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强直弱交的定义、内涵与形式及其应对措施(2)

必赢亚洲366.net  来源:电网技术杂志    2017/9/22 9:29:53  我要投稿  

1.2.2 交流电网发展特征

在直流输电系统以及风电、光伏等新能源快速发展的共同影响下,交流电网已呈现出新的显著特征,即电力电子化特征[10-11]。其对电网的影响,具体表现在如下 2 个方面。

1)常规电源的替代容量增大,电网调节能力下降。在受端,以华东电网为例,直流馈入总容量占总负荷比例可高达 40%以上。在送端,以西北电网为例,基于电力电子变频器的风电、光伏等新能源并网容量与区内负荷水平基本相当。直流馈入和新能源并网引起的火电、水电等常规电源替代效应,将使交流电网转动惯量水平相对减少,频率调节能力下降;同时,动态电压支撑能力减弱,电压调节能力下降。

2)电源耐频耐压性能降低,电网抗扰动能力弱化。基于电力电子变频器的风电、光伏等新能源电源,其耐受高频、低频以及高电压、低电压的能力较常规电源弱,电网受扰后,新能源电源易出现规模化脱网。

此外,受短路电流、输电走廊等客观因素制约,区域电网内部的 500kV 交流主干输电网,其关键输电通道和输电断面的潮流承载能力增长有限。相对持续增长的直流送电功率,交流电网承载直流故障引发的转移潮流的能力已显出不足。

2 强直弱交的定义与内涵

2.1 强直弱交的定义

特高压交直流混联,已使电网特性发生了深刻变化[8]。针对电网呈现出的新特性,国内工程界和学术界已取得广泛共识,并将其高度概括为“强直弱交”特性[12-15]。

综合已有认识,本文对这一特性做出如下定义,即强直弱交指的是,超特高压交直流电网中,交流与直流 2 种输电形态在其结构发展不均衡的特定阶段,直流有功、无功受扰大幅变化激发起的超出既定设防标准或设防能力的强扰动,冲击承载能力不足的交流薄弱环节,使连锁故障风险加剧,全局性安全水平明显下降的混联电网运行新特性。

2.2 强直弱交的内涵

强直弱交,是对混联电网特性的定性描述,其具体内涵,涉及以下 5 个方面。

1)传统电网中,交流与直流是主从关系,直流扰动不会显著影响交流电网正常运行;强直弱交型混联电网中,交流与直流是相互依存关系,直流平稳运行已成为交流安全的重要前提。

2)强直即是强冲击。强直非绝对的强,是相对弱承载的强,表现为不平衡有功和无功的冲击幅度大,包括单回特高压直流大容量送电功率瞬时中断或持续闭锁,以及多回直流扰动功率叠加累聚等形式。

3)弱交即是弱承载。弱交非绝对的弱,是相对强冲击的弱,表现为不平衡有功和无功承载能力不足,包括潮流转移能力不足、频率和无功电压调节能力不足,以及新能源设备对大频差和大压差的耐受能力不足等形式。

4)强直弱交对混联电网稳定性威胁主要体现在 2 个方面,即单一故障向连锁故障转变和局部扰动向全局扰动扩展。强直激发的大量不平衡有功、无功,冲击承载能力不足的弱交流系统,当潮流、频率、电压等电气量变化幅度相继超过不同薄弱环节的耐受能力,单一故障将向连锁故障转变;直流送受端强耦合,使扰动经直流向跨区电网传播,加之多回直流扰动功率叠加放大,局部扰动将向全局扰动扩展。

5)安全稳定设防标准决定故障防控级别,调控资源的广度与深度决定故障防控措施,2 者均影响交流电网抵御冲击的能力。面向发展中的交直流混联电网,及其呈现出的大有功、大无功冲击,既定的设防标准和控制措施,将制约平抑和疏散冲击功率、隔离和阻断扰动传播等能力,会使强直冲击下弱交承载能力不足的矛盾更为突出。

