世界主要遠(yuǎn)緣國大容量直流輸電工程的可靠性分析

世界主要遠(yuǎn)緣國大容量直流輸電工程的可靠性分析

中國幅員遼闊，能源分布和負(fù)荷開發(fā)不均。水力資源主要集中在西南部的幾個(gè)省份，自然資源主要集中在山西省、陜西省和內(nèi)蒙古西部，負(fù)荷主要集中在東部沿海地區(qū)。因此，從遠(yuǎn)處不再規(guī)劃的能源生產(chǎn)是必然的。而高壓直流輸電(HVDC)技術(shù)的成功應(yīng)用之一就是遠(yuǎn)距離大容量輸電。這對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求,而其可靠性的改善也將給整個(gè)電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來巨大的效益。我國自1990年葛洲壩—上?！?00kV高壓直流輸電工程投產(chǎn)以來,天生橋—廣州±500kV直流輸電工程又于2001年8月雙極投入運(yùn)行。然而葛上線投運(yùn)10多年來。各項(xiàng)可靠性指標(biāo)都比較低,但這并不能代表世界直流輸電技術(shù)的實(shí)際水平。筆者根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議14.04工作組1989～1998年統(tǒng)計(jì)資料,對(duì)世界主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程的可靠性進(jìn)行了綜合分析,期望能給出比較客觀的直流輸電系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù),供直流輸電可行性研究、綜合比較和決策部門參考。2交流系統(tǒng)故障是制約因素表1至表5給出世界主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程強(qiáng)迫停運(yùn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。表1和表2給出了包括直流輸電系統(tǒng)兩端換流站的單極、雙極和12脈動(dòng)換流閥組故障總計(jì)次數(shù)以及故障實(shí)際平均持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這里只計(jì)及故障的實(shí)際持續(xù)時(shí)間,沒有考慮強(qiáng)迫停運(yùn)造成容量損失的相對(duì)大小,即并沒有將停運(yùn)時(shí)間折合到全部額定容量的等效停運(yùn)時(shí)間。如表2所示,1989～1998年世界主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程平均年強(qiáng)迫單極停運(yùn)次數(shù)為9.08次,年強(qiáng)迫雙極停運(yùn)次數(shù)為0.64次。根據(jù)文獻(xiàn)提供的葛上線1989～2000年強(qiáng)迫停運(yùn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和表2數(shù)據(jù)可知:葛上線的年平均單極強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)(18.6)明顯高于其它直流工程(平均值為9.08)。但是,1998年后,葛上線單極停運(yùn)次數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)(1999年單極停運(yùn)10次,2000年單極停運(yùn)12次)。葛上線雙極年平均停運(yùn)次數(shù)(0.78)處于同期投產(chǎn)工程(平均值為0.64)的較低水平。為了進(jìn)一步分析造成直流輸電系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)的各種不同原因,對(duì)于強(qiáng)迫停運(yùn)可按引起系統(tǒng)停運(yùn)的設(shè)備故障源不同而更進(jìn)一步地細(xì)分,這樣便于尋找直流系統(tǒng)中的可靠性薄弱環(huán)節(jié)。CIGRE建議將引發(fā)強(qiáng)迫停運(yùn)的設(shè)備或原因分為如下6種類型:(1)交流系統(tǒng)及其輔助設(shè)備。它包括交流濾波器、換流站無功補(bǔ)償并聯(lián)電容器組、交流系統(tǒng)的控制和保護(hù)設(shè)備、換流變壓器、同步調(diào)相機(jī)、交流系統(tǒng)輔助設(shè)備和交流開關(guān)場(chǎng)的其它設(shè)備。(2)換流閥(包括換流閥冷卻系統(tǒng))。(3)高壓直流輸電系統(tǒng)的控制和保護(hù)設(shè)備。它包括換流站的控制和保護(hù)設(shè)備、控制中心的控制和保護(hù)設(shè)備以及控制和保護(hù)信號(hào)的形成及傳輸系統(tǒng)。(4)其它直流系統(tǒng)一次設(shè)備。它包括直流濾波器、直流電抗器、直流開關(guān)設(shè)備、直流接地極、直流接地極線以及直流開關(guān)場(chǎng)和閥廳的其它設(shè)備。(5)架空或電纜輸電線路。由于是遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電,所以這里只考慮直流架空線路。(6)其它。包括由于人為原因和其它不明原因造成高壓直流輸電系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)。