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我国柔性直流工程发展及现有工程与设备代表厂商
日期:2018-08-05 19:23:32 | 来源:北极星输配电网 | 点击率:220
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柔性直流输电指的是基于电压源换流器 VSC(voltage sourced converter)的高压直流输电技术 HVDC(high voltage direct current),是相比于传统特高压输电技术的新一代技术。采用 IGBT 全控器件的 HVDC,在潮流反向时电压方向不变,电流反向,是基于电压源型换流器的 HVDC,称为柔性直流输电(voltage source converter based HVDC, VSC-HVDC)。与 LCC-HVDC 相比,柔性直流输电方式输出电压电流谐波含量低,不必专门配置滤波器,大大节省占地面积,不存在换相失败风险,有功无功可实现快速解耦控制。尤其是它具有的高度可控性和良好适应性的特点,使其在可再生能源并网、多端直流网络构建、弱系统联网、孤岛供电等场合具有显著的优势,是构建未来智能化输电网络的关键技术。

图片来源于“全球能源互联网期刊”

从广义上讲,VSC-HVDC 指柔性直流输电系统,然而为了区分,通常将两端柔性直流输电系统称作 VSC-HVDC,而将多端柔性直流系统称作 VSC-MTDC。VSC-HVDC 系统拓扑结构较为简单,两端换流站通过点对点连接实现有功功率的传输。早期出现的柔性直流输电工程多为这种两端结构。在两端基础上发展而来的多端柔性直流输电系统,含有多个换流站,能够实现多电源供电和多落点受电,且可采用不同拓扑结构形成直流网络,极大地提高了直流输电系统的操作灵活性和系统可靠性,同时也利于大规模直流电网的后期扩展。

20世纪70年代以来,基于晶闸管换流阀的直流输电技术得到了广泛应用,但是,晶闸管换流阀只能控制阀的开通,不能控制阀的关断,因此,直流输电技术的应用受到限制。进入90年代以后,随着可关断开关器件的发展,特别是绝缘栅双极型晶体管IGBT的广泛应用,采用可关断器件的电压源换流器性能得到了改善,后来被引入到直流输电领域。对于采用电压源换流技术的直流输电技术,国际权威电力学术组织将其定义为基于电压源型换流器的高压直流输电技术。1997年,第一个柔性直流输电工程投入工业试验运行。

2006年公司组织,国网智研院柔性直流团队牵头,制定《柔性直流输电系统关键技术研究框架》,标志公司柔性直流输电技术研究正式启动。

2007年国网智研院推动成立我国主导的首个国际大电网组织(CIGRE)工作组——CIGREB4.48,汤广福博士担任工作组召集人。

2009年4月,国网智研院确定基于模块化多电平电压源换流器拓扑的柔性直流输电技术路线。

2011年7月25日,亚洲首项柔性直流输电示范工程——上海南汇风电场柔性直流输电工程投入正式运行,公司成为继ABB、西门子之后,世界第三家具备柔直成套设备研发和工程实施能力的企业。

2013年1月17日,国网智研院在世界上率先研制成功±320千伏/100万千瓦柔性直流换流阀及阀控设备,并在DNVKEMA实验室见证下通过所有型式试验,该实验室认为此项成果具有打破世界纪录的电压和容量水平。

2015年12月17日,世界上电压等级最高、输送容量最大的双极柔性直流输电工程——厦门±320千伏/100万千瓦柔性直流输电科技示范工程正式投运。

2016年11月6日,许继集团自主研制的舟山柔性直流输电200千伏高压直流断路器,在全球能源互联网研究院电力电子实验室顺利通过全部型式试验,试验项目和试验参数完全符合国标和IEC标准要求,各项技术指标均达到国际先进水平。

……

截至 2016 年世界范围内已建成并投运的柔性直流输电工程多达近 30 条,在建的工程也达数十条。欧洲正规划建立以柔性直流为主的连接欧洲、北非及中东的多端直流输电网络的超级电网。英国计划到 2025 年新建柔性直流输电线路近 50 条,以促进和鼓励清洁能源的发展,满足大规模海上风电接入的需求。欧洲风能发展规划(European Wind Initiative, EWI)则提出到 2050 年欧洲 50%的电力供应将来自于风电的发展规划。美国未来 20 年有 60 多条柔性直流输电项目在规划当中。