3 强直弱交型混联电网的稳定威胁形式

3.1 强直弱交型混联电网主导稳定形态

强直弱交型混联电网中,交流电网发挥着基础性支撑作用,其稳定与否直接关乎电网功能—连续可靠供电能否实现。因此,混联电网失稳,其核心仍为交流电网失去稳定,表现为故障冲击下交流电网的有功、无功不能达到平衡,电网中发电机功角、母线电压、系统频率等关键电气量大幅变化,且无法恢复至新的稳定运行状态。与此对应,强直弱交型混联电网的主导稳定形态仍为功角稳定、电压稳定和频率稳定 3 种[16]。

与纯交流电网不同,在交直流混联电网中,直流电流源型换流器电网换相,可使交流故障激发的扰动能量显著增大;直流换流器有功无功强关联、交流与直流强耦合,使交流电网多稳定形态交织;直流控制方式与控制逻辑转换引起的交直流交换功率非线性变化,使交流电网受扰行为更加复杂。

在强直弱交型混联电网中,特高压直流大容量输电显著增大了扰动所能激发的不平衡功率,电网稳定性威胁形式呈现新变化,如第 2.2 节所述,表现为单一故障向连锁故障转变和局部扰动向全局扰动扩展 2 个方面,其发生、发展形式如图 2 所示。

3.2 单一故障向连锁故障转变

在强直弱交型混联电网中,交流单一故障和直流单一故障向连锁故障转变的风险,均显著增大,具体表现如下。

对于直流馈入的受端电网,交流单一短路故障引发近电气距离多回直流同时换相失败,有功瞬时中断激发的扰动冲击相互叠加,易导致系统功角振荡,位于振荡中心近区的直流逆变站则会因电压大幅跌落,存在连续换相失败甚至永久闭锁风险[17];多回直流换相失败后有功同时恢复提升过程中,逆变站从交流电网吸收大量无功,存在因交流电压无法恢复导致发电机过励跳闸、电动机低压脱扣等风险[18-19]。

对于直流外送的送端电网,交流单一短路故障后,受直流有功恢复延迟影响,配套电源出力受阻程度增大,机组加速使局部地区面临短时频率骤升,易导致邻近风电、光伏等新能源高频脱网[10];单一直流闭锁等故障,滤波器切除前过剩无功注入交流电网使局部电网面临过电压冲击,易导致新能源高压脱网[20-21]。

此外,单一特高压直流送出功率占区域电网发电比例,或馈入功率占区域电网负荷比例较大的场景中,直流闭锁引起的送、受端电网功率盈余和缺额,易导致高频切机、低频减载动作[22];直流闭锁后转移潮流冲击交流输电瓶颈,易引发线路过负荷跳闸等,均是强直弱交型混联电网中单一故障向连锁故障转变的重要形式[23-24]。

图2 强直弱交型混联电网稳定威胁的发生、发展形式

3.3 局部扰动向全局扰动扩展

区域电网间多回直流互联,已形成同送端同受端、同送端不同受端、不同送端同受端等多种复杂格局,送、受端电网之间关联耦合更加紧密。因激发起直流功率大幅波动,局部交流电网的故障扰动,已呈现向跨区电网乃至全网扩展蔓延的趋势。

具体表现在如下 3 个方面。

1)受端交流短路故障导致逆变器换相失败,在换相失败结束直流功率恢复过程中,整流站将有大量盈余容性无功注入送端电网,易导致风光新能源高压脱网,并继而威胁送端频率安全[25]。

2)区域电网直流同送端同受端互联格局中,受端交流单相永久接地、单相开关拒动等故障,因换相失败导致的多回直流同时多次功率瞬时跌落,将使不平衡加速能量叠加累聚,易导致送端电网失去暂态功角稳定[26-27]。

3)区域电网直流同送端不同受端、不同送端同受端 2 种互联格局中,以前者为例,送端交流电网故障,将导致受端落点于不同区域电网的直流的功率同时波动,若受端区域电网间存在薄弱的交流联络线,则易使其功率出现大幅涌动,甚至导致联络线功率因超过静稳极限而使互联电网解列[8]。

需要指出的是,单一故障向连锁故障转变与局部扰动向全局扰动扩展,不是相互独立、相互排斥的,而是相互交织、相互推进的,是同一受扰动态过程中的 2 种表现形式。

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