中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略背景下，加快突破新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，支撐以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)，已成為國家電網(wǎng)的重要工作之一。本報(bào)聚焦新型電力系統(tǒng)發(fā)展，為您帶來新型電力系統(tǒng)最新成果。
本報(bào)記者 許天驕
綠色電力，風(fēng)起云涌。海上風(fēng)電，灘涂光伏，潮流涌動(dòng)，處處迸發(fā)著新能源的活力與激情。我國目前已發(fā)展成為全球新能源增長(zhǎng)速度最快、裝機(jī)規(guī)模最大的國家，風(fēng)電和太陽能發(fā)電新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)均位居世界第一。新能源呼喚新電網(wǎng)，新電網(wǎng)書寫新傳奇。綠電風(fēng)口已至，電網(wǎng)如何進(jìn)階？本報(bào)記者帶你一探究竟。
新技術(shù)新理念
1893年，尼古拉·特斯拉發(fā)明的交流電系統(tǒng)讓芝加哥哥倫比亞博覽會(huì)光彩奪目，驚艷了人們的眼眸。自此，交流電系統(tǒng)贏得人心，奠定了現(xiàn)代電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。
在那場(chǎng)19世紀(jì)的“交直流電力之戰(zhàn)”中，交流電利用變壓器率先解決了電壓升降的問題，在供電半徑和供電容量上取得了優(yōu)勢(shì)，成功戰(zhàn)勝了直流電。
歷史的車輪滾滾向前，科技的進(jìn)步打開了未來之門。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流變壓的難題被成功攻克，特高壓直流輸電技術(shù)、柔性直流輸電技術(shù)脫穎而出，電力系統(tǒng)迎來了新變革。
中國力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，電力是能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵領(lǐng)域，隨著碳達(dá)峰碳中和進(jìn)程加快和能源轉(zhuǎn)型深化，電力系統(tǒng)面臨前所未有的變革壓力。今年3月，習(xí)近平總書記提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，為中國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)指明了方向，也為全球電力可持續(xù)發(fā)展提供了中國方案。
作為黨領(lǐng)導(dǎo)的國有企業(yè)，國家電網(wǎng)有限公司始終堅(jiān)持和加強(qiáng)黨的全面領(lǐng)導(dǎo)，傳承發(fā)揚(yáng)“國企姓黨”的政治基因，踐行人民電業(yè)為人民企業(yè)宗旨，深入落實(shí)“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略，圍繞碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，大力推進(jìn)公司“一體四翼”創(chuàng)新發(fā)展，加快建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。
“碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)提出之后，發(fā)電、輸電、配電、用電各個(gè)層級(jí)對(duì)柔性直流輸電技術(shù)都有了需求?！眹W(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院高級(jí)工程師裘鵬從事柔性直流輸電技術(shù)研究已近10年，新型電力系統(tǒng)的加快推進(jìn)，讓裘鵬信心倍增。
什么是柔性直流輸電技術(shù)？“柔性”一詞來源于英文Flexible，表示應(yīng)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)為電網(wǎng)提供靈活的控制手段。柔性直流輸電技術(shù)以電壓源換流器為核心，具有響應(yīng)速度快、可控性好、運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn)，適用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、大型城市電網(wǎng)供電等。特別是在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)、海上平臺(tái)供電和大型城市電網(wǎng)供電方面，柔性直流輸電系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢(shì)更加明顯。
