行业动态

南方电网建成投运世界首个多端柔性直流输电工程

来源:中国南方电网有限责任公司 | 发布日期:2013-12-27 | 阅读次数:

  ●国际上尚无多端柔性直流输电工程实践经验。该工程是我国继±800kV特高压直流输电工程之后,在国际直流输电领域取得的又一重大创新成果,为远距离大容量输电、大规模间歇性清洁电源接入、多直流馈入、海上或偏远地区孤岛系统供电、构建直流输电网络等提供安全高效的解决方案,推动国际直流输电技术实现了新突破

  ●攻克了多端柔性直流输电控制保护这一世界难题,使我国在世界上率先掌握了多端柔性直流输电成套设计、建设、调试和运行全系列核心技术,站在了世界输电技术的最前沿

  ●该项国家863计划项目展示与示范了柔性直流输电在风电接入方面的技术优势,能至少提高风电利用率5%-10%。工程所有核心设备以及控制保护系统均为国内首次研发,具有100%自主知识产权,对推动我国电力工业和装备制造业发展,保障电力安全可靠供应具有重要意义

  广东汕头南澳岛上200多台耸立的大风车正迎风转动,南方电网公司全力推进的世界第一个多端柔性直流输电示范工程——南澳±160千伏多端柔性直流输电示范工程就坐落在风车脚下的青澳湾。

  12月25日,随着南澳多端柔性直流输电工程现场总指挥一声令下,南澳岛上青澳、金牛两个换流站与汕头澄海区的塑城换流站完成了三端投产启动,这标志着南方电网攻克了多端柔性直流输电控制保护这一世界难题,成为世界第一个完全掌握多端柔性直流输电成套设备设计、试验、调试和运行全系列核心技术的企业,建成了世界上第一个多端柔性直流输电工程,在中国乃至世界电力发展史上具有划时代的重要意义。

  柔性直流宝石闪耀世界

  “这意味着我国成为世界第一个将多端柔性直流输电技术投入工程化应用的国家。” 南方电网专家委员会主任委员李立浧院士告诉记者,“多端柔性直流输电系统模块化多电平(MMC)技术,可灵活接入多个站点的风能、太阳能、地热能、小水电等清洁能源,通过一个大容量、长距离的电力传输通道,到达多个城市的负荷中心。这为新能源并网、大型城市供电以及孤岛供电等场合提供了一种有效的解决方案。”

  “柔性”是相对于常规直流输电技术而言,采用了先进的大功率电力电子器件组成的电压源换流器(VSC),可以依据电网需要,可以灵活快捷地改变电能输送的大小和方向,并提供更优质的电能质量。我们采用了模块化多电平技术(MMC),规模、容量、电压等级等关键工程参数都可以依据工程需求与电能传输距离量身定制,灵活实现。

  南澳多端柔性直流输电工程项目技术负责人饶宏告诉记者,“风能、太阳能发电等新能源接入电网的最大障碍就是其间歇性和不确定性,而柔性直流输电技术就像在电网接入了一个阀门和电源,可以有效地控制其上面通过的电能,隔离电网故障的扩散,而且还能根据电网需求,快速、灵活、可调地发出或者吸收一部分能量,从而优化电网的潮流分布、增强电网稳定性、提升电网的智能化和可控性。”

  目前,世界各国充分认识到柔性直流输电在可再生能源和智能电网建设中的重要作用,柔性直流输电工程应用开始呈现快速增长。但全球已投运的柔性直流输电工程均为点对点两端系统,尚无多端柔性直流输电工程投入商业运行。

  “多端”则是相对于“两端”而言,指两端以上的柔性直流输电工程。南澳多端柔性直流输电工程项目工程师许树楷介绍说:“两端直流输电系统无法实现对多个电源点(如风电场、分散式小水电等)的接入或多个负荷点的同时供电,多端系统可以将多个海上风电场、孤立海岛与大陆连接起来,构成直流网络,在节省投资与减少海域资源占用的情况下,既满足海岛电力需求的同时还能将富余电能送往大陆。”