表3給出了各類故障引發(fā)的強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)以及相應(yīng)的等效停運(yùn)小時(shí)數(shù)。這里,將實(shí)際強(qiáng)迫停運(yùn)持續(xù)時(shí)間折算為等效停運(yùn)小時(shí)數(shù),以便將停運(yùn)時(shí)間折合到全部額定容量的等效停運(yùn)時(shí)間。其中,等效停運(yùn)小時(shí)數(shù)=實(shí)際停運(yùn)小時(shí)數(shù)乘以由于停運(yùn)而損失的輸電容量與總額定容量的比值。如表3所示,1989～1998年世界主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程的年平均等效強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間為256.76h。其中,由于交流系統(tǒng)設(shè)備故障強(qiáng)迫停運(yùn)等效時(shí)間為192.59h,由于閥故障強(qiáng)迫停運(yùn)等效時(shí)間為27.44h,由于直流輸電線路故障強(qiáng)迫停運(yùn)等效時(shí)間為21.50h,由于直流系統(tǒng)一次設(shè)備故障強(qiáng)迫停運(yùn)等效時(shí)間為10.01h,由于直流系統(tǒng)控制和保護(hù)設(shè)備故障強(qiáng)迫停運(yùn)等效時(shí)間為5.32h,其它故障強(qiáng)迫停運(yùn)等效時(shí)間為2.10h。綜上所述,目前交流系統(tǒng)故障是引起直流系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)的首要因素。也就是說,對(duì)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電的現(xiàn)代高壓直流輸電系統(tǒng),換流站的可靠性水平已不再是影響整個(gè)高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性的最主要因素。然而根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議公布的數(shù)據(jù),世界上投入運(yùn)行的各種類型高壓直流輸電工程1983～1996年綜合年平均強(qiáng)迫停運(yùn)等效時(shí)間僅為117.1h。這里,引起遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程的年平均等效強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間和國際大電網(wǎng)會(huì)議公布的包括所有高壓直流輸電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)間差異的一個(gè)原因是:遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電系統(tǒng)包括較長(zhǎng)的直流架空輸電線路,容易遭受故障。另外一個(gè)原因是:在1997和1998年,NelsonRiverBP1P1系統(tǒng)、NelsonRiverBP2系統(tǒng)以及Rihand-Dadri系統(tǒng)的換流變壓器發(fā)生較為嚴(yán)重故障,引起等效強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間都在300h以上,最大甚至達(dá)到2922.9h。如果只考慮1989～1996年數(shù)據(jù),各主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程的各類故障引發(fā)的強(qiáng)迫停運(yùn)情況為:年平均等效強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間為140.16h,其中,由于交流系統(tǒng)設(shè)備故障引起強(qiáng)迫停運(yùn)等效時(shí)間為49.61h。表4,表5給出了強(qiáng)迫停運(yùn)的頻率及平均持續(xù)時(shí)間。由于高壓直流輸電系統(tǒng)每一極采用12脈動(dòng)換流閥組個(gè)數(shù)不同,因此將分別考慮兩種類型系統(tǒng),分別如表4和5所示。與表1不同,表4,表5將強(qiáng)迫停運(yùn)的頻率及平均持續(xù)時(shí)間折算到兩端系統(tǒng)的一個(gè)換流站,其中列出的數(shù)據(jù)可由表1相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算后得到。表4中,單極故障的單位為:次/(極·站·年),含義為平均每年每個(gè)換流站每個(gè)極強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)。雙極故障的單位為:次/(站·年),含義為平均每年每個(gè)換流站雙極強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)。表5中,換流閥組故障的單位為:次/(換流閥組·站·年),含義為平均每年每個(gè)換流站每個(gè)換流閥組強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)。