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特高压输电技术进入柔性直流新时代

作者:lol菠菜 发布时间:2021-01-20 06:47 点击:

  乌东德水电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程线公里,途经云南、贵州、广西、广东四省(区)。何剑峰摄

  作为世界级工程,昆柳龙工程创造了19项世界第一,包括世界上第一个±800千伏特高压柔性直流输电工程,世界单站容量最大的换流站,世界首次具备架空线路故障自清除及再启动能力等。

  2020年12月27日10时许,随着国家能源局局长章建华下达启动投产指令,国家西电东送重点工程——乌东德水电站送电广东、广西特高压多端柔性直流示范工程正式建成投产。

  作为世界上第一条±800千伏特高压多端柔性直流输电工程,其建成投产几乎登上了年度能源新闻排行榜前列,被认为“我国在世界上率先系统掌握了特高压多端混合柔性直流技术体系”,并“引领世界特高压技术进入柔性直流新时代”。

  “作为乌东德水电站电力送出的‘主动脉’,该工程额定输送容量约占其总装机容量的80%。”南方电网公司总经理曹志安介绍,工程总投资242.49亿元,线路起于云南昆北换流站,落点在广西柳北换流站和广东龙门换流站,全长1452公里,简称昆柳龙直流工程;工程于2018年3月29日由国家发改委核准,采用±800千伏特高压三端混合直流系统,输送容量800万千瓦。

  工程把世界第七大水电站——乌东德水电站丰沛的水电源源不断送抵粤港澳大湾区和广西负荷中心,预计每年送电330亿千瓦时,相当于海南省一年的全社会用电量;可每年减少煤炭消耗950万吨、减排二氧化碳2500万吨,将使粤港澳大湾区天更蓝、地更绿、水更清,为我国力争在2030年前二氧化碳排放达峰、2060年前为实现碳中和出一份力。

  这样一个定位于清洁能源输送的超级工程,还将使云南水能利用率从2017年的88%提升至2020年的99%以上,基本实现全额消纳,同时对风、光等新能源的大规模开发利用起到推动作用。

  “这是一个领跑世界的超级工程,它标志着我国特高压直流输电技术提升到空前水平,开创出新的输电模式。”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表示。

  此前,世界主流输电模式都是“直流送电、交流组网”。南方电网公司首席技术专家、南网科研院董事长饶宏介绍,这缘于交直流输电本身的技术特性:常规直流主要用于点对点、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。但这一基本模式却面临一个“原理性障碍”,即所谓“多直流馈入”问题。他解释,大流量的常规直流汇入电网,就像一条大河流入一个水库,一旦常规直流线路“闭锁”,就像河水突然截停,会导致水库缺水。

  然而柔性直流改变了这一切。柔性直流(flexible)是20世纪90年代兴起的新一代“电压源型”直流输电技术。和传统“电流源型”直流相比,它对电压、频率的控制更加灵活,就像一个完全可控的水泵,能够精准控制水流的方向、速度和流量,使水库更加平稳,河流被截停的几率也大幅下降。“这就是其柔性的主要体现。”饶宏表示。

  昆柳龙工程在世界上首次采用特高压多端混合直流系统,送端云南昆北是常规直流,广西柳北、广东龙门两个受端是柔性直流。“这种方案既经济,技术上又先进。”李立浧解释,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;但常规直流并网后,因其换相失败现象难以避免等固有特性,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,它调控更加灵活,还能在关键时刻支持系统安全稳定运行。”

  工程的已有实践,也印证了这一结论:自2020年7月底云南至广东柔性直流双极低端阶段性投产以来,没有出现过一起“闭锁”。

  但是柔性直流作为一种新技术,以往工程最高电压做到500千伏,送电量、送电效率还不够高。此次则提升到800千伏,送电量也达到全球最高的800万千瓦。浙江大学教授、国际电气电子工程师学会(IEEE)会士徐政展望:“这是一个开路工程。此后,远距离、大容量送电工程,都会首选柔性直流技术。”

  作为世界级工程,昆柳龙工程创造了19项世界第一,包括世界上第一个±800千伏特高压柔性直流输电工程,世界单站容量最大的换流站,世界首次具备架空线路故障自清除及再启动能力等。“每项世界第一都可以写一篇大文章。”李立浧如是说。

  采用混合直流技术,大大增加了研发和建设难度;而创造19项世界第一,每一项都是输电技术领域“无人区”的重要突破。“我们并非为了世界第一而第一。”饶宏表示,柔性直流技术对电网运行可控性的提高经过了充分论证,柔直技术让复杂的电网变得更加可靠,支持西电东送直流输电持续实施。

  李立浧表示,中国人实现了柔性直流技术在多端、特高压、柔直电网等工程中的应用,中国发展柔性直流技术将大有可为。南方电网公司通过在主电网应用、掌握特高压多端柔性直流技术,推动了柔性直流技术的进步,终将在未来电网技术发展中起到核心作用。

  19项世界第一的背后,是成套设备从无到有研制出来,大量前所未有运行方式从0到1逐一破解。在输电技术领域“无人区”,南方电网公司牵头,整合国内科研、高校、设计、制造等单位,围绕特高压柔性直流拓扑结构、控制保护系统以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、柔性直流变压器等关键设备和核心技术,展开了为时数年的大攻关,解决了“单一模块故障导致系统闭锁”、系统运行方式优化等一批世界级难题。

  柔性直流换流阀这一关键设备被称为工程的“心脏”,如今世界首个能承受±800千伏特高压的国产“心脏”已在龙门换流站稳定“跳动”。其中一些先进技术将被应用到即将建设的海上柔性直流项目,并将被国外厂家借鉴;IGBT关键芯片更是打破了国外少数厂家的垄断。

  除19项世界第一之外,主要设备自主化率100%,是昆柳龙工程创造的又一惊人业绩。

  “工程推动了中国柔性直流输电技术保持国际领先地位,并通过需求拉动,大大加快了能源电力产业链上下游企业创新能力提升、产品升级换代的步伐。”中国工程院院士、南京南瑞继保电气有限公司董事长沈国荣表示。

  南方电网超高压公司副总经理李庆江介绍,实现自主化率100%的主设备中,除IGBT关键芯片外,还包括柔直变压器、桥臂电抗器等多个关键设备、器件,而这些以往都受制于人,实现从无到有后,维护了特高压直流技术全产业链安全。

  据不完全统计,工程有效带动了包括原材料、电力设备、电力电子器件、设计、施工、监理、检测等在内的产业链上下游众多企业复工复产达产,仅换流站的物资供应商就达166家,拉动社会投资约780亿元,在保产业链供应链稳定方面亦发挥了重要作用。(记者 瞿剑)

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