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专家谈乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程

日期:2020-12-29    来源:南方电网报  作者:帅泉 韩晓彤 江涛

国际电力网

2020
12/29
10:49
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关键词: 乌东德电站 特高压混合直流工程 直流输电

世界电网发展史上的里程碑

中国工程院院士、南方电网公司专家委员会主任委员 李立浧

乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程(简称昆柳龙直流工程)于近日投产。中国工程院院士、南方电网公司专家委员会主任委员李立浧难掩内心的激动:“这个工程对于中国乃至世界电网发展有引领示范作用,是世界电网发展史上的里程碑,代表着更先进的远距离、大容量输电技术方向。”

柔性直流与常规直流的混合,解决常规直流输电固有难题,创造19项世界第一,工程的示范意义不言而喻。参与工程筹划、技术研发、方案审定及建设全过程的李立浧,如今见证了工程建成投产,感慨颇多。

技术与经济性的最优结合

记者:世界首个特高压混合直流工程,为什么会选择这种技术方案?

李立浧:这涉及几方面。首先讲特高压。西电东送国家战略把西部水电送到用电需求大的广东、广西,距离近1500公里。远距离大容量输电用特高压直流最经济高效,而且南方电网公司已经建成了多条±800千伏特高压常规直流工程,经验和技术积累非常丰富。

但常规直流工程并网后,其换相失败现象不能避免等固有特性,会对受端电网系统安全稳定带来一定冲击。柔性直流能解决这些问题,而且调控更加灵活,还能在关键时刻支持系统安全稳定运行。因此,送端选常规直流,受端选柔性直流,这种方案既经济,技术上又先进。

记者:方案经过怎样的研究论证定下的?

李立浧:研究论证过程是科学严谨的。讨论方案选择时,有过不同意见,有过争论,但是最终达成共识,认为柔性直流代表未来直流输电的方向。南方电网公司最终决定采用柔性直流输电方案,作出了科学决策。

此前,很多国外的同行提醒我们要非常慎重,“你们的方案很大胆,存在技术风险,在柔性直流很多问题没弄清楚前,不要轻易实践。”他们的意见正是我们科研团队所关注的,也激励我们下决心做科研攻坚。在这过程中,我们设想了各种问题和风险,绞尽脑汁,对技术方案反复讨论打磨,提出了多种应对方案,力求把问题都搞明白。工程建设证明,我们提出的方案是科学合理的。现在国外同行都表示赞赏,认为南方电网公司为世界电网技术发展作出了贡献。

工程核心设备都是国产

记者:19项世界第一,如何创造出来的?

李立浧:19项世界第一不是提前设定的,而是随着工程的研究推进,我们自然而然地发现,一些东西是世界上其他工程没有做过的。比如用软件系统拓扑结构消除线路故障的思路,打破了传统安装断路器的硬件方法。这个方法开创了柔性直流采用架空线路的先河。以前柔性直流工程都用电缆,如果我们这个工程也采用电缆,大家设想,1500公里的距离,造价得多贵?我们的科研人员从问题出发,敢于提想法,“大胆设想,认真求证”,成就了19项世界第一。

记者:19项世界第一,也包括关键设备创新?

李立浧:是的,工程的顺利投产,不仅仅是技术创新的成功,也是设备国产化的成功。在“高压大容量柔性直流输电关键技术研究与工程示范应用”这一国家重点研发计划项目的支持下,南方电网公司把换流阀、启动电阻、桥臂电抗器、变压器这些核心设备纳入进来,和制造企业一起研究攻关。

工程没有用国外完整的进口产品,核心设备都是国产的,只有部分元器件进口。而且,即便用国外的IGBT半导体器件,我们也同时推进国内企业生产出了这种器件,而且性能也很好,在工程中得到应用。这些器件在后续工程将会大量应用,基本解决“卡脖子”问题。

有了3端未来就能做4端、5端

记者:今年7月底工程阶段性投产,到目前为止运行状态如何?

