柔性直流輸電和直流電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
發(fā)布時(shí)間：2015-03-30 09:15 來源：華電國威
現(xiàn)在大家都說可再生能源如果比例超過50%，德國、英國、歐盟在2050年，可再生能源的比例要達(dá)到80%，我們現(xiàn)在的電網(wǎng)行嗎?現(xiàn)在的電網(wǎng)對(duì)可再生能源相對(duì)間歇式能源具有沖擊性，我們現(xiàn)在的電網(wǎng)不是特別的友好，最好的技術(shù)，未來的輸電技術(shù)是柔性直流和直流電網(wǎng)技術(shù)。今天就柔性直流輸電和直流電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)做一個(gè)陳述。
第一，輸電技術(shù)的發(fā)展歷程。
一百年前，交直流之爭(zhēng)，交流戰(zhàn)勝了直流，現(xiàn)在一百多年主要是交流的輸送方式，但是交流電網(wǎng)越建越大，輸送范圍受限，輸電走廊占用大，對(duì)新能源的接納非常有限。
直流輸電發(fā)展了40多年，廣泛應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)距離大容量輸電，需要非常強(qiáng)的交流系統(tǒng)支撐，不宜構(gòu)成多端，也不能構(gòu)網(wǎng)。
1999年出現(xiàn)了電壓運(yùn)行的叫柔性直流，這個(gè)技術(shù)是未來電網(wǎng)形態(tài)重要的發(fā)展方向，它非常容易構(gòu)成多端、構(gòu)成電網(wǎng)，所以這個(gè)技術(shù)，目前來說是新能源技術(shù)最友好的技術(shù)。
我們看看這張表，交直流對(duì)比，現(xiàn)在的直流技術(shù)無功不存在，穩(wěn)定性也很高，不存在不穩(wěn)定，同步也不存在，輸送距離理論上是無限的，分布式能源接納是最友好的，特別是電壓源的，這些恰恰都是交流輸電的缺點(diǎn)，是根本固有的�，F(xiàn)代直流技術(shù)它的故障上升率，電壓變換難度，這些困難在五到十年都能夠解決，現(xiàn)代直流技術(shù)克服了交流輸電技術(shù)固有的這些缺點(diǎn)，它是未來發(fā)展的重要發(fā)展方向。
我們想象一下直流輸電技術(shù)，一種是傳統(tǒng)直流和電壓源的混合，受端不存在換向失敗問題。還有是從發(fā)電到用電全部是直流，回到一百年前，一百年前技術(shù)不行，沒有電離電子技術(shù)，現(xiàn)在有了這些技術(shù)，百年前的夢(mèng)想都能成為現(xiàn)實(shí)。
第二，柔性直流輸電技術(shù)。
柔性直流主要是基于IGBT新一代輸電技術(shù)，改變了以前所有輸電技術(shù)的特點(diǎn)，它可以獨(dú)立運(yùn)行，以前交流傳輸只能傳輸有功，而且線路充電無功，原來的直流只能傳送有功，無功要進(jìn)行無功補(bǔ)償，本身的換流站，換流器能獨(dú)立傳輸無功，所以有功和無功都能快速運(yùn)行，而且獨(dú)立可控。目前是遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電的唯一選擇，傳統(tǒng)直流不行，有換向失敗的問題，交流充電無功不行，另外它可以構(gòu)建多端和直流網(wǎng)絡(luò)最佳的手段。無源、孤島供電，大型城市供電，現(xiàn)在城市都是電線桿緊城，將來電線桿怎么都下地，直流一旦進(jìn)入，一百公里都沒問題，我們理想中的城中心就不需要建變電站了。
