世界柔性直流输电工程建设与应用案例.docx
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世界柔性直流输电工程建设与应用案例
世界柔性直流输电工程建设与应用案例
1工程概览
目前世界范围内已投入商业运行的柔性直流工程共有9项,均取得了良好的运行业绩,还有1项在建。
其中6项工程在欧洲,2项在大洋洲,2项在北美洲。
Estlink
柔性直流工程的地理分布如图4-1所示。
工程的主要技术指标如表4-1所示。
图4-1世界柔性直流工程分布图
表4-1ABB公司世界范围内已经投运的VSC-HVDC工程的主要技术指标
工程名称
国家
投运时间
额定功率
两侧交流
电压
(kV)
直流电
压
(kV)
直流
电流
(A)
长度
(km)
运营商
Hellsjon
瑞典
1997
-03
3MW/
3Mvar
10/10
±10
150
10
VBElnätSweden
Gotland
瑞典
1999
-06
50MW/
±30Mvar
80/80
±80
350
2×70
GEAB
Sweden
Directlink
澳大
利亚
1999
-12
3×60MW/
±75Mvar
132/110
±80
342
6×59
TransÉnergieU.S.
Tjaereborg
丹麦
2000
-08
7.2MW/
-3~+4Mvar
10.5/10.5
±9
358
2×4.3
NorthPowerAustrilia
EaglePass
美国-
墨西哥
2000
-09
36MW/
±36MVar
132/132
±15.9
1100
背靠背
EltraDenmark
续表4-1ABB公司世界范围内已经投运的VSC-HVDC工程的主要技术指标
工程名称
国家
投运时间
额定功率
两侧交流
电压
(kV)
直流电
压
(kV)
直流
电流
(A)
长度
(km)
运营商
CrossSoundCable
美国
2002
330MW/
±75Mvar
345/138
±150
1175
2×40
AEPUSA
MurrayLink
澳大
利亚
2002
200MW/+140
~-150Mvar
132/220
±150
1400
2×180
TransÉnergieU.S.
TrollA
挪威
2004
40MW
132kV/
50Hz
56kV/
0-63Hz
±60
-
4×70
TransÉnergieAustralia
Estlink
爱沙
尼亚
2006
350MW
-
±150
1230
105
STATOIL
Norway
2工程详述
2.1Hellsjon工程
1997年3月,ABB公司进行了首次VSC-HVDC的工业试验,该工程位于瑞典中部的赫尔斯扬(Hellsjon),额定容量3MW,直流电流150A,直流电压±10kV。
该工程自建成以来完成了复杂的试验计划,验证了有功无功独立控制,连接无源交流电网,滤波容量小等VSC-HVDC特有的性能,获得了VSC-HVDC运行的详细技术数据。
图4-2Hellsjon工程系统单线图
图4-3Hellsjon工程实景图
2.2Gotland工程
图4-4Hellsjon工程三维布局图
1999年6月,瑞典哥特兰(Gotland)岛的VSC-HVDC工程投入运行。
这是世界上第一个商业化运行的VSC-HVDC工程,额定容量50MW,两端的交流电网电压80kV,直流电压±80kV,直流电流350A,输电距离70km。
该系统将Nas风电场的电能送到
Visby市。
为风力发电提供电压支持且采用地下电缆输送电能,对环境的影响很小。
Gotland工程的运行经验表明,柔性直流输电与交流输电并联运行很好地解决了以下问题:
(1)使交流电网更易于监测,减弱了功率变化对交流电网造成的压力;
(2)随着风电功率的增加,电压质量得到明显改善,减小了电压跌落等给敏感负荷
(如大型工业企业)带来的损失;
(3)
根据风机出口功率的变化,灵活快速地控制潮流,避免交流线路过载,减少线路损耗,有助于实现调度自动化。
图4-5Gotland工程系统单线图
图4-6Gotland工程实景图
