际?

四.提高直流本身的安全能力 

经多次和南瑞电气公司和中电普瑞电力公司的高级直流科技专家们研究,直流站已具备相当耐受交流侧低电压的能力,原来的直流低电压保护的整定值可以相适应的改进,只要逆变站接入的交流电网不出现特别异常的长时间电压崩溃,就可完全避免直流站闭锁全停,没有必要再配备交流低电压保护。中电普瑞电力公司制造的世界电压最高(±800kV)、容量大(720万千瓦) 、由錦屏送到江苏苏南的直流输电设备,其整流/逆变站直流电压降到0.1p.u.(10%)时还可承受178秒,这相当可取消一般的直流低电压保护,就等於不存在巴西式的直流闭锁停运问题。

经与其他直流设备制造部门(包括西门子、许继)研究,现有直流逆变站的电压整定可改为电压0.3p.u. 或更低,时间4秒或更长,也不易因电压大幅度降低而跳闸。南瑞田杰博士回答认为[直流低电压保护判据主要考虑交流系统长时间异常,单纯的低电压对直流设备并不会造成危害]。因此,我们可以按现有各直流站设备条件,应进一步降低其直流低电压保护定值(0.1~0.3p.u.), 增大其整定延时(4~8秒)。对於新建的直流工程,可以要求降低其直流低电压定值为(0.1p.u.),增大其整定时间(8秒),作为采购直流设备的技术条件之一。

从历史实践证明,由於直流本身问题造成闭锁全停祗可能三、四年发生一次,不可能如国网宣传的两回、甚至三回直流同时发生;另外由於交流系统故障导至长时电压崩溃、造成直流低电压保护动作全停,祗有巴西发生过,我国直流受端系统短路电流容量都很强大,继电保护动作快速,直流低电压保护整定可靠,过去直流从不发生巴西式全停,今后更大大改进直流低电压保护整定值,且分区后故障祗影响本区直流, 不影响他区直流运行。

五.以直流再分区和以直流替代交流特高压工程的优越性

1. 南方电网再分区才安全合理

南方电网东西距离最长(2000公里), 以7回直流(2420万千瓦) 和8回500kV交流(约输送800万千瓦)线路并列西电东送的输送总容量, 接近受端负荷的1/3,远大於分散外接电源一般规定的10%。过去一回直流输电曾发生过双极闭锁,如再发生,输电电力转移到并联的交流回路,有可能造成电压崩溃/失稳,从而失去全部西电东送电力,将引起重大停电。要可靠解决这样的重大问题首先要从电网结构解决,光依靠远方自动切机/解列/切负荷等方法难以保证其可靠性,2006年华中电网事故中,所装设的安全自动装置都未起应有作用,可以说它们只能作为辅助措施。

南网就是从实现同步电网合理规模来解决,规划主网分2~3区,如实现分3大区后,西电东送广东的500kV交流线路有的改为直流输电, 有的等於由长距离改变为中、短距离输电,也解决交直流并列运行的不安全问题,安全重点已由[防止暂态失稳]转为[防止电压崩溃]。

广东直流馈入又快又多, 三年来已由五个增至八个逆变站密集珠三角地区,总容量达2560万千瓦,占广东负荷约28%,密集的程度居世界首位, 将来还要增加。所以当前和将来的关键是如何防止长时(绝不能超过1秒)的电压崩溃,否则有像巴西那样造成多回直流站全停的危险,结果全部直流输送功率全部转移到并联的交流500kV线路上而整个南网失稳全停。即使按将来规划南网分三大区,不再会出现交直流并列方式,但广东电网也有全停危险?因此怎样支撑直流多落点?现已成为世界、特别是中国关注的重大问题。所以关键是应用直流将广东电网再分东西两个小区,一是控制500kV电网短路电流水平,既保持足够的动态无功储备,又不超标,适应今后更多的新建发电厂投入运行。二是合理的使各直流输电分别落入不同区,任一区故障祗影响本区直流,更适应将来更多的直流馈入。三是考虑容量最大的一回直流双极闭锁停运, 但同时有其他直流和区间背靠背支援,综合损失的电力不超过目前规定的旋转备用6%,不会影响正常运行。同时广东具备继电保护可靠快速切除故障的能力,特别应继续保持无功电力在各级电压网分层分区基本平衡,使各发电机运行力率接近1.0,甚至像沙角C厂和抽水蓄能等机组在低谷时进相运行,防止长时电压崩溃导致直流全停的危险。

