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我国高压直流输电技术如何走向世界?

作者:快乐28 发布时间:2021-02-11 05:47 点击数:

  当前,“全球能源互联网”概念方兴未艾,高压直流输电技术研究和工程实践十分活跃,尤其是在中国、印度、南美、欧盟等。近日,来自12个国家的300多名专家聚焦高压大功率直流输电、柔性直流输电、直流输电系统与运行、特高压直流输电、柔性直流输电、直流输电装备等方向,旨在推荐高压直流输电技术在世界范围内的研究和应用。

  目前,我国已经全面掌握特高压直流输电核心技术和整套设备的制造能力,在大电网控制保护、智能电网、清洁能源接入电网等领域取得一批世界级创新成果。目前建立了系统的特高压与智能电网技术标准体系,编制相关国际标准。特高压技术装备是我国能源领域自主创新、世界首创、拥有国际标准主导权和较强竞争优势的重大技术,也是国家创新能力和综合实力的重要标志。

  高压直流输电技术在长距离跨区电能的传输、异步电网的互联、弱电网的电能输送等领域开展了广泛的应用,换流阀技术是高压直流输电技术的关键核心。南瑞集团中电普瑞电力工程有限公司总经理查鲲鹏着重介绍了中国高压直流输电换流阀技术及应用。目前,高压直流输电换流阀技术分为两大类,一类是应用LCC技术的换流阀,一类是应用VSC技术的换流阀。查鲲鹏表示,中国在运行中的超高压/特高压直流输电工程大部分应用的是LCC技术的换流阀,现有LCC的换流阀已到达±800千伏/5000安培的技术指标。在现有±800千伏/5000安培技术的基础上,将进一步开发±1100千伏/5500安培与±800千伏/6250安培两种技术规格。VSC换流阀技术是新一代换流阀技术,其在新能源并网、海岛电网输电等领域上具备巨大的优势。使用该项技术的换流阀已经在上海南风工程、浙江舟山工程、福建厦门工程成功应用,未来更高电压、更大容量的换流阀将在2017年豫鄂背靠背等工程中应用。

  韩国晓星公司电网部总经理郑宏巨详细分析了韩国最近用于风电并网的高压直流输电工程——20MW的VSC-HVDC项目。该应用自2012年开始,由政府组织研究,该项目采用的是MMC技术。据介绍,韩国晓星公司还在STATCOM技术领域开展应用,2015年已投入运行了100Mvar容量的STATCOM项目,并计划于2016年开展应用MMC技术的STATCOM的研发。

  关于高压直流输电技术中的快速隔离故障,全球能源互联网研究院直流输电技术研究所所长贺之渊介绍了一种新型直流断路器,它的主回路由一个机械断路器及数个全桥SM模块组成,旁路回路由数个SM模块组成,能量吸收回路主要由避雷器组成。正常运行时电流流经主回路,在产生故障电流时主回路SM模块闭锁使得故障电流在100至200微秒内流经旁路回路,当主回路电流为零后机械开关断开,之后旁路回路SM闭锁使得直流断路器两段电压上升至压敏电阻的动作等级,之后完成断开。

  如今,特高压、大容量的输电特性对换流变压器提出了很高的工艺要求,因此采用多端的特高压直流输电技术就成了解决上述问题的一种方案,多端特高压直流输电技术还具备运输方式多样、灵活的输电特点。瑞士ABB中国电网项目开发经理王卫国介绍了ABB公司的特高压多端直流输电及柔性直流电网的发展:ABB公司通过逆导IGBT概念形成的双模式绝缘栅晶体管BIGT技术会进一步使得VSC换流阀达到3000安培/800千伏的技术指标。目前ABB公司已具备生产525千伏直流电缆的能力,下一步将研发更大容量的,电压等级达到600千伏至800千伏的直流电缆。

  柔性直流输电是继交流输电、常规直流输电后的一种新型直流输电方式,是目前世界上可控性最高、适应性最好的输电技术,为电网升级提供了一种有效的技术手段。

  欧洲正大力推进能源结构转型,实现高比例可再生能源的开发利用。计划将北海和大西洋的远海风电、芬兰和挪威的水电、非洲北部的太阳能接入电网,迫切需要新型的输电技术。为此,欧洲规划了一个基于柔性直流的全新输电网,用来实现可再生能源的大范围接纳和配置。

  在中国,对于柔性直流输电技术的探索正在进行。我国西部和东部沿海地区风力资源丰富,未来局部地区可再生能源发电比例将超过50%,需要更加灵活的并网技术。东部和南部沿海岛屿众多,供电可靠性和质量无法满足人民生活水平提升要求,需要更加高效、可控的输电技术。华东和广东两大负荷中心,直流输电较为集中,连锁换相失败故障导致的停电隐患始终存在。因此,我国电网发展迫切需要柔性直流技术。