如表4,表5所示,每極只含有1個(gè)12脈動(dòng)閥組的高壓直流輸電系統(tǒng)的單極強(qiáng)迫停運(yùn)率為3.29次/(極·站·年),雙極強(qiáng)迫停運(yùn)率為0.687次/(站·年)。每極含有2個(gè)及2個(gè)以上12脈動(dòng)閥組的高壓直流輸電系統(tǒng)的單極強(qiáng)迫停運(yùn)率為1.42次/(極·站·年),雙極強(qiáng)迫停運(yùn)率為0.183次/(站·年)。顯然,每極含有2個(gè)及2個(gè)以上12脈動(dòng)閥組的高壓直流輸電系統(tǒng)的單極強(qiáng)迫停運(yùn)率和雙極強(qiáng)迫停運(yùn)率要低于每極只含有1個(gè)12脈動(dòng)閥組的高壓直流輸電系統(tǒng)。3世界主要東北部的可控硅有效指標(biāo)鑒于換流閥在現(xiàn)代高壓直流輸電系統(tǒng)中的核心作用,而換流閥又是由許多可控硅元件串并聯(lián)組成,因此在研究高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性時(shí)有必要研究可控硅元件的故障率,這也為換流站準(zhǔn)備備品備件提供依據(jù)。表6列出了世界主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程1989～1998年的可控硅故障率。如表6所示,1989～1998年世界主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程的可控硅故障率平均值為0.06%。根據(jù)CIGRE統(tǒng)計(jì)的1989～1998年世界各主要高壓直流輸電系統(tǒng)換流站的強(qiáng)迫電能不可用率,說明使用可控硅閥大大提高了換流站的可靠性。4換相失敗原因采用可控硅的高壓直流輸電系統(tǒng)中,換相失敗是逆變器最常見的故障。剛退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi),如果未能恢復(fù)阻斷能力,或者在反向電壓期間換相過程一直未能進(jìn)行完畢,這兩種情況在閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r(shí),后觸發(fā)的閥都將向原來預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相,這稱之為換相失敗。造成換相失敗故障的原因有:①交流電壓下降;②直流電流增大;③交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障引起線電壓過零點(diǎn)相對(duì)移動(dòng);④觸發(fā)越前角β過小或整定的關(guān)斷角γ過小?？梢酝ㄟ^換相失敗率來考察換流閥和控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能。表7和表8列出了1989～1998年世界主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程的換相失敗次數(shù)和交流系統(tǒng)故障記錄次數(shù)。在統(tǒng)計(jì)中,由交流系統(tǒng)故障引起的換相失敗稱為由外部原因引起換相失敗;由直流控制系統(tǒng)、開關(guān)動(dòng)作等其它因素引起的換相失敗稱為內(nèi)部原因引起換相失敗。根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議要求,應(yīng)當(dāng)記錄逆變站交流換流母線電壓值低于90%發(fā)生的次數(shù)作為交流系統(tǒng)故障記錄次數(shù)。如表8所示,1989～1998年世界主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程的換相失敗年平均次數(shù)為43.3次。5最大允許連續(xù)傳輸容量的確定考察高壓直流輸電系統(tǒng)的另一個(gè)重要指標(biāo)為電能可用率。根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議14.04工作組的定義,電能可用率(EnergyAvailabilitypercent)定義為:衡量由于換流站設(shè)備和直流架空輸電線路或電纜線路強(qiáng)迫和計(jì)劃停運(yùn)造成能量傳輸量限制的程度,并將它表示成基于高壓直流系統(tǒng)最大允許連續(xù)傳輸容量的百分?jǐn)?shù)。其計(jì)算公式為:電能可用率(%)=100×(1-全部等效停運(yùn)小時(shí)數(shù)/考察時(shí)間段小時(shí)數(shù))。最大允許連續(xù)傳輸容量,是指排除通過備用設(shè)備獲得的附加容量后得到正常運(yùn)行方式下所能夠達(dá)到的最大傳輸容量,單位為MW。考察時(shí)間段小時(shí)數(shù)=在所考察時(shí)間段中的日歷小時(shí)數(shù)。全年段小時(shí)數(shù)為8760,或在閏年中為8784。表9列出了1989～1998年世界主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程的電能可用率。如表9所示,1989～1998年世界主要遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電工程的電能可用率平均值為93.2%,在統(tǒng)計(jì)的10個(gè)遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