柔性直流1999年發(fā)展到現(xiàn)在，技術(shù)發(fā)展很快，一直到2011年，前面都是ABB在發(fā)展這個(gè)技術(shù)，在拓?fù)涞募夹g(shù)上，損耗上有很大的制約。ABB、西門子、阿爾斯通，中國從2009年開始啟動(dòng)一系列的研究，到目前來說，在中國的發(fā)展速度非�？�，起步晚，但是起點(diǎn)很高。
柔性直流的現(xiàn)狀，1999年世界是第一條，2011年我國是第一條，截至2013年，已投運(yùn)工程16條，最大的是40萬，200千伏。但是現(xiàn)在啟動(dòng)在建的最小的是40萬，就是說技術(shù)發(fā)展速度非常快。目前世界三端直流南澳的已經(jīng)在運(yùn)行，多端的世界上只有兩條，舟山五端，美國三端。整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，目前已經(jīng)投運(yùn)的是這樣的現(xiàn)狀。
我們國家從2006年開始啟動(dòng)基礎(chǔ)理論，從起步到幾萬、幾十萬到百萬的發(fā)展方式。我們國家建的第一條上海柔直，容量很小，是一個(gè)示范，亞洲第一條，世界上第一個(gè)模塊化接入的，也是世界上低損耗的模塊化技術(shù)，已經(jīng)納入了國際搭建風(fēng)電接入的標(biāo)準(zhǔn)模式案例。我們已經(jīng)建成了兩個(gè)多端，一個(gè)是南澳三端，最大一端容量是20萬，國家電網(wǎng)公司的舟山是五端，正負(fù)兩百千伏，最大的一端是40萬，舟山的總?cè)萘渴?00萬，這是新能源和交直流混合良好的發(fā)展方式。
現(xiàn)在在建的是廈門工程，這是世界上容量最大的，一千兆瓦，320千伏，主要是廈門島供電，提高它的輸送容量的比率，整個(gè)容量翻了好幾倍，目前在建，預(yù)計(jì)在明年5月份要建成。今年在國際大電網(wǎng)會(huì)議上，中國的建設(shè)速度引起了很高的反響。
第三，直流電網(wǎng)技術(shù)。
跟前面說到的多端還不是一個(gè)概念，直流是真正構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。歐洲為了適合新能源，推出他雄心勃勃的計(jì)劃，歐盟2012年形成了法案，歐盟的目標(biāo)是2020年可再生能源要達(dá)到35%，以德國、英國為代表，2020年要達(dá)到80%，他雄心勃勃要再造電網(wǎng)，就是超級(jí)電網(wǎng)，相當(dāng)于再造一個(gè)以直流電網(wǎng)為主的跨北歐、中東，風(fēng)、太陽能、水，包括波浪能整個(gè)超級(jí)電網(wǎng)，這個(gè)已經(jīng)變成了他的行動(dòng)計(jì)劃一步步在實(shí)施。
這個(gè)是英國的案例，英國在深海，最遠(yuǎn)的近一百公里了。這是德國再造一個(gè)國內(nèi)的主干網(wǎng)。為了配合這個(gè)，國際大電網(wǎng)組織已經(jīng)成立了六個(gè)工作組，今年又將啟動(dòng)六個(gè)工作組，啟動(dòng)一系列的研究，我們國家相關(guān)科研單位，各項(xiàng)基金都在支持這方面開展研究。歐洲的超級(jí)電網(wǎng)整個(gè)計(jì)劃的進(jìn)程，預(yù)計(jì)在十年之內(nèi)，至少有20條，他的電網(wǎng)初步就要建成了。目前我們也在跟蹤這樣的歐洲直流電網(wǎng)的建設(shè)，應(yīng)該說可以看到他們這一塊兒，每個(gè)柔直現(xiàn)在歐盟是補(bǔ)貼的，任何一條柔性直流工程的建設(shè)，在構(gòu)網(wǎng)之前補(bǔ)貼10-15%，推動(dòng)可再生能源并網(wǎng)。