  我国首条柔性直流输电示范工程为上海南汇风电场两端柔性直流输电工程,于2011年投入正式运行。该工程输送容量为2万千瓦,直流电压等级±30千伏。

  落户广东汕头南澳岛的三端柔性直流输电工程设计容量为20万千瓦,直流电压等级±160千伏,是世界首例多端柔性直流输电工程。

  南澳多端柔性直流输电工程目前分别在南澳岛上的青澳、金牛各建设一座换流站,在大陆澄海区建设一座换流站,三个站容量分别为5万千瓦、10万千瓦和20万千瓦,建设直流电缆混合输电线路40.7公里。未来岛上还将建设一座接纳近海上风电的换流站。该工程项目成果具有完全自主知识产权,将提高我国电网的整体科技含量,提升我国高端输变电产业的国际竞争力。

  缘起自主创新、100%自主知识产权

  “十八大”传递出来的“美丽中国”讯号再一次召唤清洁能源的开发利用,但是受接入技术条件限制,电网多年来一直无法承载大规模风电的接入。现有运行经验表明,交流系统电压波动是 “弃风”的主要原因之一。

  一直以来,南方电网致力于高压直流输电技术、特高压直流输电技术、交直流并联大电网运行技术,积累了大型工程成套设计、设备规范制定、控制保护功能设计和测试、设备监造等方面积累了丰富的工程经验。近年来,又在电力电子在电网中的应用方面取得了显著突破,比如STATCOM技术、柔性直流输电技术等。

  为攻克多端柔性直流输电这一世界难题,大力发展清洁能源,国家科技部2011年将“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发” 课题列入国家863科技计划重大专项,把南澳多端柔性直流输电工程作为我国第一个自主化示范工程,突破大型风电采用柔性多端直流输电接入电网的关键技术问题,提升我国柔性直流输电领域的核心装备研发和制造水平,实现成套设计的全面自主化目标。

  汕头(南澳)风力发电有限公司总工程师高斌说,“就好比一个小水池,倒一杯水可能也会溅起水花,更不要说一场大雨了。”柔性直流输电技术却有“化干戈为玉帛”的神功,被誉为“风电知音”,是国际上公认的风电场并网的最佳技术方案。

  “柔性直流技术能通过对风电进行全方位控制,使风力发电的间歇性特点不会扰乱电网,这就像是给小水池装了一个拦水坝,能减少水的波动。”高斌介绍说,“该技术的灵活性很强,对冲击负荷的承受能力更大,用电质量与可靠性更明显。如一台正在运行的电器,常规交流或常规直流在消纳间歇性能源并网或应对冲击性负荷时,往往会因为电压不稳带来隐患,而柔性直流技术在消纳时则较为平稳,设备受损的概率明显降低。”

  由于柔性直流是最为先进的电力技术之一,一直受到世界主要发达国家的重视,相关技术资料鲜有公开,且多端柔性直流比两端更要复杂得多。

  “关键技术研究必须全部立足于自主科研。”广州、北京两地,一个由南方电网牵头组织、来自高校、研究机构、设计和制造企业、超过100人的产学研联合技术攻关团队悄无声息地组建。攻关团队每天工作超过15小时,历经无数次的论证、计算、试验,攻克了世界第一个多端柔性直流输电工程的“心脏”难题——控制保护系统,形成了包括多端柔性直流工程控制保护系统研究技术等10个“世界第一”。

  “控制保护系统是整个工程的‘神经中枢’,南澳柔性直流输电示范工程作为世界第一个多端柔性直流输电系统,其‘多端’功能完全依靠复杂而灵活的控制保护系统来实现。”许树楷解释道。

  “就像一个有着多个入口(电源接入端)与多个出口(负荷供电端)的水管,要保证水管水压稳定,则入水与出水流量要时时刻刻基本保持平衡。但由于入水量与出水量是各个端口依据各自情况而随时变化的,如何实时平衡这种变化难度极大。而当一个入水口或出水口堵塞了,其它入口、出口如何快速调整自身的入水、出水量,甚至是入水、出水方式之间发生切换,来维持整个系统的再平衡,及技术含量就更高。”

