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突破交直流输电“原理性障碍”,有史以来首个直流电网诞生

日期:2020-07-09    来源:科技日报  作者:瞿剑

国际电力网

2020
07/09
15:00
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关键词: 直流电网 清洁能源 直流输电技术

世界首个直流电网——张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程,在经过了168小时调试和试运行之后,6月29日正式投运。张北地区富集的可再生能源成功接入首都电网,2022年北京冬奥会所有场馆实现奥运史上首次100%清洁能源供电有了保障,北京全市用电负荷的1/10也就此实现清洁化。

张北柔直工程鸟瞰

“有史以来所有的电网都是交流电网。”国家电网有限公司表示,由于交、直流输电本身技术特性所限,直流输电主要用于点对点、远距离、大容量电源外送,而不能组网;交流输电则可以满足常规电源送出和电网互联需求,且成本低。

以风电、光伏发电为代表的“随机性、波动性、间歇性可再生能源的大规模接入,对传统输电方式提出了巨大挑战”,按国网公司特高压部主任王绍武的说法,可再生能源接入电网,“遇到原理性障碍”。

对此,国网经研院直流中心主任乐波解释,交流电网需要同时关注有功和无功平衡,功率流向是靠电网的自然阻抗特性分布,可控性差,不灵活;而直流输电能够平抑随机波动的功率,保证负荷平稳供电,更适合大规模可再生能源接入,但由于“直流电流没有过零点,直流断路器、大容量换流阀等设备研发难度大,控制系统复杂”,在柔性直流技术成熟之前,“直流组网很难实现”。

柔性直流(flexible)是20世纪90年代兴起的以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术。国网冀北电力建设部主任田生林用“一个完全可控的水泵”来比喻,它能够精准控制水流的方向、速度和流量,从水源地准确地供水给用户;某个水管坏了,可借助其他水管继续供水,“这在传统交流电网是不可想象的”。

田生林分析,这一“柔性”、灵活特征,缘于它采用最先进的电压源型换流器(VSC)和类似集成电路的全控器件(IGBT),与传统直流采用类似开关的半控型晶闸管器件相比,“可控能力强、功率调节速度快、运行方式灵活”,能够有效抑制交流电压波动,减少功率波动对受端电网影响。所以是破解新能源大规模并网消纳难题的“金钥匙”。

配制出这把“金钥匙”,却不是一件容易的事情。王绍武指出,柔直技术在大规模可再生能源送出等场景的工业化应用,面临三大世界级技术难题,极具挑战性:

一是组网技术空白。只能点对点或一次设定的多点输电,不具备灵活扩建、拓展为直流电网的能力。新能源不同于常规电源,能量密度低、占地面积大。不能自由组网限制了多能互补、时空互补和源网荷协同的空间,难以平抑新能源波动性,支撑大规模开发。

二是输电能力受限。受IGBT器件技术水平限制,单换流器容量在100万千瓦上下,多数工程的容量处于几万到几十万千瓦区间,而常规高压直流输电的单换流器容量都大于150万千瓦,最大已达到300万千瓦。输电容量偏低限制了柔直输电的应用。

三是运行可靠性低。受IGBT器件技术原理约束,相同输电容量下,单换流器单元的串并联半导体“芯片”数量为常规直流的100多倍,控制指令频度为常规直流的200多倍,大幅提高了保证可靠性、稳定性的难度。

张北柔直工程总投资125亿元,新建张北、康保、丰宁和北京4座换流站,额定电压±500千伏,额定输电能力450万千瓦,输电线路长度666千米。张北、康保换流站为送电端,接入新能源,丰宁站为调解端,接入抽水蓄能,北京站为接收端,接入首都负荷中心。工程于2017年12月获国家发改委核准,2018年2月开工建设。

±500千伏康保换流站施工现场,施工人员正在吊装桥臂电抗器。

工程采用我国原创、领先世界的柔性直流电网新技术,创造了12项世界第一,在上述三大世界级挑战上均取得突破。

一是提出并攻克柔性直流组网技术。建成世界首个真正具有网络特性的直流电网,能够可靠隔离故障,非故障元件不退出,直流电网不停运。王绍武介绍,本期为四端网络,示范连接了风、光、储和交流电网,可根据发展需要,灵活扩展为复杂多端网络。自主开发的±500千伏直流断路器具备在3毫秒内开断25千安直流电流的能力,“标定了国际最高水平”。

二是将柔性直流的输电容量提升至常规直流水平。单换流器容量达150万千瓦,比国外纪录超出50%,首次达到了±500千伏常规直流的水平。立足国内,自主研发4.5千伏 、3千安大功率IGBT器件并批量用于工程,攻克了制约我国柔性直流发展的“卡脖子”问题。

三是将柔性直流的可靠性提升至常规直流水平。王绍武透露,成果在渝鄂背靠背工程中初步经受了运行检验,与早期柔直工程比,IGBT组件年失效率由6%降至2‰,单换流器强迫停运率由平均每月超过一次降至每年一次,使柔性直流输电的大规模工业化应用成为可能。

    

国网方面表示,张北柔直工程采用全新的柔性直流电网技术,获得了超越新能源特性和常规输电技术的高可控性,从根本上提高了电网对可再生能源的驾驭能力。大规模清洁能源可不依赖交流电网的有无和强弱,不需要传统能源发电的支撑,直接孤岛接入柔直电网。以柔直电网为中心,“多点汇集”,“多能互补”,“时空互补”,“源网荷协同”,实现可再生能源侧自由“波动”发电和负荷侧可控“稳定”供电,解决“纯”清洁能源大规模消纳难题。

国家能源局介绍,全世界大量待开发的可再生能源能源都处于电网薄弱地区,张北的问题具有典型性。张北柔直工程的创新实践,开拓了可再生能源大规模开发利用和友好消纳的新道路。国家能源局副局长刘宝华表示,“未来我们还要建设更多、更高水平的柔性直流工程”。


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