2006年5月,国家电网公司确定了《柔性直流输电系统关键技术研究框架》,由此启动了我国在柔性直流输电关键技术领域的全面研究。上海南汇风电场柔性直流输电示范工程,是我国首条柔性直流输电工程,也是亚洲首条柔性直流输电示范工程。项目包括两个直流换流站和8千米直流输电线路,额定运行容量为1.8万千瓦,直流额定电压为±30千伏,直流额定电流为300安。

2010年年底,南风换流站正式开工建设。一个月后,柔性直流输电可关断器件阀多层级子模块串联、高频宽范围特性分析及电磁兼容设计模块化多电平换流器试验方法研究等关键技术上取得了重要突破,获得了多项拥有完全自主知识产权的重大成果。2011年5月3日,上海南汇风电场柔性直流输电示范工程顺利完成工程整体试运行;2011年7月25日,上海南汇风电场柔性直流输电示范工程正式投入运行。中电普瑞电力工程有限公司承担了该工程的总集成及技术总负责,并研制开发了具有国际先进水平的全套换流阀、阀基控制器及控制保护系统等核心装备。工程的顺利投运,标志着国家电网公司成为继ABB、西门子之后,世界第三家具备柔性直流输电系统总成套能力的企业。

我国目前已建成的柔性直流输电工程

我国目前已建成南汇、厦门两端、南澳三端、舟山五端等柔性直流输电工程。未来随着西电东送规模的进一步扩大,三北地区、西部、东部沿海的风电、太阳能、水电将被大力开发,而大规模可再生能源的接入,为柔性直流输电工程的规划和投运提供了条件。

1) 上海南汇柔性直流输电示范工程

上海南汇柔性直流输电示范工程是我国自主研发和建设的亚洲首条柔性直流输电示范工程,额定输送有功功率 20MW,额定直流电压±30kV,2011 年 7 月正式投入运行。南汇柔性直流输电工程的主要功能是将上海南汇风电场的电能输送出来,当时南汇风电场是上海电网已建的规模最大的风电场。风电场换流站经 150m 电缆线路连接风电场变电站 35kV 交流母线。南汇柔性直流输工程的两个换流站之间通过直流电缆连接,线路长度约为 8km。上海南汇柔性直流输电示范工程两端换流站均采用 49 电平的模块化多电平拓扑结构。

南汇柔直工程接线图

2) 舟山5端柔直工程

随着舟山群岛新区的建设,各岛屿的开发进程不断加速,这对舟山电网的供电可靠性和运行灵活性提出了更高的要求。另外,舟山诸岛拥有丰富的风力资源,风电的间歇性和波动性也对电网接纳新能源的能力提出了新的要求。在此情况下,舟山电网迫切需要发展适用于其自身特点的先进输配电技术。

舟山柔直输电工程于 2014 年 7 月建成,包括 5 个换流站,故称为 5 端柔性直流输电工程,是世界第 1 条多端柔性直流工程。换流站总容量为 1000MW,其中定海换流站最大额定有功功率为 400MW,额定直流电压为±200kV,总投资 42 亿元。

该工程满足了舟山地区负荷增长需求,提高了供电可靠性,形成北部诸岛供电的第 2 电源;提供动态无功补偿能力,提高电网电能质量;解决可再生能源并网,提高系统调度运行灵活性。

招标信息也能看出,目前柔直项目中,主要设备组成及供货商情况:每个换流站主要有变压器、平波电抗器、组合电器、断路器、隔离开关、换流阀组成;其中关键设备组合电器由西安西电提供;断路器由西门子提供;隔离开关由平高电气、中国西电提供;换流阀由南瑞继保、许继集团提供;

3) 厦门柔性直流输电科技示范工程

2015 年 12 月正式投运,直流线路总长 10.7km,全部为陆缆。工程额定电流 1600A,额定有功功率 1000MW,新建浦园换流站(送端)、鹭鸟换流站(受端)两座±320kV 换流站及 ±320kV 彭厝-湖边柔性直流线路工程,该工程在舟山±200kV 工程应用基础上,将电压等级提高至±320kV,标志着我国全面掌握高压大容量柔性直流输电工程设计、设备制造、工程施工调试、运营等关键技术,具备工程成套能力。