  “多端”之难正在于此。

  许树楷告诉记者:“此次南澳工程的自主创新不但体现在科研团队攻坚克难的决心,更为重要的是,我们走在了世界直流输电技术的前列。”

  南澳多端柔性直流输电工程将已基本成型的两端柔性直流系统扩展到多端,每一端的接口与设备都选用了不同型号,来自于包括央企、民营企业在内的国内不同厂商的设备,让国内尽可能多的设备研发制造企业参与到这个开创性的工程中来,培育起一个良性竞争的市场环境。

  攻坚克难创造世界工程奇迹

  工程招标现场,设备厂商都姓“中”。南澳柔性直流输电工程设计总工程师陈冰说,“此项工程是集大型风电场接入、柔性多端直流输电、海底直流电缆等多项创新技术于一体的世界首例多端柔性直流输电工程开拓之作。由我们自主研发核心技术,设备制造厂商全都是国内厂家。”

  事实上,从系统研究、成套设计,到工程设计、设备制造,再到现场施工、运行调试,南澳柔直工程都选择了“产、学、研、用”一体的攻关方式,集研究机构、高校、设计、制造企业合力,共同攻克多端柔性直流输电技术难题。

  工程从今年3月开工,共经历了12次台风,大雨到暴雨天气共117天。施工团队在克服了无相关工程建设经验、无标准、无现成生产能力设备厂家,以及复杂海域和气象条件等种种困难后,终于进入了海缆敷设阶段,眼看工程胜利在望。

  此时,一个关键的技术瓶颈又出现在项目团队的面前。“海缆及附件无现成可用的产品。”南澳柔性直流工程海缆攻关组组长郭小龙告诉记者,“海底直流电缆的质量控制是影响整个柔性直流工程可靠性的关键一环,换流站内的技术、设计即使大功告成,没有海缆将海岛与大陆相连,也无法实现技术的落地。”

  高压直流电缆及其附件是当今世界电缆制造的技术制高点,国内各研发和制造单位都没有能力生产符合条件的海缆。美国和日本等公司具备海底高压直流电缆的研发技术,但他们开出的条件是3-4年研发与供货周期,并捆绑了一系列经济和技术限制条件。

  创新的脚步从未停下,项目组团队再次迎难而上。

  集全国电缆行业的技术和智慧,南澳柔性直流输电技术攻关团队广发英雄帖,与上海交大、电缆制造厂家等单位的技术专家组成了联合研发的重兵集团,集中进行±160千伏直流电缆的研发和试验。

  围绕电场分布不均匀这个核心问题,研发团队经过3个月的努力,逐渐攻克空间电荷的抑制、绝缘厚度配置等一系列技术难关,终于迎来了胜利成果,国内第一批±160千伏直流电缆(陆缆+海缆)及附件(终端+接头)的样品通过了国家电线电缆质量监督检验中心的型式试验,意味着我国掌握了高压直流电缆研发技术,在高压直流电缆领域打破了国外技术封锁。

  工程项目副经理吕文胜有着27个年头的工程建设经验,他告诉记者,常规的柔性直流输电工程的工期一般是18个月。“这还是在各项技术、设备都成熟的前提下的工期时间。”南澳多端柔性直流输电工程仅仅用了8个月,就吹响了实现世界第一的号角。

  风电利用率提高5%-10%

  工程的投运,标志着南方电网实现了世界首例多端柔性直流输电技术的工程化应用,实现多端柔性直流输电技术成套设计的全面自主化,开创了世界直流输电技术的新时代。饶宏介绍,南澳多端柔性直流输电工程的所有核心设备均为国内首次研发,实现100%自主国产化。

  此外,柔性直流输电技术本身还具有较强的经济性,饶宏给记者算了一笔账。“较之常规直流输电,在容量为1万至100万千瓦的部分场合下,尤其是对于离岸较远的海上风电场内部互联来说,柔性直流输电技术可节约投资10%以上。”而交流输电需要三相线路,柔性直流只需正负两极线路,交流线路无论以架空线或电缆方式建设,在造价和占地上都大幅高于柔性直流。

