【南方电网（辛清明）】2024年常规直流高效经济设计与支撑性能提升报告_35页_9mb

常规直流高效经济设计与支撑性能提升总结

一、直流输电技术发展

我国高压直流输电工程主要用于解决能源资源与用电需求逆向分布的问题，是“西电东送”的主要方式。常规直流输电技术具有容量大、损耗小、成本低等优势，目前仍广泛应用于我国电网中。随着新能源接入带来的电网强度下降，对直流输电技术提出了新的需求，支撑性柔性直流技术将成为未来发展的趋势。

二、常规直流高效经济设计

1. 换流变、无功容量、滤波成本综合经济设计

• 存在问题：换流变短路阻抗、小组无功容量、谐波安装容量三者存在复杂关联，影响系统造价。
• 优化方案：综合考虑三者对系统的影响，确定最经济的技术方案。
• 公式示例：
  $$
  u _ {k _ {-} \min } = \frac {2 I _ {\mathrm {d N}}}{I _ {\mathrm {M}}} - \frac {S _ {\mathrm {N}}}{S _ {\mathrm {SC} _ {-} \max }} (%)
  $$
  $$
  Q = P _ {d c} \cdot \frac {(\mu - \sin \mu \cdot \cos (2 \cdot \alpha + \mu)}{\sin \mu \sin (2 \alpha + \mu)}
  $$

2. 直流滤波系统优化提升

• 设备组成：包括平波电抗器、直流滤波器、冲击电容器。
• 优化措施：
  • 提升主电容器容量，避免双组配置。
  • 优化接地极线路过电压特性，降低冲击电容器需求。
  • 采用阻波器电抗器与平波电抗器同型设计，节省备品。
  • 阻波电容器按次/超调谐点交叉布置，提升阻波带宽。
• 取消直流滤波器：随着光纤通信的发展，直流侧谐波干扰减小，可考虑取消直流滤波器以降低成本。

3. 交流滤波器经济设计方法

• 存在问题：采用扇形谐波阻抗区域设计，导致滤波器设计困难。
• 优化方案：采用多边形谐波阻抗边界设计，降低系统与滤波器谐振概率，简化滤波器定值要求。

4. 无接地极运行

• 问题：直流接地极故障或不可用时的运行问题。
• 解决方案：提出限制入地电流及持续时间、双极电流跟随及平衡、基于阴极保护的电流控制等策略，实现无接地极运行，为取消接地极奠定基础。

5. 运行方式快速转换

• 问题：现有大地转金属方案依赖隔离开关，动作速度慢，难以实现快速转换。
• 解决方案：通过上下桥臂直通形成旁通对，实现快速大地转金属回路，适用于多种拓扑结构。

6. 智利Kilo直流工程应用

• 快速潮流反转控制策略：满足频繁潮流反转需求。
• 无接地极方案：采用金属中线方案。
• STATCOM+直流协同功率恢复：应对弱系统功率恢复问题。
• 次/超同步阻波器交叉配置：降低交直流耦合影响。

三、常规直流支撑性能提升

1. 控制响应提升

• 时间维度可行性：首次换相失败发展为多次换相失败的时间（3ms-10ms）远大于晶闸管阀关断时间（0.5ms），为换相失败预防提供时间窗口。
• 空间维度可行性：多直流馈入电网中，交流故障初期各直流响应具有独立性和概率性，可通过逆变器自身抗扰动能力减少同时换相失败回数。

2. 控制手段提升换相失败控制能力

• 新型同步锁相技术：提高交流电压相位跟踪精度，降低换相失败概率。
• 自治控制：在交流故障期间，各直流系统依据自身能力对电压进行支撑，避免相继换相失败。

3. 稳态无功调节能力提升

• 无功调节范围：在运行约束边界内，常规直流可发挥吸收容性无功能力，提升系统稳定性。
• STATCOM配合：实现无功的无级调节，兼顾动态无功支撑，帮助系统恢复。

4. 故障恢复调节能力提升

• VDCOL参数优化：早进晚退，先稳电压后升电流，有利于电压恢复和稳定。
• STATCOM控制延时降低：提高故障期间输出电流控制性能，实现故障穿越。

5. 功率紧急支撑能力提升

• 过负荷能力：常规直流功率运行范围大，短时可达1.5pu，可快速支撑送受端功率。
• 协同调度：放开频率支撑功率调节范围，提升受端电网频率调节能力。

6. 滤波功能增强

• 谐波及谐振综合治理：交流滤波器设计兼顾谐波调节，抑制柔性直流高频谐振。
• STATCOM配合：实现谐波谐振的有源调节，提升控制效果。

7. 混合直流配置

• 经济性提升：柔性直流成本虽降，但仍高于常规直流。混合配置可提升系统稳定性，节省总体投资。
• 基本拓扑结构：常规直流与柔性直流混合配置，适用于大规模新能源送出。

总结

常规直流输电技术在“西电东送”中发挥重要作用，具有经济性好、运行稳定等优势。面对新能源大规模接入带来的系统适应性挑战，需通过优化设计、提升控制响应、增强无功调节能力、改进故障恢复机制等方式进一步提升其支撑性能。同时，结合柔性直流技术，实现混合配置，既保障系统安全，又降低总体投资。未来，常规直流将在新型电力系统中持续发挥关键作用。