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高压黑科技揭秘柔性直流输电技术

作者:柬埔寨赌场 发布时间:2020-08-08 06:22 点击:

  今年5月14日,世界首个特高压多端混合直流输电工程线路——800千伏昆柳龙直流工程实现全线贯通。

  这项输电工程的名字读起来似乎有点拗口,其实,“昆柳龙”分别指的是线路的三座换流站——云南昆北、广西柳北、广东龙门。该输电工程线公里,起于云南省禄劝县,途经贵州、广西,终到广东省龙门县,横跨四省,是西部大开发战略的又一西电东送重大项目。

  工程总投资242.49亿元,设计额定电压800千伏,工程投产后将新增800万千瓦的通道送电能力,相当于减少标煤消耗约1000万吨,减排二氧化碳2660万吨。

  这条线路途所经过地区平均海拔1300米,崇山峻岭区域占比54.6%,重冰区占比10.5%,还跨越铁路、通航河流、一级及以上公路、重要电力线条次,可谓是路途漫漫。

  在介绍柔性直流技术之前,先让我们来复习一下历史上的两次“交直流大辩论”。

  第一次发生在19世纪80年代,当时还没有输电线这种东西,围绕使用交流还是直流输电,科学家划分为两大阵营——以美国发明家爱迪生、英国物理学家开尔文为代表的直流派,美国发明家威斯汀豪斯、电气工程师特斯拉为代表的交流派。最终,交流输电以其灵活组网和升压降压的优势,赢得了论辩胜利,从此迎来了交流电力网的迅猛发展。

  众所周知,电力线中流淌的都是正弦变化的交流电,因此接收端也是清一色的交流电,我们生活中用到的电器也都是使用交流插头的。但是你仔细观察过吗,液晶电视、电脑主板芯片、手机芯片实际上用的都是直流电,在我们用电的末端很多电子器件都是直流电的天下。这就是第二次“交直流大辩论”发生的背景——信息革命与电力电子技术的发展成熟。

  这一次辩论关注的是特高压(交流1000千伏、直流800千伏)输电是选择直流还是交流。中国工程院院士李国杰曾说过,“大功率电力电子技术的发展与成熟,使得直流输电受到青睐,远距离大功率输送促使直流输电进一步发展,直流输电系统还提高了电力系统抗故障的能力,无需进行无功补偿,同样电压等级的直流输电能输送更大功率,损耗小”。

  直流输电定位于超远距离、超大容量“点对点”输送的“直达高速”,很难组成网络。交流输电兼具输电和构建网络双重功能,是连接各类能源的“省市县公路”。直流输电可以减少大量无效损耗,但制约直流输电发展的最大关键在于是否具有巨大且坚强的交流输电网。

  直流在高电压、大容量、远距离传输上确实有独特优势,但是目前的网架结构还是交流体系下的,短期内不可能推倒重建网架结构,而且直流目前尚不具备复杂组网功能。因此,论辩的结果是直流输电和交流输电只能互补,不能互相取代。

  目前中国的特高压电网建设遵循“交直结合、强交强直”策略,已建成投运“九交十直”。

  说到高压直流输电技术,关键要谈两个东西——换流阀和控制技术。一个硬件、一个软件,一个内功、一个外功。

  20世纪50年代,高压直流输电技术还处于试验阶段,采用的是汞弧阀换流器,核心器件是晶闸管(Thyristor,又称可控硅整流器),属于半控型元件,栅极(G)触发后无法关断,只有阳极(A)和阴极(K)自己不通时才能关断,因此换相过程需借助外部的交流电压来完成,这称之为有源逆变,且受端系统必须有足够大的短路容量,否则容易发生换相失败,从而导致通道中断,甚至电网崩溃。

  这种换流器运行时要产生大量低频谐波污染电网,需要加入专门处理“垃圾”的过滤装置。同时,换流器需吸收大量无功功率,需要建设大量与其相匹配的无功补偿装置。

  20世纪90年代以后,电力电子技术逐渐发展成熟,出现了具有可关断能力的新型半导体器件,如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)等,此类全控型器件逐渐取代传统半控型晶闸管应用于直流输电领域中,基于电压源换流器的柔性直流输电技术(Voltage Source Converter based High Voltage Direct CurrentTransmission,简称VSC-HVDC)应运而生。

  柔性直流输电技术,最早是由加拿大的Boon-Teck Ooi等人于1990年提出,是一种以电压源换流器、自关断器件(IGBT)和脉宽调制(PWM)技术为基础的新一代高压直流输电技术。相比于传统高压直流输电,该技术具有5大优势:

  1、可控性强,可关断器件可以进行开与关的完整控制,无需交流侧提供换相电流,因此也就不存在换相失败的问题;