2.采用直流将〈华东分四大区域电网〉合理规模的论证

从华东2015/2020年电源/负荷规划研究合理的电网结构研究,根据国网公司2012年12月和2013年5月《华东“十二五”电网发展规划》等三个报告,从2015/2020年华东各省市负荷需要和电源规划证明,将来各个省市、包括安徽省都缺电,怎样解决呢?一是继续靠远方直流输电,二是在各城镇负荷中心附近建新电源,各自作到电源/负荷基本平衡,互相之间不需要大规模输电,现有500kV电网已满足要求,根本不需要交流特高压联网。为了解决由於增设发电机组必然出现短路电流超标问题和保证更多直流馈入的安全问题,最经济有效和安全可靠的办法,还是贯彻《稳定导则》,按今后实际需要,釆用直流逐步将华东电网(隔离)异步互联分为四个分区。各区事故互不影响,更不可能同时发生失稳/电压崩溃/频率崩溃瓦解事故。将来用直流隔离分为四大〈分区〉的总投资不超过62亿元,约为华东交流特高压联网静态投资(744亿元)的十二分之一(8.3%),且长远保证今后的运行安全可靠,又经济。

3.各大区结合发展规划也建议对电网合理规模作深入研究

各大区应研究学习南网再分区的经验,随着电源、负荷的发展,短路电流超标,提高稳定水平 - 交流长距离输电改为中、短距离,适应多回直流输电馈入,将来有没有必要再分区?总之,我国六大区电网的发展趋势是增加分区, 才适应合理规模,更不应建交流特高压联网,国网反而将五大区合一,扩大交流网区,从区内装机/电网范围/自由联网方式都走上美国不安全道路;特别不同却更危险的是交流特高压比美国现有超高压更不安全, 又极其浪费,可见后果更为严重。

4.以直流替代交流特高压工程的优越性

表1论证即已批准的交流特高压工程造价和如以直流输电代替的造价相比,第一种是华东以交流特高压搭成一个网球拍式的网架(不为长距离输电),我们以直流将华东分4个区的网架与它相比,交特/直流投资 = 12倍;第二种是长距离输电的交特/直流投资 = 2.87倍;第三种是按表1综合的交特/直流投资相比为4.28倍,交特工程共多浪费1548亿元,而且采用直流才不违反《稳定导则》〈分区〉<分层>规定,特别保证电网安全。

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表1 以直流代替现有的交流特高压工程的投资估算方法是来自2012年10月电规总院和西南、中南、广东电力设计院的<南方电网中长期网架结构研究>。中国大电网发展应该符合限制同步电网规模,将事故危害控制在有限范围内。中国的电网未来的重点发展方向应该是选择远距离、大容量、高效率的直流输电技术,为完善区域主干电网而应随电源/负荷发展而再<分区>。

六.直流输电的发展应重视同塔双回直流更安全经济的优越性

从国家电网报了解1月11日国网公司“±1100千伏准东—皖南特高压直流输电工程开工动员大会”在京召开。工程起点位于新疆昌吉回族自治州,终点位于安徽宣城市,输送容量1200万千瓦,线路全长3324公里,送端换流站接入750kV交流电网,受端换流站接入500/1000kV交流电网。工程投资407亿元,于2015年12月获得国家发改委核准,计划于2018年建成投运。本人对直流输电计划《一送一收》改为《同塔两送两收》的建议:

1.本人从安全经济上全面研究,如果从原直流输电计划《一送一收》改为《同塔 两送两收》,将使各受端电力适应减半将会更安全又经济的在最缺电的两地接受,并将大大减少50%直流线路线损,特别安全有效防止庞大《一送一收》直流输送全停造成重大事故,而且为更减小线损,其投资祗略增10%,但安全经济效果突出, 很值得各位领导慎重研究决定。

