饒宏,周月賓,李巍巍,等/柔性直流輸電技術(shù)的工程應(yīng)用和發(fā)展展望/2023,47(1):1-11.
研究背景
直流輸電是“西電東送”的主要形式，為中國(guó)能源資源大范圍優(yōu)化配置發(fā)揮了重要作用。柔性直流輸電是新一代的直流輸電技術(shù)，在風(fēng)電送出、電網(wǎng)互聯(lián)、無源網(wǎng)絡(luò)供電和遠(yuǎn)距離大容量輸電等場(chǎng)景得到充分發(fā)展和工程應(yīng)用，其輸電能力已經(jīng)達(dá)到特高壓等級(jí)，與傳統(tǒng)直流輸電相當(dāng)，在歐洲等部分地區(qū)甚至已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)直流輸電。柔性直流輸電已經(jīng)成為直流輸電的發(fā)展趨勢(shì)，正在深刻影響著電網(wǎng)的發(fā)展格局，將是未來新能源電站送出的重要技術(shù)手段。
柔性直流輸電與傳統(tǒng)直流輸電的異同
傳統(tǒng)直流輸電的送受兩端都要有穩(wěn)定、足夠強(qiáng)度的交流系統(tǒng)，柔性直流輸電不但不依賴電網(wǎng)，而且能夠主動(dòng)構(gòu)網(wǎng)，給電網(wǎng)提供強(qiáng)的支撐能力。在輸電能力方面，盡管柔性直流輸電已經(jīng)達(dá)到特高壓等級(jí)，但是受限于器件的通流能力，輸送容量還無法達(dá)到傳統(tǒng)直流輸電的最高水平。在經(jīng)濟(jì)性方面，圖1給出了傳統(tǒng)直流輸電與柔性直流輸電的主設(shè)備損耗和投資分布的比較，傳統(tǒng)直流輸電的變壓器損耗略高于換流閥，柔性直流換流閥成本可以占據(jù)總設(shè)備成本的一半以上，而傳統(tǒng)直流輸電的變壓器成本占比較高。
圖1 傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電的主設(shè)備損耗與投資分布比較
中國(guó)柔性直流輸電技術(shù)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
1）柔性直流輸電技術(shù)用于新能源送出。南澳工程是中國(guó)首個(gè)百千伏、百兆瓦級(jí)柔性直流輸電工程，其成功實(shí)施為中國(guó)后續(xù)柔性直流輸電的技術(shù)研發(fā)、集成設(shè)計(jì)、裝備研制、系統(tǒng)試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)體系奠定了良好基礎(chǔ)。2021年中國(guó)建成了±400 kV/1 100 MW如東海上風(fēng)電柔性直流輸電示范工程，目前正在研發(fā)±525 kV等級(jí)的柔性直流輸電技術(shù)送出技術(shù)方案。
2）柔性直流輸電技術(shù)用于電網(wǎng)互聯(lián)。魯西背靠背工程位于云南與廣西交界的羅平縣，通道總?cè)萘繛? 000 MW，是中國(guó)首次將千兆瓦級(jí)柔性直流輸電應(yīng)用于“西電東送”主電網(wǎng)，其成功實(shí)施一方面提高了中國(guó)柔性直流輸電的裝備制造能力，另一方面提高了中國(guó)在柔性直流輸電與主電網(wǎng)交互影響方面的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，為柔性直流輸電未來在主電網(wǎng)更大范圍的推廣應(yīng)用奠定了技術(shù)和工程實(shí)踐基礎(chǔ)。
3）柔性直流輸電技術(shù)用于遠(yuǎn)距離架空線輸電。昆柳龍直流工程是落點(diǎn)廣東的第10回高壓直流輸電工程，采用特高壓柔性直流輸電技術(shù)、柔性直流遠(yuǎn)距離架空線故障自清除技術(shù)、混合多端直流輸電技術(shù)將烏東德水電站的電力輸送至兩廣負(fù)荷中心。該工程的成功實(shí)踐，證明了柔性直流輸電技術(shù)已經(jīng)具備特高壓輸電能力，完全適應(yīng)遠(yuǎn)距離大容量輸電場(chǎng)景，并且可以與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)構(gòu)成一種新的直流輸電系統(tǒng)，為中國(guó)“西電東送”的持續(xù)實(shí)施提供了新的解決方案。
柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展前景和挑戰(zhàn)
1）千萬千瓦級(jí)大規(guī)模新能源發(fā)電基地柔性直流送出：送、受端電網(wǎng)的特性決定了大規(guī)模新能源基地采用柔性直流輸電技術(shù)送出將是重要的技術(shù)方案，送端大規(guī)模新能源的組網(wǎng)，帶來寬頻振蕩、交流保護(hù)靈敏度不足等突出問題；超遠(yuǎn)距離架空線面臨直流線路故障清除、盈余功率耗散等關(guān)鍵性問題；受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的提高也有待進(jìn)一步深入研究。