  2、得益于完整控制,柔性直流输电在交流侧无需大量无功支撑,占地面积减少。

  3、无源特性可完成向孤岛供电,解决了网架薄弱地区的“最后一公里”问题。这里说的孤岛指的不是真正的岛屿,而是仅靠几条输电线连接的区域小电网。

  4、全控型器件的开关频率极高,动辄成千上万赫兹,仅需少量高次滤波器就可完成过滤,避免了低次谐波对电网的污染。对中国电网来说,交流电网的频率为50赫兹,所以低次谐波比高次谐波难处理得多。

  (IGBT构成与等效图。PS:大家只要知道现在G极可以随时开关C-E电流)

  5、最重要的,功率潮流反转迅速。柔性直流输电系统的电流可双向流动,同时直流电压正负极保持不变。而常规直流潮流反转时,是直流电压极性反转,直流电流的方向不变。这个特点对于构成多端系统至关重要,在并联型多端直流输电系统中,柔性直流输电系统可以通过改变单端电流方向来改变潮流的方向,这就初步具备了多点输送的功能,也就意味着直流也可以组网了。

  相信大家对一个词有点陌生——潮流(flow)。在电力系统中,在电源激励下,电流从电源流入负荷,分布于电力网各处,这种状态称为电力潮流,也可以理解为每一处的电压、电流、功率的稳定值。

  当电网正常运转时,各处负荷基本不变,整个网络中电流的流动达到一个稳定状态,电力工作者依靠这个稳定状态计算目前电网是否正常,有没有超载、有没有其他问题。同时,通过计算潮流也可以预先推演改变电流的流向,就像调节河网管道的水流流向一样。

  同样也是因为这种快速调节的特性,目前柔性直流输电是分布式电源接入的最友好方式。柔性直流输电可以将来自多个站点的风能、太阳能等清洁能源,通过大容量、长距离的输电线路传输至负荷中心。

  未来将是清洁能源的天下,中国的分布式能源(风能、水能、太阳能、潮汐能等)发电规模也将进一步扩大,由于中国能源与负荷的地理分布特性,柔性直流输电在分布式电源并网消纳中的应用潜力十分巨大。

  同时,由于元器件和调制技术的限制,柔性直流输电也具有明显的缺点。首先,损耗较大,由于需要频繁的操作,换流器和线路损耗是传统直流输电的3倍多。第二,设备成本较高。目前,常规直流采用的可控硅技术成熟、成本较低,而IGBT等可关断器件,生产成本远高于可控硅。第三,目前应用容量不大,只有极少工程实际容量达到千兆瓦级,这需要随着技术的发展和材料性能的进步得以改善。

  2003年,中国才开始对柔性直流输电技术进行研究,比欧美国家起步晚很多,不过中国的柔性直流输电发展迅速,现在国内已经具备了柔性直流输电技术研发和设备制造能力,并达到了国际先进水平。

  2011年7月,上海南汇风电场柔性直流输电工程投运,这是亚洲首个具有自主知识产权的柔性直流工程。2016年,中国自主研制的、国内最大容量的800千伏柔性直流输电换流阀阀控设备,顺利通过型式试验,各项技术指标均达到国际先进水平,打破了国外企业在该领域的长期技术垄断。同年,当时世界电压等级最高、输电容量最大的柔性直流输电工程—500千伏“鲁西背靠背直流工程”柔性直流单元建成投运,这是世界上第一次采用常规和柔直单元的并联运行模式,克服了常规直流和柔性直流的协调控制、单台换流器功率模块多的限制等多个世界级难题,在柔性直流领域建立起一整套具有知识产权的技术规范和标准。目前,加上今天开头提到的昆柳龙工程,中国已有6个柔性直流输电工程建成投运。

  昆柳龙工程是世界上容量最大的特高压多端直流输电工程、世界首个特高压多端混合直流工程、首个具备架空线路直流故障自清除能力的柔性直流输电工程,凭借这一工程中国真正步入世界柔性直流输电技术引领者的行列。

  但我们同时也应清醒认识到,我们距国际顶尖的大功率电力电子器件制造厂,如ABB、西门子、Infineon等,还存在较大差距。就如同芯片行业一样,中国制造只有从根源上做好自主研发,才能逐渐赶超最后达到世界顶尖水平。

  2016年中旬,中国企业成功击败西门子、通用电气等一流供应商,入选英国设得兰(Shetland)工程柔直换流站唯一合作伙伴,这是中国高端直流装备首次进入欧美发达国家市场,也证明了国产柔直换流阀已达到世界先进水平,表明了中国在高端输电装备与技术方面的国际竞争力。

  随着“一带一路”倡议的持续推进,以及风电、光伏等新能源的进一步接入,柔性直流输电技术发展空间必将更为广阔。以特高压技术、柔性直流输电为代表的电力设备制造业,有望成为继高铁和核电之后,中国制造拓展全球市场的“金名片”。

  2南方电网投资242.49亿 世界首个特高压多端混合直流输电工程线路实现全线贯通,

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