李立浧:阶段性投产后,低端400千伏满负荷试运行,已经给广东送了近50亿千瓦时电量,运行状态非常好。这很了不起,世界上别说柔性直流,就是常规直流也没有先例。直流线路一般都有一年的运行适应期,这个工程一投产运行状态就这么好,是奇迹,体现了非常高的技术水准。我感到非常高兴和欣慰。工程竣工调试非常顺利,为全面投产创造了有利条件。

记者:未来柔性直流输电技术如何进一步应用提升?

李立浧:这个工程能把柔性直流技术应用到3端,未来就有做4端、5端的可能,主要考量的是实际情况是否需要,以及经济效益能否保障的问题。所以我说,工程对于中国乃至世界电网发展有引领示范作用,是世界电网发展史上的里程碑。

现在全球都在进行能源转型,我国也作出了碳达峰、碳中和的承诺。随着风电、光伏等可再生能源发展,这些间歇性、波动性大的能源未来将大规模接入电网,对电网安全稳定要求更高,柔性直流是解决问题的有效方案。即使这些能源在远方、分散多处,只要有多端柔性直流电网,就能有效汇集,解决能源传输问题。

从无到有,把不可能变成可能

南方电网公司首席技术专家,南网科研院党委书记、董事长 饶宏

“乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程(简称昆柳龙直流工程)的投产,标志着我国直流输电工程技术发展史上的一个重要里程碑,作为世界上首个特高压多端柔性直流工程,引领柔性直流技术进入特高压时代。”南方电网公司首席技术专家,南网科研院党委书记、董事长饶宏说。

饶宏还表示,这些技术创新正在变成标准,把技术通过标准固化下来,使它能够得到更好的推广和应用。这是南方电网公司科研人员勇于创新、勇于实践的结果,他们在直流输电技术领域的“无人区”奋力鏖战,从无到有,把不可能变成可能。

“我们实现了从0到1的原始创新”

记者:在您看来,工程实现了哪些技术创新?

饶宏:特高压、大容量、架空线、混合直流、多端,这五个关键词可以概况工程最大的技术创新点。从2016年开始,项目团队依托国家重点研发计划——高压大容量柔性直流输电关键技术研究与工程示范应用开展联合攻关,历时五年,并结合工程的成套设计,从系统分析、参数选择再到设备规范、控制策略的论证提出,给出了一套完整的技术方案。这些前期的基础论证、科学研究是工程得以投产重要的基础。

我们逐一看五大技术创新点。“特高压”创新,工程在世界上第一次研究设计、建设特高压混合直流和特高压柔性直流输电技术;“大容量”创新,工程的柔性直流达到5000兆瓦,是世界上最大的;“架空线”创新,在这个工程之前,柔性直流主要用电缆,这是第一次采用柔性直流架空线的输电方式;“混合直流”创新:第一次在送端使用传统直流,在两个受端采用柔性直流,这种混合直流技术在世界上是第一次;“多端”创新,这是世界上容量最大的多端直流输电工程。

记者:这些技术创新,是否意味着我国在特高压送电领域已经实现了“领跑”?

饶宏:工程投产意味着我国在特高压直流输电技术实现了“领跑”,这一点答案是肯定的。

我们在超高压直流输电技术发展初期,经历了引进、消化、吸收的过程,到直流特高压800千伏的时候,我们已经实现了消化、吸收、再创新。但是特高压柔性直流技术在世界上是没有其他国家提出过的,这次是我们提出了一个新的发展方向,要把柔性直流电压等级提升到特高压,还有就是混合直流。一定程度上说,我们已经由之前的“并跑”变成如今的“领跑”,实现了从0到1的原始创造。

有了理论的支撑技术会更科学

记者:在这些技术创新背后,你们做了哪些工作?

