柔性直流輸電和(hé)直流電網技術發展現狀與挑戰
發布時(shí)間：2015-03-30 09:15 來(lái)源：華電國威
現在大(dà)家都說可(kě)再生能源如果比例超過50%，德國、英國、歐盟在2050年，可(kě)再生能源的(de)比例要達到80%，我們現在的(de)電網行嗎?現在的(de)電網對(duì)可(kě)再生能源相對(duì)間歇式能源具有沖擊性，我們現在的(de)電網不是特别的(de)友好，最好的(de)技術，未來(lái)的(de)輸電技術是柔性直流和(hé)直流電網技術。今天就柔性直流輸電和(hé)直流電網技術發展現狀與挑戰做(zuò)一個(gè)陳述。
第一，輸電技術的(de)發展曆程。
一百年前，交直流之争，交流戰勝了(le)直流，現在一百多(duō)年主要是交流的(de)輸送方式，但是交流電網越建越大(dà)，輸送範圍受限，輸電走廊占用(yòng)大(dà)，對(duì)新能源的(de)接納非常有限。
直流輸電發展了(le)40多(duō)年，廣泛應用(yòng)于點對(duì)點遠(yuǎn)距離大(dà)容量輸電，需要非常強的(de)交流系統支撐，不宜構成多(duō)端，也(yě)不能構網。
1999年出現了(le)電壓運行的(de)叫柔性直流，這(zhè)個(gè)技術是未來(lái)電網形态重要的(de)發展方向，它非常容易構成多(duō)端、構成電網，所以這(zhè)個(gè)技術，目前來(lái)說是新能源技術最友好的(de)技術。
我們看看這(zhè)張表，交直流對(duì)比，現在的(de)直流技術無功不存在，穩定性也(yě)很高(gāo)，不存在不穩定，同步也(yě)不存在，輸送距離理(lǐ)論上是無限的(de)，分(fēn)布式能源接納是最友好的(de)，特别是電壓源的(de)，這(zhè)些恰恰都是交流輸電的(de)缺點，是根本固有的(de)。現代直流技術它的(de)故障上升率，電壓變換難度，這(zhè)些困難在五到十年都能夠解決，現代直流技術克服了(le)交流輸電技術固有的(de)這(zhè)些缺點，它是未來(lái)發展的(de)重要發展方向。
我們想象一下(xià)直流輸電技術，一種是傳統直流和(hé)電壓源的(de)混合，受端不存在換向失敗問題。還(hái)有是從發電到用(yòng)電全部是直流，回到一百年前，一百年前技術不行，沒有電離電子技術，現在有了(le)這(zhè)些技術，百年前的(de)夢想都能成爲現實。
第二，柔性直流輸電技術。
柔性直流主要是基于IGBT新一代輸電技術，改變了(le)以前所有輸電技術的(de)特點，它可(kě)以獨立運行，以前交流傳輸隻能傳輸有功，而且線路充電無功，原來(lái)的(de)直流隻能傳送有功，無功要進行無功補償，本身的(de)換流站，換流器能獨立傳輸無功，所以有功和(hé)無功都能快(kuài)速運行，而且獨立可(kě)控。目前是遠(yuǎn)距離海上風電的(de)唯一選擇，傳統直流不行，有換向失敗的(de)問題，交流充電無功不行，另外它可(kě)以構建多(duō)端和(hé)直流網絡最佳的(de)手段。無源、孤島供電，大(dà)型城(chéng)市供電，現在城(chéng)市都是電線杆緊城(chéng)，将來(lái)電線杆怎麽都下(xià)地，直流一旦進入，一百公裏都沒問題，我們理(lǐ)想中的(de)城(chéng)中心就不需要建變電站了(le)。
柔性直流1999年發展到現在，技術發展很快(kuài)，一直到2011年，前面都是ABB在發展這(zhè)個(gè)技術，在拓撲的(de)技術上，損耗上有很大(dà)的(de)制約。ABB、西門子、阿爾斯通(tōng)，中國從2009年開始啓動一系列的(de)研究，到目前來(lái)說，在中國的(de)發展速度非常快(kuài)，起步晚，但是起點很高(gāo)。