厦门项目的主要供应商包括,南瑞集团、许继集团提供互感器;南京南瑞提供直流控制保护;ABB 及西电电气提供断路器;中电普瑞电力提供换流阀,等等。

4) 鲁西背靠背柔性直流工程

鲁西背靠背柔性直流工程位于云南省曲靖市罗平县,一期建设 1×1000MW 常规直流单元 +1×1000MW 柔性直流单元,直流电压达±350kV,于 2016 年 8 月投运,投资 35 亿元,是目前世界上首次采用大容量柔直与常规直流组合模式的背靠背直流工程,电压等级、额定有功容量均为世界第一。云南电网与南网主网异步联网二期扩建工程于 2017 年 6 月完工,鲁西背靠背换流站扩建工程将在原有基础上再建设一个 1000MW 常规直流单元,工程总规模达到 3000MW,有效缓解云南汛期弃水压力,提高西电东送输电容量。

项目供应商包括:四方继保提供直流控制和保护系统;荣信电气、西电电气提供换流阀等;西电电气拟提供电抗器等产品。

5) 大连跨海柔性直流输电科技示范工程

大连北部的狭长地带长约 10 km,受地理地形制约,市区 500 kV 及 220 kV 电网现为 C 型网架结构,以上线路承担着整个大连市区和旅顺地区的供电任务,输电通道相对单一。因此,大连将新建一条市区与东北大陆相连的跨海柔性直流输电大通道,拟以海底电缆方式,建设一条由金州新区董家沟到大连市区东港的柔性直流输电线路,实现对大连南部地区双通道环网供电。大连电网将实现由目前的 C 型网架结构闭合成完美的 O 型环形网架结构。届时,将彻底解决市区南部电网第二路电源问题,提高供电可靠性。

该跨海柔性直流输电大通道为世界上容量最大跨海柔性直流输电工程,直流线缆全长约 54 km,预计投资 51 亿元人民币。根据大连电网供电可靠性的需求以及国内现有的技术和制造水平,柔性直流输电工程规模确定为: 送端、受端换流站都按 3 台 350 MVA 单相变压器设计,直流有功输送容量 1000 MW,直流电压±320 kV,在金州新区董家沟街道建设送端换流站,直流电缆经小窑湾入海,穿过大连港海区,至东港受端换流站。

6) 渝鄂直流背靠背联网工程

2017 年 5 月,渝鄂直流背靠背联网工程正式开工建设,预计于 2018 年 10 月建成投运。在渝鄂断面现有九盘-龙泉、张家坝-恩施 500kV 输电通道上,新建 2 座柔性直流背靠背换流站,每座换流站建设 2×1250MW 直流单元,动态投资 65 亿元。工程建成后,将成为世界上电压等级最高±420kV、规模最大的柔性直流背靠背工程。实现西南电网与华中电网的异步互联,优化网架结构,有效化解电网安全稳定风险,为后续四川水电外送创造条件。

供应商方面:许继电气等提供换流阀;南瑞继保等提供互感器;湖南长高、江苏如高提供隔离开关;许继集团、四方继保提供直流控制保护装置,等等。

7) 张北柔性直流示范工程

国家电网公司规划在张家口国家级新能源综合示范区和冬奥专区建设张北可再生能源柔性直流电网示范工程。构建输送大规模风、光、抽水蓄能等多种能源的 4 端环形柔性直流电网。工程总投资 125 亿元,工程额定电压±500kV,建设 666 千米±500kV 直流输电线路,新建张北、康保、丰宁和北京 4 座换流站,实现张北新能源基地、丰宁储能电源与北京负荷中心相连,总换流容量 9000MW。2017 年 12 月获得国家核准,将于 2019 年年底至 2020 年上半年全部建成投运。张北柔性直流工程是集大规模可再生能源的友好接入、多种形态能源互补和灵活消纳、直流电网构建等为一体的重大科技试验示范工程。工程核心技术和关键设备均为国际首创,将创造 12 项世界第一,创新引领和示范意义重大。工程将在世界上率先研究直流电网技术,首次建设四端柔性直流环形电网,把柔性直流输电电压提升至±500kV,单换流器额定容量提升到 1500MW,首次研制并应用直流断路器、换流阀、控制保护等直流电网关键设备。