饶宏:我们不仅把技术的设想变成了现实,在这个过程中还解决了很多关键的科学问题和技术问题,科学问题的解决需要理论性创新,有了理论的支撑,技术会更科学,决策会更有依据。

在科研攻关的过程中,我们给出了混合直流的定义、基本的电路图、运行特性曲线等,这些理论问题的解决,为工程的建设打下了坚实的理论基础。

我们还开展了一系列实验,从电磁暂态软件仿真到全景电网仿真系统进行全过程仿真模拟,还专门搭建物理实验平台,通过计算、仿真和试验结果的相互印证充分掌握了传统直流与柔性直流构建的混合直流基本特性和基本规律,检验了技术方案的可行性,验证了成套设计的正确性。最后通过系统调试,在实际电网运行条件下这些新技术得到充分检验。

记者:这些技术创新现在是否正在逐步变成标准?

饶宏:我们提出了柔性直流工程成套设计的国家标准,还有柔性直流换流阀、柔性直流输电用的变压器的国家标准……我们把技术通过标准来固化下来,使它们能够得到更好的推广和应用。

在国际标准领域,我们已经做了两个重要的工作。

一个是在国际大电网组织,我们发起成立了混合直流输电技术工作组,这个工作组一提出就得到了来自10多个国家的专家的热烈响应。工作组将混合直流技术的研究成果和关键技术参数指标提供给世界各国参考。现在我们的工程建成了,把技术设想变成了工程实践,这个报告得到有力支撑,分量就更重了。

另一个是,我们牵头申请了一项IEC标准,提出包括柔性直流和混合直流在内的控制保护系统的实验要求,以实际电网背景条件对控制保护系统的动态性能和功能加以检验,推动将这种工作模式变成国际标准,获得了国际上同行专家们的认可。

我们的技术和经验“走出去”,就能够带动引领这个领域、这个行业的技术进步和发展。

柔性直流将成为未来直流发展方向

记者:柔性直流具有什么特点?

饶宏:柔性直流具有许多技术特点,概括起来有两个方面的优势:一是提高可再生能源的并网能力;二是改善和提高电网的稳定特性。

记者:柔性直流未来发展的趋势如何?

饶宏:柔性直流会是未来直流发展的方向和趋势。此前这项技术多用于新能源并网,特别是海上风电,南方电网公司的一个重大贡献就是将柔性直流应用在大电网上,这将成为影响电网发展格局的关键技术。

柔性直流是电压源型直流,可以对新能源并网起到“稳压器”的作用,从而使可再生能源很平稳地并入电网,减小波动性。柔性直流的特点是不存在换相失败,电网发生故障的时候可以实现完全穿越而不闭锁,还可以给电网提供动态无功支撑,利用柔性直流快速灵活调节的技术优势对于提高电网稳定性具有重要意义。

为未来能源转型提供支撑

中国工程院院士、南瑞继保公司董事长 沈国荣

乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程(简称“昆柳龙直流工程”)的投产,开启了我国特高压直流输电发展的新篇章。

近日,记者采访了中国工程院院士、南瑞继保公司董事长沈国荣。沈国荣对昆柳龙直流工程取得的成就给予了积极评价:“工程联结了云南、广西、广东3个省级电网,充分利用柔性直流输电灵活可控的突出特性,实现省级电网间互济,提升了我们利用电力电子技术控制电网的能力。”

沈国荣认为,南方电网下决心建设世界上第一个常规直流和柔性直流混合的多端特高压直流输电工程,推动了我们国家柔性直流输电技术保持国际领先的地位,通过“需求拉动”,促进了能源电力产业链上下游企业及各方创新能力的快速提升。

千锤百炼 换流阀模块性能超国外产品

昆柳龙直流工程作为世界上第一个常规直流和柔性直流混合的多端特高压直流输电工程,没有现成经验可以借鉴,工程建设过程面临的技术瓶颈都需要自主突破。

因此,昆柳龙直流工程的每一个关键方案从提出到应用,都必须经过成百上千次的试验,才能最终付诸实施。沈国荣说:“在确认全桥和半桥混合比例时,我们利用实际装置进行实时仿真,开展了200多种运行方式中不同比例的组合、上万次的仿真迭代,验证换流阀子模块的电压情况,最终推荐了适当的比例方案。”

