摘要:
柔性直流输电技术在孤岛送电、海上风电直流送出等方面具有独特的优势,是未来直流输电发展的方向。总结了柔性直流输电的发展现状和应用前景。概述了电力电子器件、柔直换流阀、高压直流断路器、柔直变压器、直流电缆等关键设备的研究进展,介绍了国内标志性柔性直流输电工程。指出了柔性直流输电在大规模新能源消纳和海上风电直流接入、多端直流和直流电网、远距离大容量架空线路直流送出、直流配电网以及孤岛送电等方面的应用前景。
引言
柔性直流输电(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent,VSC-HVDC)是一种以电压源换流器为基础的新型直流输电技术,诞生于20世纪90年代初,属于第三代直流输电技术。它结合了电力电子、电力系统、通信原理和自动控制等各方面先进技术,拥有良好的可控性和适应性,运行方式灵活、可应用范围广,对于新型电力系统建设中大规模新能源消纳和电网智能化、数字化建设有着重大作用。其突出特点包括不依赖电网换相、可孤岛运行、谐波小、可独立调节有功和无功功率等,在孤岛输电、弱电网供电、新能源并网、海上风电外送等方向上有着独特优势。
早期柔性直流输电技术主要基于两电平或三电平电压源换流器,由于其电平数少必须要采用高频脉冲宽度调制,交流侧谐波含量高,需要配置滤波器。同时,较大的开关电压和开关频率导致其开关损耗大,并对开关器件的一致性和均压特性要求较高。2001年德国慕尼黑联邦国防军大学提出了模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的设计结构,相比两电平或三电平换流器,MMC具有制造难度低、损耗低、谐波含量小、开关器件承受电压阶跃低、故障处理能力强等优点,极大地推动了柔性直流输电技术的发展及工程应用。2010年11月美国投运了世界上首个采用MMC技术的柔性直流输电工程—TransBayCable工程(±200kV/400MW),世界上后续新建或规划的柔性直流输电工程几乎都采用了MMC技术。
本文对柔性直流输电技术进行综述和展望。介绍了柔性直流输电关键装备最新研究进展和我国标志性柔性直流工程,提出了柔性直流输电技术的未来应用前景。
1、柔性直流输电发展现状
1990年,加拿大McGill大学首先提出了柔性直流输电技术的概念[8]。我国柔性直流输电技术自21世纪初开始,历经10余年发展,国内柔性直流输电技术在设备、工程成果方面均取得了巨大进展,逐步发展成为世界领先水平。
1.1、柔性直流输电关键设备研究进展
近年来,我国在大功率电力电子器件、换流阀、高压直流断路器、高压换流变压器、直流电缆等柔性直流输电关键设备的研制上取得重大突破,实现了“中国制造”。
1、电力电子器件
大功率电力电子器件方面,广泛应用于柔性直流输电的绝缘栅双极晶体管(insulated-gatebipolartransistor,IGBT)发展迅速,正朝着高压大容量向迈进。近年来,国内外新建柔性直流工程所采用IGBT器件主要以电压等级4500kV、电流2kA/3kA为主,主要器件生产厂家也正针对高压大容量IGBT器件开展研发,6500V电压等级或5kA电流的IGBT器件有望在未来投入商业使用。
2017年,中车时代电气研制的4500V/3600A压接型IGBT成为当时世界上功率等级最高的压接型IGBT,实现国内相关技术从无到有的突破;此后国内相关产业高速发展,并积极探索多电平换流技术、串联均衡控制技术等。