柔性直流的(de)現狀，1999年世界是第一條，2011年我國是第一條，截至2013年，已投運工程16條，最大(dà)的(de)是40萬，200千伏。但是現在啓動在建的(de)最小的(de)是40萬，就是說技術發展速度非常快(kuài)。目前世界三端直流南(nán)澳的(de)已經在運行，多(duō)端的(de)世界上隻有兩條，舟山五端，美(měi)國三端。整個(gè)系統參數，目前已經投運的(de)是這(zhè)樣的(de)現狀。
我們國家從2006年開始啓動基礎理(lǐ)論，從起步到幾萬、幾十萬到百萬的(de)發展方式。我們國家建的(de)第一條上海柔直，容量很小，是一個(gè)示範，亞洲第一條，世界上第一個(gè)模塊化(huà)接入的(de)，也(yě)是世界上低損耗的(de)模塊化(huà)技術，已經納入了(le)國際搭建風電接入的(de)标準模式案例。我們已經建成了(le)兩個(gè)多(duō)端，一個(gè)是南(nán)澳三端，最大(dà)一端容量是20萬，國家電網公司的(de)舟山是五端，正負兩百千伏，最大(dà)的(de)一端是40萬，舟山的(de)總容量是100萬，這(zhè)是新能源和(hé)交直流混合良好的(de)發展方式。
現在在建的(de)是廈門工程，這(zhè)是世界上容量最大(dà)的(de)，一千兆瓦，320千伏，主要是廈門島供電，提高(gāo)它的(de)輸送容量的(de)比率，整個(gè)容量翻了(le)好幾倍，目前在建，預計在明(míng)年5月(yuè)份要建成。今年在國際大(dà)電網會議(yì)上，中國的(de)建設速度引起了(le)很高(gāo)的(de)反響。
第三，直流電網技術。
跟前面說到的(de)多(duō)端還(hái)不是一個(gè)概念，直流是真正構成網絡。歐洲爲了(le)适合新能源，推出他(tā)雄心勃勃的(de)計劃，歐盟2012年形成了(le)法案，歐盟的(de)目标是2020年可(kě)再生能源要達到35%，以德國、英國爲代表，2020年要達到80%，他(tā)雄心勃勃要再造電網，就是超級電網，相當于再造一個(gè)以直流電網爲主的(de)跨北(běi)歐、中東，風、太陽能、水(shuǐ)，包括波浪能整個(gè)超級電網，這(zhè)個(gè)已經變成了(le)他(tā)的(de)行動計劃一步步在實施。
這(zhè)個(gè)是英國的(de)案例，英國在深海，最遠(yuǎn)的(de)近一百公裏了(le)。這(zhè)是德國再造一個(gè)國内的(de)主幹網。爲了(le)配合這(zhè)個(gè)，國際大(dà)電網組織已經成立了(le)六個(gè)工作組，今年又将啓動六個(gè)工作組，啓動一系列的(de)研究，我們國家相關科研單位，各項基金都在支持這(zhè)方面開展研究。歐洲的(de)超級電網整個(gè)計劃的(de)進程，預計在十年之内，至少有20條，他(tā)的(de)電網初步就要建成了(le)。目前我們也(yě)在跟蹤這(zhè)樣的(de)歐洲直流電網的(de)建設，應該說可(kě)以看到他(tā)們這(zhè)一塊兒(ér)，每個(gè)柔直現在歐盟是補貼的(de)，任何一條柔性直流工程的(de)建設，在構網之前補貼10-15%，推動可(kě)再生能源并網。