为了保证设备质量和工程实施效率,沈国荣指挥团队将现场使用的900多面屏柜连接在一起,进行了耗时超过一年的详尽工厂试验。沈国荣分析了试验过程中面临的难题:“由于电网运行结构是不断变化的,在各种工况下满足性能非常困难。我们通过根据电网实时结构动态调整参数,最终实现了全工况下的性能要求。”

在设备制造方面,昆柳龙直流工程提出了换流阀模块即使遇到电源有问题也不能影响运行的高要求目标,这在之前的工程并无先例可循。要突破这个技术上的难点,就要进行具有一定风险的试验。

面对挑战,沈国荣带领团队迎难而上,“我们为此做了大量危险性较高的破坏性试验,最终通过多级旁路保护措施实现了目标。”

经过艰苦的技术攻坚,南瑞继保研制的控制保护延时与以往工程相比大幅提升;自主研制的换流阀模块,可靠性超过国外产品,大幅提升了柔性直流输电的性能。

柔性互联 保障三省电网安全稳定运行

在实现远距离、大容量输电的同时,如何保障电网的安全和稳定是输电环节的重中之重。据沈国荣分析,昆柳龙直流工程采用柔性直流输电技术,避免了广东电网继续采用传统直流输电技术的多直流同时换相失败问题,提升了广东电网整体的安全性。

三个省级电网连在一起后,电网稳定问题也变得复杂了。为了给电网互联加上坚实可靠的“保险”,沈国荣带领团队通过提供稳控系统,设计了多端直流功率提升、功率回降、频率控制,以及功率速降协调等安全稳定控制策略,有效保障三端直流连接的电网安全稳定运行。

沈国荣认为,柔性直流输电容易实现多端连接和组网运行,利用该优势可实现省级电网的互联。柔性直流输电控制能力强,用来进行区域电网柔性互联,可实现互供互济而又相互隔离故障。广东背靠背工程利用这个特性实现了短路电流限制和互供互济、紧急支援。

前景广阔 柔性直流输电将支撑能源转型

目前,尽管柔性直流输电技术具备了远距离大容量输电及电网安全互联等优势,但仍需解决成本高和损耗高的问题。“受现阶段全控器件条件的限制,柔性直流成本和损耗较常规直流都要高,但也在随着技术的发展正在逐渐降低。”沈国荣认为我国柔性直流可控器件发展的步伐将会加快,“我们国家在自主可控器件研制上正在加紧追赶,我们已经配合国产器件厂家开展了充分的研究工作,实现柔性直流技术全面自主化完全可行。”

谈到柔性直流输电未来的发展,沈国荣指出,未来新一代器件,如碳化硅、氮化镓器件一旦条件成熟,柔性直流输电在降低损耗、减小体积、提升可靠性等方面必将取得长足进步。

近年来,可再生能源发展十分迅猛,部分地区如何消纳多余的可再生能源发电成为能源转型的关键一环。沈国荣表示,为实现中国承诺的“2030年前碳排放要达到峰值,2060年前要实现碳中和”目标,新能源占比必将大幅增加。

他认为,柔性直流在新能源并网,特别是高比例甚至纯新能源、分布式新能源、远海风电等难以使用传统输电技术方案的领域大有可为,前景广阔。柔性直流输电技术与能源转型将会相互促进,在能源转型过程中既起到支撑作用,也受能源转型大方向的影响而不断优化提升。

开启特高压柔性直流输电新时代

浙江大学教授、国际电气电子工程师学会(IEEE)会士 徐政

乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程(简称“昆柳龙直流工程”)全面投产,是直流输电发展进程中的里程碑。近日,记者采访了浙江大学教授、国际电气电子工程师学会(IEEE)会士徐政。徐政表示,昆柳龙直流工程调试成功并投入运行,具有重大意义。