由于具有低成本、低损耗、大容量、高可靠性等优点,近年来集成门极换流晶闸管(integratedgatecommutatedthyristor,IGCT)的器件也得到广泛关注。ABB公司于1996年研制了首支IGCT器件,IGCT器件主要有非对称型、逆导型和逆阻型3种结构类型。中车已成功研制出4500V/4000A非对称型以及4500V/1100A逆导型IGCT组件产品,并于2019年与清华大学联合成功研制了直流电网用IGCT-Plus器件,阻断电压4500V,直流连续电流3000A,关断电流5000A。2020年,三峡集团、清华大学、西电集团等组成联合团队,开展了新一代高性能柔性直流换流阀的研发工作,目前已完成基于4.5kVIGCT-Plus器件的MMC模块、阀段和阀塔样机试验,以及基于6.5kVIGCT-Plus器件的MMC模块样机试验。IGCT器件国产化水平高,目前国产化IGCT-Plus已应用于多项工程,包括珠海“互联网+”智慧能源工程、东莞交直流混合配电工程以及张北直流电网等,在MMC应用场景下,电力电子器件开关频率较低,很大程度上规避了IGCT运行频率较低的劣势,突出了其在成本、效率、可靠性和安全性方面的优势,使得IGCT在高压大容量MMC中具有应用前景。
新型半导体器件方面,碳化硅(siliconcarbide,SiC)材料是目前世界范围内功率半导体器件研究的热点之一。与传统的Si器件相比,其耐温能力强、通态压降低、耐压强度高、具有更快速的开关速度。基于SiC器件构建的换流器能够大幅减少器件串联数量、降低换流器损耗,有望对柔性直流输电的发展带来革命性的改变。
2、柔直换流阀
换流阀方面,过去10年内,我国柔性直流换流阀容量从低压小容量不断发展,依托南网科研院牵头的国家重点专项“高压大容量柔性直流输电关键技术研究与工程示范应用”,中国西电集团研制出±800kV/5000MW特高压柔性直流输电换流阀,这是目前世界上电压等级最高、容量最大的特高压柔性直流输电换流阀。经过多年发展,我国已具备成套供货大容量柔性直流输电换流阀的能力,将有力支撑国家西电东送工程、深远海风电开发。
为适应远距离架空线直流传输,柔性直流输电系统需具备直流线路暂时性故障清除能力,实现手段主要有装设直流断路器或采用具有直流故障自清除能力的换流阀等。目前典型的长距离架空线柔性直流输电工程主要有昆柳龙特高压多端柔性直流工程和张北直流电网,其中昆柳龙直流工程采用全桥+半桥混合结构的MMC以实现直流故障自清除。
国产化方面,近年来柔直换流阀国产化得到极大重视,柔性直流换流阀的研发正快速推进。柔直换流阀国产化的难点主要在于子模块功率器件、直流电容以及二次板卡芯片等,其中功率器件国内主要生产厂商为中车,已具备大规模供货业绩;国产化直流电容尚无柔性直流供货业绩,但已具备应用条件;国内换流阀厂商也正针对全国产化芯片的二次板卡开展研发工作。MMC国产化子模块在国内柔性直流工程逐步得到应用,其中昆柳龙直流工程龙门、柳州换流站试点使用了部分国产模块,运行状况良好。另外,国产IGBT将大规模应用于正在建设中的广东背靠背柔直工程和白鹤滩直流工程。
3、高压直流断路器
柔性直流输电系统直流线路一旦发生故障,换流器和直流侧储能元件将快速放电,导致故障电流在数毫秒内达到电力电子器件的耐受上限,威胁设备和系统运行安全。高压直流断路器可以实现直流故障的快速切除和隔离,对保证直流电网安全可靠运行具有重要意义。直流断路器拓扑原理复杂多样,根据关键开断器件的不同,可分为全固态式直流断路器、机械式直流断路器、机械开关与固态开关相结合的混合式直流断路器。其中,混合式直流断路器充分利用了机械开关载流、绝缘能力强和固态开关开断能力强的特点,是当前高压直流断路器的主要研究及发展方向。
高压直流断路器发展现状方面,2015年7月,国网智能电网研究院研制的世界首台200kV高压直流断路器通过鉴定,成为全球首个200kV高压直流断路器,并于2016年12月正式在舟山投运,标志着我国相关技术走到世界前列;2017年12月,由南网科研院、华中科技大学、思源电气联合研制的世界首台160kV机械式高压直流断路器在南澳成功投运;同年,针对张北四端直流电网电压等级高、开断电流大的特点,我国研制出了世界上电压等级最高、开断电流最大的500kV直流断路器,开断时间小于2.6ms,可实现26.2kA电流的开断。