  柔性直流输电技术是改变电网发展格局的战略性选择,它可以提高现有输配电网的安全稳定水平,促进可再生能源低成本模块化开发利用,促进电力产业结构升级与优化,解决我国能源领域节能环保等重大问题。

  同时,在分布式发电接入、孤岛供电、城市电网供电等方面具有广阔的市场应用前景。据初步预测,在未来十年内,世界范围内的柔性直流输电市场规模将在1000亿元以上。

  “率先实现多端柔性直流输电技术的工程化应用有利于我们在类似工程上积累经验,在未来电网发展中掌握主导权,成为行业标准制定者。”饶宏说到。

  南澳柔性直流输电工程建设,有效解决了南澳岛风电开发的送出问题,很好地展示与示范了柔性直流在风电接入方面的技术优势。中国工程院院士、清华大学教授韩英铎告诉记者:“柔性直流输电技术至少能从两个方面提高风电利用率,一是提高风电机组抵御电网故障扰动的能力,减少风电机组停机率;二是能提高风电机组对风速的适应能力,能够在更大风速范围内保持发电运行。这将至少提高风电利用率5%-10%。”以2012年全国风电发电量1008亿千瓦时测算,该技术能增加风电发电量约50-100亿千瓦时。(蓝望)

新闻链接

  经济账

  我国东南沿海海上风力资源丰富,随着海上风电场的发展以及海洋油气平台数量的增加,客观上形成了对柔性直流输电系统的需求。据初步预测,在未来十年内,世界范围内的柔性直流输电市场规模将在1000亿元以上。

  柔性直流输电技术具有较强的经济性。较之常规直流输电,在容量为1万至100万千瓦的部分场合下,尤其是对于离岸较远的海上风电场内部互联来说,柔性直流输电技术可节约投资10%以上。

  南澳多端柔性直流输电工程所有核心设备均为国内首次研发,实现100%自主国产化,打破了国外的技术和价格垄断。根据初步估算,国产柔性直流输电设备的造价只为国外企业价格的二分之一不到,以国际上价格约为4亿人民币/10万千瓦,按“十二五”期间投产300万千瓦计算,可以节约投资60亿元人民币。

  环境账

  据专家测算,南澳多端柔性直流输电工程每年能输送风电5.6亿千瓦时,以国家能源局公布的最新6000千瓦及以上供电标准煤耗率(326克/千瓦时)计算,这相当于节约了18.25万吨标准煤,减少了48.55万吨二氧化碳。

  科技帐

  作为国家863计划课题的示范工程,该工程的顺利投运,首先是标志着我国已掌握大容量高压多端柔性直流输电技术,无论在系统集成技术,还是设备国产化方面,都实现了行业技术进步的“大跨越”。同时南澳多端柔性直流输电工程创造多个世界、国内“第一”

  世界第一个多端柔性直流输电工程,完成多端(3端)柔性直流的系统研究,制定设备规范、试验标准,形成总体设计技术方案;

  国内第一次采用±160千伏 XLPE直流陆缆、海缆及其附件,使用架空线与直流海缆、陆缆混合接线技术,成功研发国内最高电压等级的直流海缆;

  ……

  什么叫柔性直流输电?“柔性”主要体现在什么地方?

  柔性直流输电是又称为“电压源换流器型高压直流输电”,是基于电压源换流器技术的直流输电。它以可关断器件和脉冲宽度调制技术为基础,可以在较大范围内,对输送的有功、无功功率分别进行独立控制,快速对交直流电压、有功、无功和交流频率进行调节的功能。

  柔性直流输电的“柔”主要体现在系统的可控性上,该系统可以快速跟踪交直流电网各类参数的变化并根据指定的控制策略迅速做出相应的调整。这种调整不仅迅速,而且平滑,对系统的影响较小。

  与传统交流相比,柔性直流输电技术的优势:

  除了有消纳新能源方面的特长外,柔性直流技术的优势主要体现在长距离供电上。如岛上电能供给不充足的岛屿,需要外部的电能传输过来,岛屿间电力联网主要通过海底电缆的方式,而在长距离电缆线路输电中,交流电缆越长,电能损耗越高,输送的有效电能越少。就像在锅炉烧好的开水,沿着管子往外送,管子越长,水的温度越低,末端用户可能就用不上热水了;而柔性直流电缆则相当于一根保温管,从锅炉到末端用户,水温都是恒定的,末端用户也能正常使用热水。

  与传统直流相比,柔性直流输电技术的优势:

  一是灵活性,目前传统直流,一般要应用在超高压、远距离(输送距离超过1000km)输电环境下与交流相比才具有比较好的技术经济性,柔性直流输电技术由于采用模块化技术,其应用场景不受限制,电压等级、工程规模、传输容量都可根据工程需求灵活定制,同时可以方便的构建多端系统甚至直流网络,即可应用于远距离输电,又可应用于海上风电输送、海岛供电这种中短距离(100km以内)输电。

  二是对相连的交流电网的要求低。传统直流输电,要求与换流站相连的交流电网必须具备一定的规模和容量,否则直流系统因换相、电压控制困难而将无法稳定运行。柔性直流输电则无此限制,甚至可以直接接入无源电网。

  三是占地面积小。传统直流输电,因需要较多的无功补偿与滤波设备,往往占地面积很大,土地资源占用要求高,在海上建设极难实现,而柔性直流输电由于自身的技术优势,无须无功补偿与滤波设备,极大节省了工程占地空间(至少节省1半以上占地)。

  同时,与传统直流相比,柔性直流在对站间通讯的要求,抗击交流系统故障扰动能力、运行的灵活性等方面都具有明显的优势。

  风电交流并网的技术瓶颈

  首先,使用交流并网需要风电场和所连接的交流系统必须严格保持频率同步,而风机对并网处交流母线电压波动较为敏感。现有运行经验表明,交流系统电压波动是风机退网的主要原因之一。

  其次,在交流系统发生故障的情况下,风电场的稳定运行往往需要在母线出线端加装无功补偿装置,从而提高风场抵御故障扰动能力。但这样一来加大了风电场投资,另外补偿装置对风机的最大风能捕捉及风机控制器本身,都有可能造成不利影响。

  最后,对于海上风电场来说,如果使用交流电缆连接,当电缆长度超过一定数值后,需要很大的感性无功补偿装置,尤其是对于距离岸边较远的风电场来说,在线路中间进行无功补偿几乎没有可能。

  而使用柔性直流输电电缆理论上没有距离限制,所以当海上风电场距离海岸超过一定的等价距离后,一般大于50~100千米,使用直流并网是最合理的选择。

  为什么要采用多端技术?它的难点和亮点是什么?

  所谓“多端”,是相对于两端而言的。常规的两端直流仅能实现点对点的直流功率传送,无法实现对多个电源点(如风电场)的接入或多个负荷点的同时供电。

  对于海上风电或海岛供电而言,多端送(供电)是非常现实的需求,如果每个海上风电场以及孤立海岛都依靠与大陆的点对点直流来连接,无论在工程造价,还是海域面积占用,都是巨大的。多端系统可有效解决这个问题,将临近的海上风电场,临近的孤立海岛连接起来,构成直流网络,再与大陆连接,在既节省投资与海域资源占用的同时,也可实现运行方式的灵活多样。

  南澳岛目前已建成牛头岭风电场、云澳风电场以及青澳风电场,未来还将建设塔屿风电场,各个风电场在岛上相对分散,采用多端柔性直流技术,可以很好地解分散风电场接入问题,同时也可方便地实施多端柔性直流技术的探索和示范。

  多端柔性直流技术的难点主要在于其控制保护技术,由于其送段(如风电场接入端)与受端(如供电负荷端)的功率均在实时变化,同时还将受到自身以及外部相连交流系统的故障等干扰,加之多端化后,系统的运行方式组合将十分灵活与多样(即保持功率平衡的方式组合将多样化,而不是两端系统的唯一性),如何保证多端之间在正常运行时的功率平衡与直流电压稳定,在故障扰动情况下各端的快速调整、模式切换与重新平衡是技术的难点。

