张北柔直电网的构建与特性分析

柔性直流输电技术是继交流输电、常规直流输电之后的新一代输电技术,基于柔性直流输电技术的直流电网是未来电网的重要组成部分。研究了直流电网的定义,基于张北柔性直流电网示范工程,分析了网络拓扑结构、主接线方式和设备配置方案,研究了直流电网低惯性弱阻尼特性,多电力电子设备协调配合难题和器件支撑能力不足的问题,提出了解决方案,为我国直流电网的研究、张北工程建设提供技术支撑。

张北柔直电网直流分压器二次电压测量异常引起误闭锁机理分析及改进措施

针对张北柔直电网试验示范工程某±500 kV换流站系统调试期间发现直流电压测量异常导致换流器误闭锁事件,通过对站内直流分压器结构及设计原理进行分析,研究了换流器误闭锁机理。发现直流分压器物理结构存在一定设计缺陷,直流分压器二次分压板二次测量电缆1路断线情况下,引起另外2路测量电压异常升高,达到柔直电网直流控制保护系统过电压保护定值,换流器误闭锁。针对存在的问题,分别从硬件和软件2个方面提出了改进措施并加以验证,有效地解决了直流分压器二次故障引起电压测量异常以致闭锁换流器的问题,为柔直电网中直流分压器的设计和选型提供了参考。

500 kV高压直流断路器支架绝缘设计

我国正在建设500 kV张北柔性直流电网试验示范工程,500kV高压直流断路器是张北柔性直流电网的核心装备,其支架绝缘设计决定了断路器的经济性及安全性。根据经验设计了支架初始结构,建立了其电场仿真三维模型,采用ANSYS有限元仿真软件计算了初始支架表面电场分布,获得了支架表面场强集中点,针对场强集中点提出了电场分布优化方案。搭建了断路器支架试验平台(海拔约50 m),开展了不同电极和电压极性下支架操作冲击50%放电试验,获得了不同电极下支架的间隙系数,验证了电场优化方案的正确性。结合支架操作冲击50%放电试验结论,针对张北直流电网工程绝缘水平要求,估算了支架对地最小空气间隙,最小空气间隙设计为4.7 m。论文工作为工程样机设计提供了参考。

张北柔性直流电网盈余功率问题的机理分析及控制方法

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。新能源电场孤岛方式接入柔性直流电网时,由于直流电网故障后电压、电流发展速度和通过交流安控装置切除新能源机组时间匹配困难,特别是在新能源孤岛满功率接入条件下,任何扰动都可能引起柔性直流电网的盈余功率,进而引发柔性直流电网的大面积瘫痪。首先分析了新能源电场孤岛接入的柔性直流电网的2类盈余功率问题的机理,进一步研究了通过控制方法解决盈余功率的方案,包括:通过附加换流站的控制策略限制流入直流电网的盈余功率、通过换流站和新能源机组协调配合速降新能源机组出力、通过交流母线分列运行防止故障极影响健全极、控制直流电网正常方式传输功率、切除可能导致系统失稳的换流器以及换流站与交流系统联网运行。通过张北柔性直流电网工程的电磁暂态仿真,对解决方案的理论分析进行测试,验证了理论分析的正确性。

张北柔性直流电网工程新能源与抽蓄电站配置方案运行经济性评估

为解决张家口地区大规模新能源的可靠送出和消纳、支撑绿色低碳冬奥,国家电网有限公司拟建设张北±500kV四端柔性直流电网示范工程。评估张北柔性直流电网工程在不同新能源和抽蓄电站配置方案下的运行经济性,对工程建设决策有着重要的意义。为满足计算精度及工程实用性的需要,提出一种基于时序生产模拟仿真的多端柔性直流电网运行经济性评估方法。以新能源最大化消纳为目标,考虑柔性直流电网传输安全、下网功率调峰需求、线路N-1安全运行、新能源与抽蓄电站互补运行、新能源限电率等约束条件,建立基于直流潮流的新能源与多端柔性直流电网混合运行优化模型。以张家口地区全年的新能源出力时间序列为输入,通过运行优化求解,得到张北柔性直流电网全年逐时段的上网和下网功率,核算在不同新能源和抽蓄电站配置方案下电网的运行成本和收益。采用工程经济学中常用的折现现金流的方式,开展方案的经济性评估,案例测试结果验证了所提方法的有效性。

±500kV张北柔性直流电网工程系统设计

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。与前期工程相比,张北工程系统设计的主要难点在于:工程故障穿越要求高、故障发展速度快而核心设备的暂态应力水平受限;新能源孤岛接入双极直流电网存在双极协调控制困难、宽频振荡风险高以及暂时性盈余功率问题严重等问题。针对张北工程系统设计的主要难点,提出新型三次谐波注入策略、直流电网电抗器最优化配置方法、基于接地电阻的续流快速衰减方法、子模块动态平均工作电压策略、新型阀控不平衡快速保护策略、阀本体过压保护的动态定值策略等一系列方案,有效提高了核心设备的电流和电压应力水平对直流电网的适应性;提出了双极V/f下垂控制、大规模新能源场站宽频阻抗特性获取方法、基于交流耗能装置的盈余功率解决方案等,解决了大规模新能源孤岛接入直流电网的双极协调控制问题、宽频振荡问题和暂时性盈余功率问题。通过张北柔性直流电网工程实践,验证了上述策略的正确性和有效性。

张北柔性直流电网盈余功率问题的耗能方法

张北柔性直流电网工程是世界首个直流电网工程。新能源电场孤岛方式接入直流电网时,由于直流电网故障后电压、电流发展速度和通过交流安控装置切除新能源机组时间匹配困难,特别是在新能源孤岛满功率接入条件下,任何扰动都可能引起直流电网的盈余功率,进而引发直流电网的大面积瘫痪。针对新能源电场孤岛方式接入直流电网的2类盈余功率问题,归纳了6种备选耗能方法。以直流可控耗能电阻、交流耗能避雷器、交流可控耗能电阻为例,对耗能方法展开理论分析,通过张北柔性直流电网工程的电磁暂态仿真验证了理论分析的正确性。结果表明,交流可控耗能电阻方法可较好地解决第1类和第2类盈余功率问题,是张北柔性直流电网工程盈余功率问题较优的解决方案。

柔性交直流混联电网系统级可靠性评估

直流孤岛方式下,直流送端与交流电网之间没有直接的电气联系,减小了对交流系统的影响,提高了远距离输电的稳定性。与此同时,交直流混联电网可以更大范围均衡潮流,提高可再生能源的接入范围,是未来电网的一个重要发展趋势。然而,目前针对实际电网在交直流混联、直流孤岛方式下的可靠性评估的研究较少,2种方式对交流主网的可靠性影响未知。因此,该文基于多端柔性直流互联装置可靠性模型建立了交直流混联、直流孤岛2种方式下的可靠性评估模型。在此基础上,结合张北地区新能源接入案例,通过定性、定量分析了交直流混联及直流孤岛方式下,张北柔性直流系统接入对北京电网的可靠性影响。算例结果表明,张北柔性直流系统通过交直流混联或直流孤岛方式接入不会影响北京电网的可靠性。