供应商方面:主要由国电南瑞、许继电气、四方股份提供一次二次设备供应。

8) 南澳±160千伏多端柔性直流输电示范工程

利用南澳岛风力资源丰富,有超过200台大风车在为南澳提供电力,这个项目中使用了架空线、海底电缆。在过程中考虑了岩石丘陵地带的地形的测试需要使用阀门类型,而且要考虑到不同情况的故障,特别是DC故障出现的情况。在初期,进行了控制和保护测试,也进行了DC的故障测试,另外还有很多的VSC的模块进行试用,具有一定的可靠性。从2016年到现在运行来看,故障率很低,AC电压也更稳定。

柔性直流输电主要设备

1)柔性直流换流阀

换流阀是柔性直流输电工程的核心设备,其成本约占换流站成套设备的 22~25%,主要由 IGBT、控制驱动单元、冷却系统、饱和电抗器、电容、电阻等组成。

不同于常规直流输电工程使用的半控器件晶闸管,柔直工程换流阀多采用全控器件 IGBT,通过控制其开通关断,实现交流电与直流电的转换。目前国内主要换流阀生产商依然是传统电力设备龙头,包括南瑞集团、许继电气、西电电气等。

2)高压直流断路器

高压直流断路器是直流换电站的主要电气保护设备,发生故障时能够及时切断线路,隔离故障区域和故障点,实现线路的并网与离网。直流输电单条线路向多端的直流电网,乃至更为庞杂的直流系统的升级发展的关键,就在于可提供及时切断线路的设备。断路器设备提供商最强的是南瑞集团旗下子公司,以及思源电气、中国西电等。

3)换流变压器

用于将交流系统的电能送到换流阀,或从换流阀接收电能送到交流系统的变压器设备。 2015 年 5 月,“厦门柔性直流”项目 6 号换流变压器顺利通过全部型式试验,各项性能指标达到国际先进水平。此举标志着山东电工电气所属山东电力设备公司圆满完成了“厦门柔性直流”项目全部 6 台低端换流变压器生产任务。

此外,在特高压直流输电工程中,换流变压器也被广泛投运。相关设备生产公司有:保变电气、西电集团、特变电工、中电装备、ABB、西门子、阿尔斯通等。

4)柔性直流输电控制保护系统

直流控保系统为直流输电工程换流站起控与保护作用。换流阀接收直流控保系统的指令,通过 IGBT 驱动并转换为开关信号控制 IGBT 的导通关断,实现了两个换流站之间的直流电能的可控传输。同时,还可以根据需求提供电网的补偿支撑。目前控制保护系统主要提供商包括南瑞集团、四方电气等。

5)直流电抗器/平波电抗器

直流电抗器主要用于换流阀的直流侧,将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值,保持整流电流连续,减小电流脉动值,改善输入功率因数,并可以抑制变流装置产生的谐波。特变电工、北京电力设备公司、西电电气是电抗器主要设备研发生产商。

目前国内电网投资规模稳步增长,跨区输送能力也大幅提升。截止 2017 年底特高压投运项目共计五条直流、两条交流。2017 年新增跨区输电能力 4600 万 kW;全国跨区输电能力达到 1.3 亿 kW,其中交直流联网跨区输电能力超过 1.1 亿 kW,跨区点对网送电能力达到 1344 万 kW;中国与俄罗斯、蒙古国、越南和缅甸等周边国家跨国电力交易初步实现。

预测

柔性直流输电技术未来发展方向

1.高电压大容量。特高压大容量柔性直流输电系统未来将成为解决大规模可再生能源并网问题的一个重要手段。

2.架空线应用。已投运的柔性直流输电工程均由电缆来传输电能,但电缆会大大增加工程投资,未来柔性直流输电技术的发展将逐渐趋于架空线应用。

3.成本逐渐降低。未来随着IGBT器件的国产化逐步成熟,柔性直流系统的造价将进一步降低。

柔性直流技术以其有功无功独立调节、无源供电能力以及易于构建直流电网等特点,越来越受到人们的关注。同时,可关断器件、直流电缆等设备技术水平的不断提高,有效增强了柔性直流的输送容量水平,使柔性直流输电成为电网可采用的主要输电方式之一。可以预见,随着未来可再生能源接入和电网改造升级等需求,世界范围内的柔性直流输电应用将会获得日益广阔的发展。(本文由北极星输配电网整理 部分内容来源于天风证券、国家电网公司、亮报等)

 

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