  韩国LSIS公司研发中心高压直流实验室主任钟永豪介绍了基于MMC的柔性直流系统及灵活交流系统的控制平台。VSC-HVDC技术现有三种换流阀构成方式:两电平方式、三电平方式与MMC方式。MMC方式相较于前两种构成方式,拥有低频率开断、高效率、易扩展、低谐波的特点。环流部分的控制主要就是考虑三相换流阀臂间的电流平衡与上下桥臂间的电流平衡。控制系统通过使用A/B系统互为备用的方式实现控制系统的冗余能力。通过应用支持IEC标准的工具,可以记录与监控运行数据并构建数据库。

  对于直流电网的保护,与会专家认为主要存在四种挑战:其一是故障电流的上升速率很高,基本上在10毫秒内其将达到稳态水平;其二是稳态故障电流幅值将会达到10倍的额定电流值;其三是故障电流是单极性的,因此不存在过零点,这样将导致故障电流很难被消除;其四是对于快速切除故障电流能力的要求非常高,基本上需要在5毫秒内将其切除,否则将会对设备安全造成威胁。

  谈及直流电网的控制及保护故障策略,浙江大学教授徐政提出两种方式的保护逻辑,其一是常规策略,通过诊断故障区域然后将其切除,这种方式可能造成故障电流等级非常大;其二是就地诊断与动作,其原理是如果在直流断路器区域与换流阀区域侦测到数倍的额定电流,则直流断路器与换流阀将不再需要保护信号迅速动作,断开断路器、闭锁换流阀,以此降低开断电流的等级。

  对于交直流系统对直流电网保护设计的功能性要求,比利时鲁汶大学教授德德克˙万赫顿认为,直流电网是一个非常好的供电解决方案,将会成为未来的一种发展趋势。交流电网的保护可以做到有选择性地隔离故障区域,当主保护未能正确动作时后备保护,确保故障被隔离,整个过程将在60~200毫秒内完成。直流电网保护的需求可以在交流电网保护需求的基础上建立,同时需要考虑电网对频率波动、功率损耗的接受能力。

  随着特高压输电技术的发展以及在中国、日本、印度等国家的应用,有关特高压领域的标准化建设受到国际大电网委员会(CIGRE)的高度关注。

  不同国家对特高压技术有自己的不同标准,标准之差是否会阻碍特高压技术“走出去”?CIGRE直流输电与电力电子专委会前主席马西奥˙塞茨特曼表示,在一项新技术或新解决方案初面世的时候,通常是以本土为基础去尝试、发展。随着技术的成熟,它可能会被引入新的市场。但是,标准不会自己产生,必然需要开路者的存在,需要新技术开发的探路者引领。

  韩国是世界上最早采用智慧能源、清洁能源的国家之一,已经打造了智能电网、储能系统和微电网等先进的智慧能源平台。“和其他国家相比,韩国土地资源匮乏,很多线路采取地下排管,造成线路环境比较潮湿,容易造成腐蚀。带金属回线千伏双极高压直流输电系统有效地解决了这个问题,不仅环保,而且对于土壤污染比较小。”韩国电气学会副会长李东尹表示,基于这个设计,韩国的电塔高度下降了25%。这套系统在土地资源匮乏、不易开发的地区前景广阔。

  近年来,我国特高压建设为电工装备制造业发展提供了机遇,大范围的特高压电网建设推动中国电力装备优化升级,走出国门,大幅提升了我国在国际电工领域的影响力和话语权,实现了“中国创造”和“中国引领”。

  国家电网公司直流建设部副主任王绍武表示,我国在特高压直流输电领域取得了举世瞩目的成绩。向家坝—上海±800千伏特高压直流输电示范工程,在输送容量、送电距离、技术水平、电压等级等方面均达到了当时的世界之最。溪洛渡左岸—浙江金华±800千伏特高压直流输电工程在输送容量、技术应用等方面再次创国际领先水平。在继承原有技术水平的基础之上,我国在更高电压等级±1100千流输电和特高压直流接入特高压交流方面取得持续性的突破。

  目前,世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程——昌吉—古泉±1100千伏特高压直流输电工程换流站已开工建设。全球能源互联网研究院直流输电技术研究所特高压室主任高冲特别介绍了该工程中的核心设备“±1100千伏特高压直流输电换流阀”的研制。该项目2012年立项,经过3年努力,项目组研究攻克了高电气应力下的寄生参数提取、过电压分布计算、多重阀试验实施等难题,成功研制出世界首个±1100千伏/5500安培特高压直流换流阀样机,并完成试验能力建设。根据我国电网的发展趋势,特高压直流输电技术在远距离输电、大容量传输以及电网互联方面有着显著优势。特高压直流换流阀作为特高压直流输电的核心设备,是实现交直流电转换的核心功能单元,这一成果进一步巩固了我国在国际直流输电领域的技术引领地位,为±1100千伏超大输送容量直流工程的实施和推广奠定了技术基础,将促进我国电力能源优化配置和智能电网发展,对构建全球能源互联网提供技术支持。


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