2.建议直流输电工程由《单回1*1200万千瓦》改为《同塔双回2*600万千瓦》, 起点相同, 但受端应直达负荷中心,分别是最缺电的江苏和浙江,各受600万千瓦电力,不应单回集中落点不缺电的安徽,再通过特高和超高压交流线路各超省远送。

3.如按原计划单回1*1200万千瓦直流突然故障或双极闭锁, 损失很大,对电网冲击严重;改为双回2*600万千瓦后,一回故障或双极闭锁,祗损失600万千瓦,电网尚可安全承受。而同塔两送两收的直流会否有全停的危险呢?一般是倒塔才发生,但广东八年来,500千伏交流和直流从末发生倒塔;特别是南网唯一的云南-广东的牛从同塔双回±500千伏、2*320万千瓦直流在2013年9月运行以来从未发生过双回全停, 单回双极闭锁停电祗在2015年3月5日发生一次。 总之,庞大容量又特长距离的直流由单回改为同塔双回的关键是大大降低安全风险隐患,从技术分析和南网实践证实同塔双回直流全停比单回直流停电机率少很多,所以直流改双回必然比单回安全多了,既优化分散电源又直达负荷中心的电网结构,又防止重大停电事故。

4.如单回1*1200万千瓦直流落点位于安徽宣城市,比一般的大电厂容量还大2~4倍,安徽并不是主要缺电省,必须复杂、不安全又增大线损的通过交流特高压和超高压线路远距离送出。因此,合理的办法还是将华东直流受电改为江苏和浙江两处分别为600万千瓦,在逆变站交流侧再分两母线各输出300万千瓦,才会既安全又经济。

5.直流从新疆到华东线路全长3324公里,线路损耗必然很大,单回直流输送1200万千瓦,线路损耗还决定於导线截面的选择,可能大到10%,如将直流由同塔单回1*1200万千瓦改为双回2*600万千瓦线路,并保持原导线截面,则线路损耗减少一半, 例如线路损耗由10%可降到5%,相当线路损耗减少60万千瓦,可见长期经济效果非常突出。

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从上表实际直流输电工程的单价(元/公里*千瓦)比较,±500kV同塔双回直流输电的单价(1.49)为单回±500kV直流输电(2.33)的0.64(约2/3) ;又为单回±800kV直流输电工程(1.52)的0.98,几乎相同;从上表证明同等电压的同塔双回比单回投资经济。如将原±1100kV单回直流输电工程改为同塔双回直流输电工程是否投资经济?可以进一步研究决定。

七.结论

我国直流输电发展快速又安全可靠,特别是按《电力系统安全稳定导则》采用直流将全国分区,长距离祗依靠直流输电,使我国完全防止了世界已经历过的25次重大停电,近年我国电力容量达世界首位,由於充分发挥直流的分区和远距离输电的作用,也使我国电网35年多以来达到世界安全首位水平。

按巴西直流大停电教训,一是大降直流低电压整定值为 0.1~0.3 p.u.,增大其整定时间为4~8秒, 新建直流工程则统一要求为 0.1p.u.,8秒。二是保持直流站处於大於40~50 kA的短路电流水平,即保证直流的安全水平。直流双极闭锁全停祗可能发生在单回直流上,除非是同塔双回直流才有可能双回发生。

随着电力增长,原有各区应按 <稳定导则> 以直流再分区,既解决短路电流超标和多回直流馈入安全,必将大大提高电网安全水平。

表1论证即已批准的交流特高压工程造价和如以直流输电代替的造价相比,第一种是华东以交流特高压搭成一个网球拍式的网架(不为长距离输电),我们以直流将华东分4个区的网架与它相比,交特/直流投资 = 12倍;第二种是长距离输电的交特/直流投资 = 2.87倍;第三种是按表1综合的交特/直流投资相比为4.28倍,交特工程共多浪费1548亿元,而且采用直流才不违反《稳定导则》〈分区〉<分层>规定,特别保证电网安全。

随着直流输电的电压和输送容量的增大,应推广采用同塔双回直流可以减半电力容量分散接入受端,必将更经济又特别安全。




责任编辑: 中国能源网

标签: 直流输电 交流电网

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