靈活是柔性直流輸電技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)。這一優(yōu)勢(shì)與不規(guī)律的新能源一拍即合。新能源發(fā)電主要“靠天吃飯”，具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性等特點(diǎn)。為了將個(gè)性十足的新能源安全穩(wěn)定地并入大電網(wǎng)，靈活可控的柔性直流輸電技術(shù)被寄予厚望。
國家電網(wǎng)于2006年啟動(dòng)柔性直流輸電技術(shù)專項(xiàng)研究，先后投運(yùn)上海南匯風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電工程、浙江舟山五端柔性直流輸電示范工程、廈門柔性直流輸電科技示范工程、渝鄂背靠背柔性直流聯(lián)網(wǎng)工程、張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程等，在柔性直流技術(shù)領(lǐng)域取得了世界領(lǐng)先的地位。
“新能源大規(guī)模接入交流電網(wǎng)后，交流電網(wǎng)的電壓、頻率和功率的穩(wěn)定難度大大增加，如果接入柔性直流電網(wǎng)，那么只需要穩(wěn)定直流電壓，技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)，有利于保障大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行?！濒鸣i解釋說，新能源天然可以發(fā)出直流電，我們?nèi)粘Ｊ褂玫拇蟛糠蛛娖髟O(shè)備也是使用的直流電，采用柔性直流輸電技術(shù)后，可以在低壓層級(jí)直接實(shí)現(xiàn)發(fā)用匹配，大大降低交直流轉(zhuǎn)換損耗。
海上好風(fēng)光
金色沙灘，朝霞夕陽，云海繚繞，風(fēng)車舞動(dòng)。這里是位于我國東海的浙江衢山島，有著“風(fēng)車之島”的美稱。站在小島上抬頭仰望，白色的風(fēng)機(jī)在海風(fēng)的吹拂下呼呼轉(zhuǎn)動(dòng)，令人賞心悅目。
風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，風(fēng)能轉(zhuǎn)換為清潔的電能，通過海纜輸送到舟山五端柔性直流輸電示范工程，點(diǎn)亮了舟山群島。
衢山島位于浙江省舟山市高亭鎮(zhèn)東北27千米處，舟山群島中北部。2013年，舟山五端柔性直流輸電示范工程（以下簡(jiǎn)稱“舟山柔直工程”）進(jìn)入調(diào)試階段，裘鵬從舟山本島出發(fā)，第一次乘坐快艇踏上了衢山島。
“根據(jù)以往坐車的經(jīng)驗(yàn)，為了防止暈船，我選擇了快艇的前排座位。沒想到和坐車不同，坐在快艇的前排更容易暈船?！痹谝粋€(gè)半小時(shí)的船程中，裘鵬感覺格外煎熬。
然而登島看到舟衢換流站后，裘鵬心情激動(dòng)，很快便和同事們投入到緊張的調(diào)試工作中。
潮涌東海，群島相擁。舟山群島，是我國第一大群島，有著超過2000多千米的海岸線，海域面積超2萬平方千米。特有的海洋環(huán)境對(duì)海島供電提出了更高要求。
傳統(tǒng)的鏈?zhǔn)竭B接交流輸電方式存在海纜充電功率受限、輸送距離短等弊端，無法滿足眾多島嶼連續(xù)、穩(wěn)定供電的需求。當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，島上居民的生產(chǎn)、生活可能受到嚴(yán)重影響。且舟山群島海上風(fēng)電、灘涂光伏、潮流能資源豐富，新能源開發(fā)潛力巨大，亟須電網(wǎng)改造升級(jí)。
柔性直流輸電技術(shù)順利登上歷史舞臺(tái)。柔性直流輸電技術(shù)擅長(zhǎng)“以柔克剛”，對(duì)分布式新能源的接入具有良好的適應(yīng)性和容納能力，能向無源網(wǎng)絡(luò)供電，快速實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)立控制，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，成為海島供電的最佳選擇。
在舟山柔直工程2014年投運(yùn)之前，裘鵬有七八個(gè)月時(shí)間都在舟山群島上忙碌。為了不影響居民的正常用電，調(diào)試工作常常安排在深夜進(jìn)行，裘鵬不知不覺就看到了日出。
2014年，舟山柔直工程順利投運(yùn)，穩(wěn)穩(wěn)的電能從舟山本島送往海上的小島，舟山電網(wǎng)的供電可靠性大幅度提升。那一年，趙勛范成了舟衢換流站的一名工作人員。在小小的衢山島上，趙勛范工作了7年，最近兩個(gè)月他來到了岱山島，當(dāng)上了舟岱換流站的副站長(zhǎng)。
起初，島嶼交通的不便利讓趙勛范頗為頭疼，“海上經(jīng)常起霧，有時(shí)候風(fēng)浪也大，衢山島來往舟山本島的船只常常停運(yùn)。曾經(jīng)有一次我在衢山島等了半個(gè)月，才等到有船登島?！?