图4-7Gotland工程三维布局图
2.3DirectLink工程
2000年,澳大利亚投运的DirectLink工程将新南威尔士电网和昆士兰电网连接起来,并在两个电网之间进行电力市场交易,线路传输的功率由市场交易结果决定。
该工程额定容量180MW(3×60MW)/±75Mvar,两端交流电压132/110kV,直流电压±80kV,直流电流342A,地下电缆6×59km。
该工程主要目的是异步联网进行电力交易并满足环境要求。
DirectLink工程的显著特点:
(1)6条59公里的输电电缆全部埋于地下;
(2)系统设计保证输电线上传输的功率可以准确地计算和控制;
(3)两端换流站实现独立运行,必要时作为电压调节器(VAR)支撑它所连接的弱交流电网的母线电压。
DirectLink工程的运行经验表明它已出色地实现了所有的设计功能。
图4-8DirectLink工程系统单线图
2.4Tjaereborg工程
图4-9DirectLink工程实景图
2000年6月,丹麦投运了用于风力发电的VSC-HVDC示范工程Tjaereborg工程,
该工程额定容量7.2MW/-3~+4Mvar,直流电压±9kV,直流电流358A,输电距离4.3km。
该工程主要为了解决风力发电引起的无功功率和电压问题。
Tjaereborg工程主要用于验证VSC-HVDC凭借其优秀的控制性能能否将风电功率高质量并可靠地送出。
Tjaereborg工程风电场端换流站出口频率跟随风机频率改变,与
Gotland工程类似,Tjaereborg工程也是将VSC-HVDC输电线路与交流输电线路并联,控制系统根据风机出力自动投切两条线路,当发电功率低于0.5MW时,交流线路单独运行,发电功率高于0.7MW时,直流线路单独运行,发电功率在0.5MW到0.7MW之间时则是两条线路并联运行。
Tjaereborg工程的成功运行为我们积累了以下经验:
(1)低风速和高风速时风机的启停;
(2)控制风机自动同步,实现交直流并联线路的平滑切换;
(3)孤立风场可借助VSC-HVDC进行黑启动;
(4)
换流站变频,连接风机时变频范围是46~50Hz,不连风机时,变频范围可以轻松地达到30~65Hz。
图4-10Tjaereborg工程单线图
图4-11Tjaereborg工程实景图
2.5EaglePass工程
图4-12Tjaereborg工程三维布局图
2000年9月,由EPRI、AEP和ABB联合在美国的伊格帕斯(EaglePass)建设了世界上第1个采用VSC技术实现电网背靠背互联的工程。
该工程增加了向EaglePass的输电能力,解决了EaglePass电网的电压支撑问题,同时也解决了美国电网与墨西哥电网之间电能交换容量的限制问题。
该工程的VSC可以STATCOM方式运行,为两端电网提供36Mvar的无功补偿容量。
EaglePass工程采用背靠背输电方式主要基于以下三点原因:
(1)经济因素,节省了直流电缆的投资;
(2)线路走廊的限制,避免了重新申请交流架空线走廊的难题;
(3)弱连接点,美国方面的电网是弱交流电网,如果采用传统直流技术,背靠背系统将不能正常工作。
图4-13EaglePass工程系统单线图
图4-14EaglePass工程实景图
①IGBT阀
②控制保护平台
③冷却水泵
④冷却水塔
⑤换相电抗器
⑥电阻箱
⑦电容器组
⑧变压器
图4-15EaglePass工程平面布局图
2.6CrossSoundCable工程
2002年7月,美国投运的CrossSoundCable工程将纽约长岛与NewEngland电网非同步联网,直流线路采用2×42km海底电缆,两端交流电压345/138kV,工程额定容
量330MW,直流电压±150kV,直流电流1175A。
选择VSC-HVDC主要是考虑到电力交易和长距离的海底电缆输电。
由于CrossSoundCable工程将柔性直流输电的直流电压和直流电流等级(即单个换流器容量)提高到了一个新的水平,同时该工程于2003年8月美国东北部电网的恢复中起了很好的作用。
因此,该工程的商业化运行,在ABB公司VSC-HVDC技术发展历程中具有里程碑意义。
