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强直弱交的定义、内涵与形式及其应对措施(3)

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

4 应对强直弱交型混联电网的相关措施

4.1 提升混联电网安全稳定水平的 3 个方面

保障电网安全的相关措施,需与电网稳定特性相适应。电网是永恒发展的,不同发展阶段具有不同的稳定新特性,因此,保障电网安全的相关措施,也面临不断发展的新要求。

针对强直弱交型混联电网,亟需围绕修编完善安全稳定标准、协调发展直流与交流输电系统、构建大电网安全综合防御体系等 3 个方面,研究制定与其新特性相适应的措施,有效应对单一故障向连锁故障转变、局部扰动向全局扰动扩展,保障电网安全运行。

4.2 修编完善安全稳定标准

安全稳定标准,是在兼顾经济性和安全性的基础上,制定的保障电网安全可靠供电、稳定连续运行的系列准则,是电网规划建设与调度运行的纲领性、强制性和规范性文件。其中,明确规定了电网应具备的故障冲击抵御能力、故障设防原则,以及控制措施选择依据。

长期以来,我国电网规划建设与调度运行中的安全稳定标准,均遵从《电力系统安全稳定导则》和《电力系统安全稳定控制技术导则》(以下简称原导则),并据此构建了安全稳定三道防线体系,有效保障了电网在以往各发展阶段的安全稳定运行[28-31]。

然而,随着传统电网向强直弱交型混联电网快速演变,针对新出现的对电网稳定威胁较大的故障或扰动,如特高压直流换相失败和直流故障再启动等,原导则在故障设防原则等相关内容中显现出了空白。此外,与传统电网中严重故障冲击程度相当的单一故障,如大容量特高压直流单极闭锁等,原导则中对应的设防原则也应予以重新审视。

为此,针对强直弱交型混联电网稳定控制新要求,应在科学论证的基础上,适时修编和完善相关标准。

4.3 协调发展直流与交流输电系统

合理的电网结构,是电力系统安全稳定运行的物质基础[32]。面向强直弱交型混联电网,协调直流与交流输电系统发展,提升电网安全稳定水平,涉及减少直流的冲击发生概率、增强交流的冲击承载能力 2 个方面。

减少直流的冲击发生概率,主要是降低直流逆变器换相失败发生概率。一方面,可采用优化晶闸管固有关断时间、优化换相失败预测方法等技术;另一方面,可采用电容换相或电压逆变器,替代电流源型逆变器。

增强交流的冲击承载能力,可采取如下措施。

1)优化交流一次主干网架,适应直流有功强冲击。消除输电瓶颈约束,增强交流主网潮流灵活转运和疏散能力;科学布局直流落点,抑制多回直流受扰功率的叠加累聚效应。

2)加强动态电压支撑能力,适应直流强无功冲击。充分利用已建的常规发电机组,优化布点新建的调相机以及增建的 SVC、STATCOM 等无功源,为直流换流站提供充裕的动态无功,支撑交流电压快速恢复。

3)改善源网控制及其协调控制能力。优化机组励磁、调速以及 PSS 等调节控制系统,增加FACTS 设备附加阻尼等控制功能;通过虚拟同步发电机等先进适用技术,增强风电、光伏等新能源参与电网频率、电压调控的能力。

4)增强风电、光伏新能源发电设备的扰动耐受能力。提升新能源变频器的低频、低压和高频、高压耐受能力等相关涉网标准,降低直流强冲击下新能源大规模脱网及其引发的连锁故障风险。

4.4 构建大电网安全综合防御体系

4.4.1 现有稳定控制措施的不适应性

现有稳定控制措施,以《电力系统安全稳定导则》和《电力系统稳定控制技术导则》为既定设防标准,以常规切机、切负荷为主要控制资源,以相互独立的输变电工程为需求依托,在面对交直流混联电网强直弱交新特性时,已表现出不适应性,具体包括:应对大容量特高压直流强冲击,难以满足控制措施量的要求;单一集中控制措施,难以应对单一故障向连锁故障的转变;控制措施组织协调能力,难以应对局部扰动向全局扰动扩展的变化。

鉴于以上诸多不适应性,应构建大电网安全综合防御体系,增加控制的资源类型、拓展控制的空间分布、满足控制的时序逻辑、增强控制的协调能力,适应强直弱交型混联电网的稳定控制新要求。

4.4.2 安全综合防御体系的目标

大电网安全综合防御体系,以现有安全稳定三道防线为基础,依托先进的信息通讯技术,实现对电网多频段、高精度的全景状态感知;基于故障诊断和动态响应轨迹,实现多场景、全过程的实时智能决策;整合广泛分布于全网的多种控制资源,实现有序、分层的一体化协同控制,通过缓解强直的故障冲击、强化弱交的承载能力,达到有效降低大电网安全运行风险的目标。