  简单比喻而言,多端柔性直流就像一个有着多个入口(电源接入端)与多个出口(负荷供电端)的水管,要保证水管水压稳定,则入水与出水流量时时刻刻要基本保持平衡。但由于入水量与出水量是根据各自端的需求变化的(如风电发电功率变化,注入柔性直流的功率必然变化,负荷端负荷需求变化,从柔性直流输出的功率也需要变化),如何实时平衡这种变化,是需要复杂的协调控制来决策的。再比如一个入水口或出水口故障了,其它口如何快速调整自身的输入输出模式与输入输出量,来维持整个系统地再平衡也是复杂的技术问题。

  多端柔性直流技术如何解决风电不稳定问题?

  一方面,柔性直流系统连接的电源一般为是风能、太阳能等新能源,这些能源具有分散性、小型性、远离负荷中心等特点,同时由于这些新能源本身的不稳定性,容易导致送端电网的不稳定(机组互相间的有功功率分布使得系统局部波动大),送端电网需要稳定频率的交流电源作支撑。柔性直流输电系统可以通过调整控制策略,对送端交流电网的频率进行控制,保障送端电网的频率稳定。这种技术也同样适用于向远离大陆的海岛供电。

  另一方面,柔性直流输电系统可以监测其连接的受端交流电网的电压,并实现快速追踪,使其输出电压的波形与交流电压波形基本相同,电能的输入对交流系统造成的影响小。同时,柔性直流系统不仅不需要交流电网提供无功补偿,本身还能起到静止同步补偿器的作用,可以动态补偿交流系统的无功功率,稳定交流母线电压,提高所连接系统的电压稳定性。

  南澳岛柔性直流输电工程投运意义

  1)解决了我国可再生能源平稳、安全、大规模接入大电网的技术难题,解决了我国大力开发和利用可再生清洁能源的技术难题,对我国优化能源结构,发展清洁能源起到关键作用。同时对于在大区以至全国范围内消纳大规模可再生能源,应对逐步发展的海上风电场的集中送出问题,具有重要的示范和借鉴作用。

  2)南澳岛多端柔性直流工程的投运,标志着我国成为世界第一个大型风电场柔性多端直流接入技术、柔性输电变流器关键技术的国家。由于柔性直流输电技术是未来的主流输电方式,关键技术的掌握有利于在未来电网发展中掌握主导。

  3)国内厂家全程参与工程建设,让国内企业真正掌握换流器、控制系统保护等核心装备技术,提高了我国在智能电网领域装备制造的自主化能力。同时,掌握相关核心设备的自主知识产权可以带动整条产业发展,背后有着巨大的经济效益和社会效益。

  4)为大型柔性直流输电技术应用作准备。即将投运的南澳岛工程建设为将来大规模柔性直流工程的应用在建设、调试、运行方面积累更多的经验,为大型柔性直流工程应用打下坚实的基础。

  5)为大型风电场并网提供一个良好的技术手段,可充分满足坚强智能电网接纳大规模间歇式电源的要求,工程的投运有利于后续大规模风电场接入电网方式的优化。

  6)可最大限度地发挥风电场的发电能力,降低风电场造价,经济效益显著。柔性直流输电实现交直流隔离,可以使风电场不受交流电网故障时电网电压降低的影响,增强风电场低电压穿越能力,最大限度地发挥可再生能源的发电能力。此外,柔性直流可以运行在较大的频率范围内,可研究风电场的频率根据风能密度变化来优化风电出力,提高风电发电效率。

  7)柔性直流输电由于滤波器容量相对较小甚至没有等原因,设备比较少,换流站单位兆瓦占地面积仅为常规直流换流站的20%左右。因此,采用柔性直流输电方式可减少占地,环境效益显著。

  8)柔性直流输电不仅能够友好接入大规模间歇性能源,也是电网主网背靠背连接、城市负荷中心直接供电、构建直流网络的最佳选择。柔性直流输电已经成为当前电网先进的前沿技术,是影响未来电网发展格局的战略技术。