2）更大容量的海上風(fēng)電柔性直流送出：更大規(guī)模海上風(fēng)電集中送出能夠有效降低送出成本。為滿足未來億千瓦級(jí)海上風(fēng)電基地開發(fā)和電網(wǎng)消納需求，需要數(shù)百萬千瓦、甚至千萬千瓦級(jí)海上風(fēng)電匯集組網(wǎng)直送負(fù)荷中心，其主要難點(diǎn)是多端協(xié)調(diào)控制，以及電纜和架空線混合輸電系統(tǒng)的直流側(cè)故障高速高精度定位、電纜故障的快速隔離、架空線故障的快速清除與再啟動(dòng)等。此外，海上風(fēng)電中頻匯集直流送出、風(fēng)機(jī)全直流組網(wǎng)、低頻送出等新型柔性并網(wǎng)技術(shù)也是近年來的研究熱點(diǎn)，需要評(píng)估不同送出方式的經(jīng)濟(jì)性，在技術(shù)層面需要深入研究系統(tǒng)運(yùn)行特性、控制保護(hù)技術(shù)和精確模擬仿真驗(yàn)證方法，建立非標(biāo)裝備的研制和試驗(yàn)技術(shù)體系。
3）多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)：多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)的概念近年來被提出，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功率調(diào)節(jié)、故障隔離等技術(shù)還未得到系統(tǒng)研究，而且缺乏直流變壓器和直流潮流控制器等核心裝備支撐。現(xiàn)實(shí)來看，多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)在短期內(nèi)尚無技術(shù)需求。
4）含高比例新能源的交直流大電網(wǎng)仿真分析技術(shù)：為滿足疊加高比例新能源的全景交直流大電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真研究分析對(duì)精度和規(guī)模的要求，需進(jìn)一步突破能夠精確模擬電力電子高頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的微秒級(jí)仿真建模方法、風(fēng)光新能源場(chǎng)站全拓?fù)鋱?chǎng)景實(shí)時(shí)仿真方法和支撐更大仿真規(guī)模的高效高精度仿真解算方法。
5）高壓大容量柔性直流核心裝備：目前中國(guó)柔性直流換流閥的裝備集成技術(shù)已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，但是換流閥電力電子器件、直流電容器等核心元件和控制芯片仍然依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化研制工作仍需大力推進(jìn)；近10年中國(guó)高壓直流電纜的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和運(yùn)行技術(shù)也取得長(zhǎng)足發(fā)展，未來更高電壓等級(jí)、更大截面、更長(zhǎng)距離的直流電纜也可能出現(xiàn)，主要難點(diǎn)是更高運(yùn)行溫度的電纜絕緣材料、大厚度大長(zhǎng)度的擠出工藝和電纜試驗(yàn)技術(shù)等。
結(jié) 語
在中國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的背景下，針對(duì)新能源送出和多直流饋入電網(wǎng)安全穩(wěn)定提升等重大需求，柔性直流輸電技術(shù)優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步凸顯。本文對(duì)柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行梳理，以多個(gè)代表性的柔性直流輸電工程為例，系統(tǒng)地闡述了中國(guó)柔性直流輸電技術(shù)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)介紹了柔性直流輸電技術(shù)在新能源送出、電網(wǎng)互聯(lián)和遠(yuǎn)距離大容量輸電的典型應(yīng)用及工程運(yùn)行情況。最后分析了新型電力系統(tǒng)下柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展前景并指出所面臨的挑戰(zhàn)，為柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供參考。
/ 引文信息
饒宏,周月賓,李巍巍,等.柔性直流輸電技術(shù)的工程應(yīng)用和發(fā)展展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2023,47(1):1-11. DOI:10.7500/AEPS20220330004.
RAO Hong, ZHOU Yuebin, LI Weiwei, et al. Engineering Application and Development Prospect of VSC-HVDC Transmission Technology[J]. Automation of Electric Power Systems, 2023, 47(1):1-11. DOI:10.7500/AEPS20220330004.
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