4、柔直变压器
柔直变压器布置在换流站交流侧和换流阀之间,是柔直换流站与交流系统之间能量交换的重要纽带。2018年12月,由中国西电变压器公司完全自主研发的张北工程首台换流变压器通过试验,技术性能达到国际领先水平;2019年9月,保定天威保变电气公司自主研发的龙门换流站首台800kV柔性直流变压器通过试验,成为当时世界电压等级最高、容量最大的柔直变压器。目前工程用柔直变压器主流制造水平达到了单台容量575MVA(广东背靠背直流工程),单台电压±800kV(昆柳龙直流工程)。
5、直流电缆
当柔性直流应用于海上风电送出、海岛送电等场景时,输电线路常采用直流电缆。直流电缆成为制约柔性直流电压等级和输送容量的关键因素之一。根据绝缘方式的不同,柔性直流输电电缆可分为黏性浸渍纸(mass-impregnatedpaper,MI)绝缘电缆、自容式充油(selfcontainedoilfilling,SCOF)电缆、交联聚乙烯(crosslinkedpolyethylene,XLPE)电缆,其中XLPE电缆因具有传输容量大、允许工作温度高、制作工艺简单、经济性好、无漏油风险等特点,在高压柔性直流输电工程得到广泛应用。
欧洲的直流电缆制造工艺与研发处于领先地位,丹麦NKT公司已研制出±525kVXLPE直流电缆产品,输送容量达到2600MW。2020年,英国和丹麦之间海底电缆“维京连接”项目正式启动,采用±525kV高压直流输电进行传输,输送容量1400MW,全长约760km,其中620km采用海底电缆,工程预计2023年底投入使用,这将是世界上最长、电压等级最高的高压直流海底电缆连接工程。
近年来中国XLPE直流电缆制造能力取得了长足进步,2013年我国首次自主设计制造的±160kVXLPE绝缘光纤复合直流海底电缆、陆上电缆及其配套附件在南方电网南澳多端柔性直流输电示范工程得到应用。2014年,国网舟山多端柔性直流输电工程、厦门柔性直流输电工程分别采用了国产化±200kV、±320kVXLPE绝缘直流电缆,直流电缆长度分别为294km和21km。2017年,中天科技成功研制出中国首根±525kVXLPE绝缘电缆,标志着我国高压直流电缆制造水平跻身国际前列。另外,东方电缆同样具备±535kV直流电缆制造能力。已投运的江苏如东海上风电直流送出工程采用±400kVXLPE绝缘直流电缆,输送容量1100MW。±500kVXLPE绝缘直流电缆有望在近年国内海上风电直流送出工程中得到应用。
1.2、我国柔性直流输电标志性工程
近10年来,我国投入了多项柔性直流工程,电压等级、输送容量均处于世界领先地位,目前我国投运或在建的柔性直流输电工程[14,3039]如表1所示。
其中,多个柔性直流输电工程有着里程碑式的意义:
1、2011年,±10kV/4MW中海油柔性直流工程、±30kV/18MW上海南汇风电柔性直流工程先后投运,拉开了我国柔性直流输电技术快速发展的序幕。
2、2013年,南方电网公司于南澳建设的三端柔性直流输电示范工程正式投运,直流电压等级为±160kV,输送容量200MW,该工程为世界上首个多端柔性直流输电示范工程。
3、2016年,“鲁西背靠背直流工程”柔性直流单元建成投运,是世界上首次采用柔性直流和常规直流组合模式的背靠背工程,也是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。
4、2020年6月9日,张北柔性直流输电示范工程正式投运,首次突破了柔性直流组网技术,成为世界首个柔性直流电网工程,将柔性直流的输电容量与可靠性提升至常规直流水平。
5、2020年11月24日,世界首个特高压多端混合直流输电工程—昆柳龙直流工程系统电压首次提升至800kV,使柔性直流输电进入特高压新时代。该工程于同年12月27日正式启动投产送电,这也是世界上首个在送端采用常规直流、受端采用柔性直流的特高压、远距离直流输电工程。