4.4.3 安全综合防御体系的一体化协同控制

实现安全综合防御的一体化协同控制,包括4个具体方面,即多资源统筹控制、多地域配合控制、多尺度协调控制以及多目标联合控制。

1)多资源统筹控制。在传统单一切机、切负荷控制的基础上,统筹利用直流功率控制、抽蓄切泵控制、调相机控制、新能源紧急有序控制等各种可控资源,增加应对强冲击的可控容量。

2)多地域配合控制。针对扰动冲击的高强度和大范围,匹配并整合不同地域、不同电压等级的控制资源,实现大范围立体配合控制,消除瓶颈约束,增强弱交的承载能力。

3)多尺度协调控制。针对不同稳定形态的时间尺度特征和各类控制资源的时效性,通过毫秒级、秒级和秒级以上控制的相互协调,实现系统动态过程的全覆盖。

4)多目标联合控制。综合利用不同时间尺度和不同空间范围内的各种控制措施,联合应对故障演变全过程中的不同稳定问题,抑制扰动冲击、阻断连锁反应,提升系统稳定裕度,防止系统崩溃。

4.4.4 关键支撑技术

构建大电网安全综合防御体系,是一项复杂的系统工程。其中,为保障多资源参与的一体化协同控制有效实施,需围绕以下 5 个方面,开展关键支撑技术攻关。

1)电力电子化源网荷精细化仿真技术。包括:

拓扑结构高频变换的电压源换流器高效精准仿真、新能源发电集群的外特性聚合模拟、基于实际工程的直流控制与保护逻辑建模与仿真、分布式电源高渗透型综合负荷的特性建模与仿真,乃至基于超级计算机群的交直流混联大电网全电磁暂态仿真等。

2)强直弱交型混联电网大扰动行为机理。包括:大扰动冲击下,直流换流站多时间尺度功率响应特征及关键影响环节识别;复杂扰动场景下,交直流、多直流以及直流送受端交互作用机制,及其对混联电网多形态稳定性影响机理;强直弱交型混联电网连锁故障发展路径识别及隔离阻断技术。

3)混联电网稳定态势表征方法与评估指标。包括:在传统直流短路比及其门槛值 3.0 静态量化评估交流电网强弱的基础上,进一步提出计及有源设备受扰行为特征的动态量化评估指标;混联电网多形态稳定性与受扰电气量之间的关联映射方法;表征稳定性演化态势的关键电气量特征识别技术;基于关键电气量响应轨迹的稳定性定量评估指标。

4)混联电网协调控制基础理论与方法。包括:适应强直弱交型混联电网非线性特征的多资源、多目标综合协调控制基础理论;计及连续与离散特点、集中与分布特征、响应时间尺度差异特性的多资源协调控制方法,以及大电网综合协调控制的体系架构设计方法。

5)大容量先进适用控制技术。包括:不同响应速度的规模化精准负荷控制技术、基于电力电子的大容量电气制动技术,以及大容量储能的多速率能量调控技术等。

5 结论

1)强直弱交,是交流与直流 2 种输电形态在结构发展不均衡的特定阶段所呈现出的混联电网新特性,表现为直流受扰有功、无功冲击幅度大,以及交流电网承载冲击的能力不足。

2)单一故障向连锁故障转变、局部扰动向全局扰动扩展,是威胁强直弱交型混联电网稳定运行的新形式。2 者相互交织、相互推进,使大面积停电风险加剧。

3)针对传统电网制定的安全稳定标准,尚缺乏直流换相失败、直流故障再启动等故障或扰动的设防原则。此外,面向强直弱交型混联电网,需重新审视与传统电网中严重故障冲击程度相当的单一故障的设防标准。

4)协调直流与交流输电系统发展,涉及减少直流的冲击发生概率、增强交流的冲击承载能力2个方面。前者主要包括直流控制系统优化和逆变器性能改进;后者则主要包括优化交流主干网架、加强电压支撑能力、改善网源协调能力以及提升设备扰动耐受能力等。

5)面向强直弱交型混联电网,现有稳定控制措施已出现诸多不适应。为保障电网安全稳定,应构建大电网安全综合防御体系,实现具备多资源统筹、多地域配合、多尺度协调和多目标联合能力的一体化协同控制。【(郑超,马世英,申旭辉,刘道伟 (电网安全与节能国家重点实验室(中国电力科学研究院),北京市 海淀区 100192)】

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