开路先锋 落点由一到多

“昆柳龙直流工程是一个开路的工程。”徐政表示,工程的成功与否对我国未来远距离大容量输电工程的技术方向选择至关重要。在工程调试取得成功后,徐政认为,“未来的远距离大容量输电都会优先考虑柔性直流输电技术,已有的传统直流输电工程在合适的时机,也会改造成柔性直流输电工程。”因为我国远距离大容量输电工程大多落点在同一个较小的区域内,如珠三角区域、长三角区域,一个区域内接受传统直流输电落点的数目在技术上是有限制的,但接受柔性直流输电落点的数目在技术上是没有限制的。

昆柳龙直流工程创造了19项世界第一,突破了一个又一个的技术瓶颈。谈到本次工程面临的最大困难,徐政认为,在远距离大容量输电过程中,当架空线路发生暂时性短路故障时如何快速清除故障并快速恢复送电成为了柔性直流技术面临的根本性瓶颈,也是本次工程面临的最大技术挑战之一。

为了克服这个技术障碍,工程选择了借助换流器本身实现故障自清除这一技术途径,目前世界范围内采用这一技术途径的实际工程只有昆柳龙直流工程。昆柳龙直流工程的成功投产,标志着这一途径完全可行,为应用于远距离大容量输电的特高压柔性直流输电技术开辟了一条道路,是昆柳龙直流工程在柔性直流输电技术方面的一个根本性突破。

万事开头难,从0到1的道路总是布满荆棘。徐政说:“昆柳龙直流工程的诸多技术都没有可借鉴的先例和问题解决方案,必须通过大量的研究和试验,才能应用到工程项目中。”

“为了找到可行的工程实施方案,我们必须进行大量的努力,在这个工程中,大家团结一心,集思广益,脚踏实地地攻克每一个难题,才使得我们最终可以突破瓶颈,取得成功。”徐政说。

迅猛发展 我国柔性直流输电已领跑世界

与传统直流输电技术的发展不同,我国柔性直流输电技术的发展走出了一条完全自主化的道路。“我国发展传统直流输电技术时有一个引进、消化、再创造的过程,但柔性直流输电从起步发展到现在,所用的技术都是我们自己开发研究的成果。”徐政对此感到非常自豪。

在柔性直流技术发展的过程中,我国不仅实现了技术自主化,而且走上了高速发展的快车道。徐政介绍说:“我国在基于模块化多电平换流器技术的柔性直流输电领域,几乎是与国外同时发展的。但在近10年的时间里,我国已经发展到了±800千伏、500万千瓦的技术水平,目前我国在柔性直流输电领域已处于世界领先的地位。”

坚实保障 异步分割提高电网安全稳定水平

随着昆柳龙直流工程的投产,柔性直流在远距离大容量输电领域扮演越来越重要角色的同时,也为该工程联接的三个省级电网的安全稳定运行提供了坚实保障。对此,徐政做了详细的解析:“由于柔性直流输电技术用于大区电网之间的异步互联,起到了‘防火墙’的作用,使得在一个大区电网内发生的故障不会传递到与其异步相联的其他大区电网中,从而大大降低了国外已经历过的大面积停电事故发生的可能性。”徐政介绍说,由于这一特点,柔性直流技术将大量应用于背靠背联网,实现大同步电网的异步分割,提高电网的安全稳定水平。

在突破了多项技术瓶颈之后,柔性直流输电技术也迎来了更加光明的未来。作为长期研究直流输电的专家,徐政也一直关注着柔性直流输电的应用前景。他认为,柔性直流输电技术已经积累了相当的经验,目前开始大规模应用已没有技术上的困难。

对于柔性直流输电技术的发展趋势,徐政指出,柔性直流输电技术将向特高压、大容量方向发展,应用于远距离大容量输电,比如我国的藏电外送、西部清洁能源外送等。同时,向海底柔性直流输电方向发展,大量应用于远海风电场的接入工程,在能源转型及消纳多余可再生能源方面将可以大展身手。

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