CrossSoundCable工程是首个海缆柔性直流工程,工程中将海底光缆(由192根光纤合成)与海底电缆捆绑埋于海底地面6英寸以下,一方面保护牡蛎、扇贝等贝类海底生物不被伤害,另一方面也保护海缆免遭捕鱼器械、船锚等的破坏。
CrossSoundCable工程在2003年美国8.14大停电黑启动中起了很好的作用,尤其是在长岛恢复供电时起了主要作用。
大停电后数小时当接到联邦命令后,系统不仅向长岛恢复供电,它的电压控制也创造了奇迹,电网完全恢复前发生的雷电风暴中,20秒内无功从+100Mvar摆到-70Mvar,但CrossSoundCable系统交流母线电压始终保持不变。
图4-16CrossSoundCable工程系统单线图
图4-17CrossSoundCable工程实景图
图4-18CrossSoundCable工程三维布局图
2.7MurrayLink工程
2002年8月,澳大利亚投运的MurrayLink工程,额定容量220MW,两端的交流网络电压132/220kV,直流电压±150kV,直流电流739A,直流线路采用2×180km地下电缆,该工程是目前世界上最长的地下电缆输电项目,工程目的是电力市场交易和将澳大利亚南部RiverLand电网与Victoria电网非同步互联。
MurrayLink工程实现了两端换流站的独立控制,必要时向其所连的弱交流电网提供无功支持和电压控制,运行经验表明MurrayLink工程极大地提高了交流电网的电压稳定性和电能质量。
图4-19MurrayLink工程系统单线图
2.8TrollA工程
图4-20MurrayLink工程两端换流站实景图
2005年10月,挪威投运的TrollA工程,用于向海上天然气钻井平台上的用电设备供电,额定功率2×45MW,两端的交流电压132/56kV,直流电压±60kV,直流电流
350A,输电线路为4×70km海底电缆。
采用VSC-HVDC技术主要考虑到长距离海底电缆输电和环境保护要求。
此外,钻井平台上的同步电动机需要变频(0~63Hz)调速,运行电压在0~56kV范围内变化,而且换流站的空间和重量都受到限制。
TrollA工程首次将柔性直流技术应用于海上钻井平台供电。
它的换流站采用了特殊的“预打包”设计,即将换流站的所有部件整装在一个类似于集装箱的可移动建筑内,如图4-23所示,便于在钻井平台上安装调试。
TrollA工程在控制系统中加入了执行电机调速和转矩控制的指令,其逆变侧和整流侧的控制系统硬件平台完全一样。
在电机的整个运行范围内,VSC-HVDC系统始终保持其功率因数与电机一致,并维持较低的谐波水平和快速的动态响应特性。
两端换流站间没有通讯,通过测量直流电压协调两端换流站的控制。
但控制系统内设计有远程通讯线,在进行陆上远程控制,故障检测以及平台换流站检修时使用。
图4-21TrollA工程单线图
图4-22TrollA工程实景图(平台中心部位)
2.9Estlink工程
图4-23TrollA工程海上换流站模块
2006年12月,Estlink工程竣工,并于2007年1月正式投入运行,通过2×74km
的海底电缆和2×31km的地下电缆联接了芬兰与爱沙尼亚两国的电网,Estlink工程是迄今为止容量最大的柔性直流工程,额定功率350MW,两端交流电压330/400kV,直流电压±150kV。
在波罗的海地区的低温环境下,Estlink工程的过负荷能力为365MW,无功能力为±125Mvar。
Estlink工程的投运使波罗的海地区电网与芬兰电网联网运行,使两大区域之间的电力贸易成为现实,在欧洲建立起更加有效的电力市场;同时柔性直流技术的独立控制功能还提高了两个电网的供电安全性,特别是爱沙尼亚电网的电压质量。
Estlink工程的运行时间虽然只有几个月,但柔性直流输电技术精确的功率控制功能已经突显了它在两国电力交易中的作用,因为该系统能够按照电力买卖合同准确地控制其输电的方向和功率。
图4-24Estlink工程实景图
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