這(zhè)是英國和(hé)挪威的(de)一個(gè)案例，2015年到2018年點對(duì)點的(de)，現在稍微有一年左右的(de)滞後。第二階段2018年到2020年，先構成多(duō)端。2020年到2022年，構成直流的(de)網絡。第四個(gè)階段，再加上直流變壓，國家之間全部采用(yòng)海底電纜，柔性直流，從岸上再進行交流的(de)轉換。
第四：發展趨勢。
未來(lái)發展趨勢，未來(lái)整個(gè)發展，一個(gè)是器件水(shuǐ)平，電力電子器件，另外就是推動了(le)容量發展，目前在建最大(dà)的(de)是輸電工程正負兩百千伏，五百兆瓦，這(zhè)是最高(gāo)電壓等級，五百千伏，一千五百兆瓦，這(zhè)個(gè)在規劃，應該說整個(gè)容量，英國規劃的(de)是兩千兆瓦，兩百萬，四百千伏或者五百千伏，以五百千伏爲主幹網架。
對(duì)于我們國家來(lái)說，目前必須是強交流的(de)支撐，強交、強直來(lái)支撐，這(zhè)種常規來(lái)地域換向失敗是根本性的(de)，不可(kě)克服的(de)，在未來(lái)的(de)電力電子器件的(de)發展，未來(lái)十年到二十年，可(kě)能對(duì)受端進行類似的(de)改造，采用(yòng)電壓源，根本性用(yòng)柔性直流解決換向失敗問題。另外整個(gè)送端構建一個(gè)柔性直流的(de)超級電網，由特高(gāo)壓送到東部。對(duì)于城(chéng)市電網，像北(běi)京市的(de)地圖，近30個(gè)變電站，未來(lái)二三十年，變電站全部在七環外就可(kě)以了(le)，不需要在城(chéng)裏建變電站，直流供電半徑不存在距離問題。柔性直流的(de)趨勢，是多(duō)端直流的(de)網絡。
面臨的(de)挑戰，一個(gè)是基礎理(lǐ)論，另外就是器件，容量、電壓等級不斷提升，碳化(huà)矽革命性的(de)變革，這(zhè)些都是未來(lái)電網面臨的(de)革命性的(de)技術。還(hái)有就是拓撲技術，現在是電纜應用(yòng)，拓撲系統有各種各樣的(de)組合方式，把容量、電壓等級提升，能夠在十年左右的(de)時(shí)間，到二十年，能夠替代現在的(de)常規直流。柔性直流電纜現在ABB已經發布，525千伏，2600安培的(de)直流電纜已經出來(lái)了(le)，我們國家要緊追，我們也(yě)在歐洲院啓動直流電纜的(de)研究和(hé)開發。
高(gāo)壓直流斷路器，這(zhè)個(gè)研發成功預示著(zhe)直流電網可(kě)以開始構建，國網智研院今年年底200千伏，實現三個(gè)毫秒的(de)斷路器将研制成功，通(tōng)過所有形式的(de)實驗，今年年底也(yě)要發布。
另外就是系統可(kě)靠性，常規直流的(de)可(kě)靠性已經經過幾十年經驗的(de)實踐，雙極閉鎖十年才允許一次，應該說柔性直流的(de)可(kě)靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到常規直流的(de)可(kě)靠性，所以這(zhè)都是未來(lái)的(de)方向和(hé)機遇。
總體來(lái)說，随著(zhe)我國區(qū)域性新能源并網和(hé)消納，海上資源的(de)開發，城(chéng)市電網的(de)升級等方面，柔性直流技術是非常有效的(de)技術手段。特别是可(kě)開斷器件，直流電纜制造水(shuǐ)平的(de)不斷提高(gāo)，柔性直流将成爲未來(lái)直流電網中最主要的(de)輸電方式。預計在未來(lái)十到十五年，世界範圍内将有望建成以柔性直流爲主，這(zhè)主要在歐洲的(de)超級電網，在未來(lái)十到十五年就會建成了(le)。