這是英國和挪威的一個(gè)案例，2015年到2018年點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，現(xiàn)在稍微有一年左右的滯后。第二階段2018年到2020年，先構(gòu)成多端。2020年到2022年，構(gòu)成直流的網(wǎng)絡(luò)。第四個(gè)階段，再加上直流變壓，國家之間全部采用海底電纜，柔性直流，從岸上再進(jìn)行交流的轉(zhuǎn)換。
第四：發(fā)展趨勢(shì)。
未來發(fā)展趨勢(shì)，未來整個(gè)發(fā)展，一個(gè)是器件水平，電力電子器件，另外就是推動(dòng)了容量發(fā)展，目前在建最大的是輸電工程正負(fù)兩百千伏，五百兆瓦，這是最高電壓等級(jí)，五百千伏，一千五百兆瓦，這個(gè)在規(guī)劃，應(yīng)該說整個(gè)容量，英國規(guī)劃的是兩千兆瓦，兩百萬，四百千伏或者五百千伏，以五百千伏為主干網(wǎng)架。
對(duì)于我們國家來說，目前必須是強(qiáng)交流的支撐，強(qiáng)交、強(qiáng)直來支撐，這種常規(guī)來地域換向失敗是根本性的，不可克服的，在未來的電力電子器件的發(fā)展，未來十年到二十年，可能對(duì)受端進(jìn)行類似的改造，采用電壓源，根本性用柔性直流解決換向失敗問題。另外整個(gè)送端構(gòu)建一個(gè)柔性直流的超級(jí)電網(wǎng)，由特高壓送到東部。對(duì)于城市電網(wǎng)，像北京市的地圖，近30個(gè)變電站，未來二三十年，變電站全部在七環(huán)外就可以了，不需要在城里建變電站，直流供電半徑不存在距離問題。柔性直流的趨勢(shì)，是多端直流的網(wǎng)絡(luò)。
面臨的挑戰(zhàn)，一個(gè)是基礎(chǔ)理論，另外就是器件，容量、電壓等級(jí)不斷提升，碳化硅革命性的變革，這些都是未來電網(wǎng)面臨的革命性的技術(shù)。還有就是拓?fù)浼夹g(shù)，現(xiàn)在是電纜應(yīng)用，拓?fù)湎到y(tǒng)有各種各樣的組合方式，把容量、電壓等級(jí)提升，能夠在十年左右的時(shí)間，到二十年，能夠替代現(xiàn)在的常規(guī)直流。柔性直流電纜現(xiàn)在ABB已經(jīng)發(fā)布，525千伏，2600安培的直流電纜已經(jīng)出來了，我們國家要緊追，我們也在歐洲院?jiǎn)?dòng)直流電纜的研究和開發(fā)。
高壓直流斷路器，這個(gè)研發(fā)成功預(yù)示著直流電網(wǎng)可以開始構(gòu)建，國網(wǎng)智研院今年年底200千伏，實(shí)現(xiàn)三個(gè)毫秒的斷路器將研制成功，通過所有形式的實(shí)驗(yàn)，今年年底也要發(fā)布。
另外就是系統(tǒng)可靠性，常規(guī)直流的可靠性已經(jīng)經(jīng)過幾十年經(jīng)驗(yàn)的實(shí)踐，雙極閉鎖十年才允許一次，應(yīng)該說柔性直流的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到常規(guī)直流的可靠性，所以這都是未來的方向和機(jī)遇。
總體來說，隨著我國區(qū)域性新能源并網(wǎng)和消納，海上資源的開發(fā)，城市電網(wǎng)的升級(jí)等方面，柔性直流技術(shù)是非常有效的技術(shù)手段。特別是可開斷器件，直流電纜制造水平的不斷提高，柔性直流將成為未來直流電網(wǎng)中最主要的輸電方式。預(yù)計(jì)在未來十到十五年，世界范圍內(nèi)將有望建成以柔性直流為主，這主要在歐洲的超級(jí)電網(wǎng)，在未來十到十五年就會(huì)建成了。