从无到有、从追逐者到领跑全球,国内柔性直流输电技术已经迈入又一个新时代,克服了特高压柔性输电、直流组网等技术难题,不断提高直流电压等级与输送功率容量,诞生了“昆柳龙”与“张北”两大世界领先级工程,展现了其强大的发展潜力和广阔的应用前景。未来柔性直流输电技术将在降低损耗，降低成本、模拟发电机特性(例如构网型控制、惯性模拟、更强大的电网支撑)等方向进一步发展,不断提升性能。
2、柔性直流输电应用前景
在新型电力系统建设、“双碳”目标提出的大背景下,柔性直流输电技术的应用前景主要体现在以下5个方面。
2.1、大规模新能源消纳、海上风电直流接入
新型电力系统背景下,新能源将大规模并网,新能源所具有的间歇性、随机波动性使其对电网的自我调节能力有着较高的要求。而柔性直流输电技术所具有的高适应能力、高灵活性和高稳定性特点对解决这一问题有着重大作用。通过柔性直流输电中的换流阀环节,利用电力电子器件的全控性与控制系统的调节能力强的特点,有效降低可再生能源波动对电力系统稳定性的影响,极大地缓解新能源大规模接入对电网的冲击。
我国“十四五”规划提出推进能源革命,建设清洁低碳、安全高效的能源体系,加快发展非化石能源,大力提升风电规模,有序发展海上风电。我国具有漫长的海岸线,可开发海上风力资源丰富,大力发展海上风电是实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”目标的重要举措之一。随着海上风电开发的远海化和深海化,基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术成为了海上风电送出的主要方式。近年来,国内相关研究取得明显突破。如东海上风电柔性直流输电示范项目为国内首个±400kV柔性直流输电海上风电项目,预计每年上网电量3300GWh,相当于节约1×106t标准煤,减排2.51×106t二氧化碳,展现了柔性直流输电技术对促进新能源消纳与节能减排的重要作用。正在规划中的阳江青洲五七海上风电场拟采用柔性直流送出方式,输送容量将达到2000MW,取得进一步突破。
2.2、多端柔性直流与直流电网
多端柔性直流输电系统由3个或以上换流站通过串并联或混联等方式组成,可实现多片区电源送出或多落点受端送电,具有控制灵活,可充分利用直流线路的优势,近年来得到了广泛的工程应用。如南澳三端柔性直流输电工程中,金牛和青澳两个送端换流站将南澳岛风电汇集后输送至陆上塑城换流站;昆柳龙混合直流工程由送端昆北换流站和受端柳州、龙门换流站组成;舟山多端柔性直流工程则包含5个换流站。随着多端柔性直流技术的成熟,直流电网的发展也得到有效推动。
直流电网在高压大容量领域中具备更高的可靠性、经济性和灵活性,可以实现多个电源资源的整合,汇集和输送多种形态能源,解决大规模新能源间歇性、波动性强等问题,以低损耗、高效率实现电能的分配和输送,在大规模新能源接入等场景具有广泛的应用前景。张北直流电网是世界首个直流电网工程,于2020年正式投产运行,同时欧洲也提出了海上网状HVDC输电电网的构想——PRO-MOTioN项目。然而,目前直流电网的发展还存在直流故障快速检测和隔离、直流电压变换、直流网络潮流控制等技术难题,与之相对应的核心装置是大容量高电压高速直流断路器、大容量直流变压器、直流线路潮流控制器。
2.3、远距离、大容量架空线柔性直流输电
中国地域辽阔,东西部用电资源和用电需求极度不平衡,西部具有丰富的水电和新能源发电资源,东部具有大量的用电需求但用电资源较为贫乏,西电东送是实现我国东西部用电平衡的重要手段。远距离、大容量架空线直流输电通过提升电压等级和系统容量可有效提高线路传输效率、降低造价,而柔性直流输电技术具有控制灵活、无换相失败问题等优势,因此远距离大容量架空线柔性直流输电技术在我国应用前景广泛。
