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城市电网柔性分区互联示意如图1所示。考虑到城市的城区新建输电通道的实施难度以及建设工期难以控制,可考虑从现有互联变电站、输电线路挖潜的角度进行选点,利用已有的交流互联通道进行布点,将交流弱互联改造为柔性强互联。根据系统需求,结合线路实施条件如原有线路的输送能力、增容改造的可行性等确定互联的端数及规模。
以广州电网为例,根据广州电网的现状,北郊-楚庭供电片区、木棉-海珠供电片区在一定程度上存在互联需求。下文以北郊-楚庭片区来分析互联方案。
基于北郊-楚庭互联需求,考虑充分利用现有交流通道建设柔性互联工程。目前北郊-楚庭现有的220 kV珠江南北交流通道共3个,但伍仙门-罗涌通道的220 kV伍仙门变电站为线变组接线,非双母线接线,不具备改造的条件,不予考虑。可考虑利用现有花地-罗涌通道或者泮塘-罗涌通道实时互联方案,实现北郊-楚庭柔性互联。
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在不同的应用场景下,北郊-楚庭柔性互联输送容量需求如表1所示。考虑天广直流双极故障以及白云气电敏感性分析下的各类故障,通过柔性互联由楚庭供电片区向北郊供电片区送电200~600 MW以满足不同运行需要。
应用场景 控制目标 互联输送容量要求 天广直流双极闭锁,北郊3台主变负载率约106% 北郊3台主变不过载 楚庭向北郊送电300 MW 白云气电停机备用,北郊-嘉禾双回线路N−1负载率102% N−1不过载 楚庭向北郊送电200 MW 白云气电停机备用,北郊-嘉禾双回线路同塔N−2,北郊-石井双回线路负载率113% 北郊-石井双回线路不过载 楚庭向北郊送电350 MW 白云气电停机备用,石井-环西同塔N−2,北郊-浔峰一回线路负载率135% 北郊-浔峰一回线路不过载 楚庭向北郊送电300 MW 白云气电停机备用,天广直流双极闭锁,北郊3台主变负载率约122% 北郊3台主变不过载 楚庭向北郊送电600 MW Table 1. Flexible interconnected transmission capacity requirements in different application scenarios
对于互联线路,若考虑对原有输电通道进行旧线增容改造,更换原线路导线为碳纤维复合芯软铝绞线2×JLRX1/JFB-360/40,输送容量约640 MVA;若采用电缆对原有输电通道迁改入地,当电缆截面为2500 mm2时,输送容量约730 MVA。结合系统实际需求以及匹配线路输送能力,北郊-楚庭供电片区的互联规模可按600 MW考虑,交流侧接入220 kV电压等级。
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采用不同互联方式,各种方式下各站点短路电流计算结果如表2所示。采用柔性互联方案时,短路电流水平明显低于采用交流互联方案,各站点的母线短路电流水平均满足安全稳定运行要求。
母线 交流互联 柔性互联 单相 三相 单相 三相 罗涌220 kV母线 49.33 52.61 31.39 28.64 花地220 kV母线 33.58 43.25 27.39 31.97 泮塘220 kV母线 47.62 54.44 30.61 32.75 北郊500 kV母线 50.17 52.74 48.53 48.96 北郊220 kV母线 61.80 56.18 49.43 39.87 楚庭500 kV母线 53.63 52.36 51.85 49.32 楚庭220 kV母线 56.43 63.40 42.85 45.38 Table 2. Short-circuit current calculation results of different interconnection modes
kA -
对于柔性互联背靠背,由于背靠背单元间没有架空线路或电缆,不存在由于线路故障导致整个单元切除的方式,可采用对称单极接线方式。
当不需要换流器提供动态无功支撑,两端换流器无需作为STATCOM 单独运行时,直流侧正、负极母线上仅配置检修用接地开关,如图2所示。
当需要换流器向系统提供动态无功支撑,两端换流器需单独作为STATCOM运行时,直流侧正、负极母线上需配置隔离开关,如图3所示。
方案2比方案1增加了4组隔离开关和相应的测量装置、避雷器等,投资略增加,但可实现单侧停运,另一侧仍能以STATCOM运行,极大提高电网分区的动态特性。考虑灵活性,优先采用方案2。
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1)换流阀
全控型功率器件主要有绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)和注入加强门极晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor,IEGT)、集成门极换向晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors,IGCT)。3种类型的器件在工程中均有应用。由于柔性互联规模为600 MW,交流侧接入电压等级为220 kV,考虑交、直流侧电压的匹配,主要考虑额定电流为1.5 kA、2.0 kA、3.0 kA的器件。换流阀初步参数如表3所示。