为提升柔性直流输送容量,目前的技术路线主要有采用高、低柔性直流换流器串联技术,或采用常规直流换流器、柔性直流换流器混合级联技术,如昆柳龙直流工程龙门换流站采用双极四换流器结构,每极由高低换流器串联组成,输送容量5000MW;白鹤滩直流工程受端采用混合级联技术,高端换流器采用常规直流换流器、低端换流器采用3个柔直换流器并联,输送容量达8000MW。除此之外,远距离架空线柔性直流输电技术还需要解决直流线路暂时性故障自清除问题,主要的技术路线有研制高压直流断路器或具有故障自清除能力的换流器拓扑。
同时,我国现有常规直流输电通道规模大,负荷中心常规直流受电落点多,负荷中心交流系统故障引起多回直流换相失败的风险大,系统存在大面积停电的安全隐患。为解决此问题,在现有远距离大容量架空线常规直流输电的基础上,将受端换流站改造成柔性直流换流站,能有效降低换相失败风险,并且充分利用了现有资源,降低工程造价,这也是未来远距离大容量架空线柔性直流输电的重要发展方向之一。
2.4、柔性直流配电网
在“双碳”目标提出的背景下,光伏、风电、储能等分布式能源并网需求不断增加,同时随着电力电子技术的发展,数据中心、电动汽车、变频家电等直流负荷逐渐增多,推动了柔性直流配电网的发展。直流配电网不存在频率稳定和无功补偿等问题,系统可控性得到极大提高,可实现可再生能源和直流负荷的灵活接入和高效管理,提高系统的供电质量。另外,相比交流电网,直流配电网中新能源和直流负荷接入减少了DC/AC变换环节、线路不存在涡流损耗和由无功传输造成的损耗,系统功率输送效率得到提高。
除此之外,对于城市输配电网,其往往具有高密集度、应用场景繁多、用户需求复杂、整体波动性大等特点,对于稳定性与可靠性有着较高要求。目前我国城市内部电网系统采用交流输电居多,相比之下柔性直流输配电无集肤效应,在同线路条件下具有更高的输电能力,可减少输电线路对空间与土地资源的占用,能更好地满足城市电网需要,存在广阔的应用空间。
2.5、助力小型发电厂与主网连接、实现孤岛供电
传统输电技术对于发电厂并网条件要求较高,对于距离主网较远、装机容量较小的小型发电厂而言,使用传统方式并网存在较大困难,容易出现高成本或输送能力不足的问题。柔性直流输电技术不受限于接入的交流系统短路容量,且一端交流扰动不会经直流系统传导至其他另一端,能够实现分散灵活接入电网形态,可有效连通小型发电厂与主网,显著提高电能输送效率、质量与稳定性。
在偏僻山村、海岛、油田、钻井等供电需求场景中,因其远离电网主网的特点,通常以就地使用小型柴油发电机等方式进行发电,燃料运输成本高、对环境污染大。柔性直流输电技术具有可向无源网络直接供电、输电功率大小不受限制等优点,且可采用埋地式电缆传输,受环境条件干扰较小,适用于远距离输电与孤岛负荷供电,可有效解决类似问题,提高供质量。
3、结语
柔性直流输电技术是一种以电力电子器件为基础的新型直流输电技术,电力电子器件和柔直换流阀正朝着高电压、大容量方向迈进,同时新型可开断器件IGCT也取得一定的研究进展;高压直流断路器、柔直变压器等关键设备随着柔性直流工程的需求性能得到逐步提升;为适应海岛联网、海上风电直流送出等应用场景,直流电缆电压等级已提升至±500kV以上,可输送容量超过2000MW。
国内柔性直流输电技术与工程处于世界领先地位,诞生了张北直流电网和昆柳龙特高压多端柔性直流工程两个世界级工程。同时,在国内柔性直流工程的发展下,柔性直流输电关键设备国产化研究进程不断加速,正克服技术瓶颈,朝着全国产化方向迈进。
在“双碳”目标的背景下,国内大规模新能源消纳、海上风电接入需求不断增加,西电东送的远距离大容量架空线路直流输电仍然是解决国内用电资源不平衡的重要手段,多端直流、直流电网以及直流配电网具有更好的灵活性、可靠性和经济性等;各方面发展需求将促使柔性直流输电迅速发展,柔性直流输电技术具有广阔的发展潜力和应用前景。
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