方案 额定电流/kA 直流电压/kV 阀交流侧电压(rms)/kV 直流电流/kA 阀塔尺寸(长×宽×高) 桥臂阀塔数 1 3.0 ±110 115 2.727 ~7.8 m×5 m×7.5 m 1 2 2.0 ±160 166 1.875 ~8.8 m×5 m×9.5 m 1 3 1.5 ±210 220 1.429 ~8.4 m×4.4 m×7.5 m 2 Table 3. Preliminary parameters of the converter
方案1直流电压等级低、设备绝缘水平低、设备尺寸小、占地小、投资低;方案3的桥臂尺寸偏大,约为方案1的1.7~2.4倍,不同厂家的方案略有差异。考虑占地及投资,优先采用电压等级较低的方案1。
2)联接变压器
为了隔离交、直流侧的相互影响,避免零序分量对电网的影响,联接变压器多采用
${\rm{Yn}}/ {\rm{Y}}$ 或${\rm{Yn} / \Delta}$ 接法,同时阀侧带分接头控制。联接变压器主要有单相变压器和三相变压器两种结构型式。对于600 MW的柔性互联系统,当采用单相变压器时,数量考虑为7台,其中1台为备用相。当采用三相变压器时,数量为3台,其中1台为备用。
用于城市柔性背靠背互联的联接变压器,由于城市土地资源有限、布置条件受限,需考虑紧凑型设备,可采用三相变压器,以减少占地面积;计及备用变费用后,综合节省设备费用约25%。
另外,考虑到城市内邻避效应、噪声的控制等,同时结合换流阀的水冷却系统,联接变可考虑采用水冷却方式。
3)桥臂电抗器
桥臂电抗器主要有油浸式铁芯电抗器和干式空心电抗器两种型式,对比分析如表4所示。
性能 油浸式铁芯电抗器 干式空心电抗器 绝缘 需同时考虑主、纵绝缘 只需考虑纵绝缘 噪声 冷却方式为风扇和油泵强迫冷却,辅助设备多,噪声较大 无辅助设备,噪声较低 电感值 电感值较大,一般为上百mH,且会存在磁饱和问题 可以做到较小电感值,且工作线性度好 漏磁 漏磁很小,基本可以忽略不计 漏磁较大 重量 因为含铁芯和绝缘油,重量较大 不含铁芯和绝缘油,重量较小 维护工作量 含油,存在漏油和其他附件维护问题,维护工作量较大 无油,维护工作量较小 抗震 低位布置,抗震性能好 高位布置,抗震性能略差 抗污秽能力 抗污秽能力强 绝缘材料对重污秽环境适应能力略差 Table 4. Comparative analysis of the performance of two types of arm reactors
考虑线性度、维护便捷性,目前工程中桥臂电抗器采用干式空心型式居多,但当电抗器布置在户内时,由于漏磁的存在,需要考虑其对周边金属构件的影响。
在采用油浸式电抗器时,为节省占地,当生产、制造满足要求的前提下,可考虑三相一体电抗器。
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由于城市地区用地紧张,考虑邻避效应及换流站与周边相协调,推荐采用户内紧凑布置。
户内紧凑型布置时,应根据工艺要求合理分区,使工艺流程顺畅,不应造成功能混杂、工艺迂回。同时布置应优化,节能节地。
每个分区在有机联系的同时,应尽量独立,减少各分区间的影响。背靠背柔性互联站按功能可分为两端交流区域、阀厅、直流场区域等,各功能分区间的联系如图4所示。
采用多层布置时,各层应考虑如下因素:
1) 由于变压器为含油设备,且较重,所以变压器考虑设置在一层。
2) 由于桥臂电抗器存在振动,为避免设备的振动对建筑结构的影响,桥臂电抗器宜布置在一层。
3) 考虑布置的匹配性,阀厅和直流场相应布置在二层。
4) 根据层高的差异,功能房间就近设置在相关区域。
对于辅助设施可根据工艺要求就近布置。若外冷却系统采用水冷方式,则辅助设施如外冷却塔、水池等就近设置在配电装置楼周边;若外冷却系统采用风冷方式,则可设置在配电装置楼屋顶。
当采用紧凑布置时可节省约40%的空间,适应于城市用地紧张的需求。
Research on Flexible Interconnection of Urban Power Grid
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.002
- Received Date: 2022-08-09
- Rev Recd Date: 2023-03-06
- Available Online: 2023-08-21
- Publish Date: 2023-09-10
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Key words:
- VSC-HVDC /
- partition /
- interconnection /
- mutual support /
- compact design
Abstract:
Citation: | XU Liangde, GUO Jinchuan, GUO Ting, CHEN Yahao. Research on Flexible Interconnection of Urban Power Grid[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2023, 10(5): 9-16. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.002 |