就像不便利的交通一樣，在舟山柔直工程投運(yùn)之前，電能也常常在交流輸電線路上“堵車”。
“舟山柔直工程就像一條‘電力高速路’，讓?shí)u嶼之間的電能往來暢通無阻，不再‘堵車’。這項(xiàng)工程的很多技術(shù)和設(shè)備都是首創(chuàng)，對(duì)于我們換流站值守人員來說也是挑戰(zhàn)?！壁w勛范談到，舟山五端柔性直流輸電示范工程的5個(gè)換流站都在海邊，這對(duì)設(shè)備的抗腐蝕性、穩(wěn)定性要求很高。
海邊的腐蝕性有多大？趙勛范舉例子說，舟衢換流站內(nèi)的設(shè)備標(biāo)牌一年需要更換兩三次，而在內(nèi)陸地區(qū)的換流站，標(biāo)牌可能一年只需要更換一次。
為全面掌握換流站設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)，趙勛范每天3次巡視，絲毫不會(huì)懈怠。在他的印象中，過去的幾年里，交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，舟山柔直工程獨(dú)立承擔(dān)起舟山北部島嶼的供電重任，島上居民的用電絲毫沒有受影響。
目前，柔性直流輸電是分布式電源接入的最友好方式。柔性直流輸電可以將來自多個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)能、太陽能等清潔能源，通過大容量、長(zhǎng)距離的輸電線路傳輸至負(fù)荷中心。近年來，越來越多的風(fēng)機(jī)在海上聳立，無限“風(fēng)光”轉(zhuǎn)換為清潔電能，趙勛范對(duì)柔性直流電網(wǎng)充滿了期待。
電網(wǎng)新模樣
海洋群島及周邊海域有著豐富的自然資源，加大周邊海域可再生能源開發(fā)，構(gòu)建綠色的生態(tài)經(jīng)濟(jì)圈，既是踐行我國低碳發(fā)展承諾，也是探索我國可持續(xù)發(fā)展道路的一個(gè)重大示范。
自2014年投運(yùn)以來，舟山柔直工程大幅提升了舟山電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的接納能力及各島嶼供電可靠性，在海洋風(fēng)電接入、島嶼供電等方面發(fā)揮了重大示范與現(xiàn)實(shí)意義，有力支撐了舟山國家級(jí)群島經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
“十四五”期間，舟山群島海上風(fēng)電規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，舟山魚山石化等重點(diǎn)工業(yè)負(fù)荷和各島嶼居民負(fù)荷將進(jìn)一步增大，對(duì)用電需求、用電可靠性要求不斷提升，都要求舟山柔直工程不斷優(yōu)化升級(jí)。
依托舟山柔直工程，裘鵬和同事們積極開展發(fā)輸配用全電壓等級(jí)柔性直流電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐，探索直流電網(wǎng)發(fā)展的終極形態(tài)，推動(dòng)新能源的高效接入和“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的互動(dòng)調(diào)控，促進(jìn)多元融合高彈性電網(wǎng)建設(shè)，全面推動(dòng)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
柔性直流電網(wǎng)擁有輸送距離遠(yuǎn)、損耗低、無同步穩(wěn)定問題、靈活可控等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在可再生能源發(fā)電匯集、送出過程中具有更好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和適用性。中低壓直流匯集電纜損耗小，輸送容量大，電纜成本低；無需鎖相環(huán)節(jié)，不存在無功問題，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，促進(jìn)新能源穩(wěn)定、高效的并網(wǎng)應(yīng)用。
事實(shí)上，柔性直流配電網(wǎng)已在內(nèi)陸城市供電中嶄露頭角。2018年，全國首個(gè)智能柔性直流配電網(wǎng)示范工程在浙江杭州江東新城投運(yùn)。工程建成后，江東新城配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)放射型向多端互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，可在百毫秒內(nèi)快速隔離系統(tǒng)故障并恢復(fù)正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)多路電源同時(shí)為用戶供電，還可以靈活接入分布式電源、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車充換電設(shè)施等多元化負(fù)荷，滿足用戶的多元用能需求。
10月24日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，意見明確地提出，到2020年，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右；到2030年，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上。
未來已來，電網(wǎng)必須進(jìn)階。交流電和直流電各有所長(zhǎng)，依托現(xiàn)有的交流電網(wǎng)開展全電壓等級(jí)直流電網(wǎng)構(gòu)建，促進(jìn)直流電網(wǎng)與交流電網(wǎng)協(xié)同發(fā)展，建設(shè)交直流復(fù)合電網(wǎng)是未來電網(wǎng)發(fā)展的重要方向。
什么是柔性直流輸電技術(shù)？
柔性直流輸電是一種以電壓源換流器、自關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)為基礎(chǔ)的新型輸電技術(shù)，該輸電技術(shù)具有可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、不會(huì)出現(xiàn)換相失敗、換流站間無需通信以及易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。
柔性直流輸電技術(shù)將傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)拓展到了配電領(lǐng)域，從而使直流輸電技術(shù)可應(yīng)用于輸、配電整個(gè)領(lǐng)域。柔性直流輸電技術(shù)對(duì)將來的輸、配電技術(shù)會(huì)有重要的影響。
應(yīng)用領(lǐng)域
●電網(wǎng)的非同步互聯(lián)
●連接小型發(fā)電廠
●向偏遠(yuǎn)地方供電
●向海上平臺(tái)供電
●向大型城市中心供電
●陸上和海上風(fēng)電場(chǎng)接入
●對(duì)敏感負(fù)荷供電
技術(shù)優(yōu)勢(shì)
●采用可控關(guān)斷型電力電子器件和脈寬調(diào)制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制
●能向無源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電
●在潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，且換流器之間無需通信，也不需要外部的輔助設(shè)備，便于構(gòu)成并聯(lián)的多端直流輸電系統(tǒng)
●換流器產(chǎn)生的低次諧波少，使濾波裝置的容量大大減小
●柔性直流輸電系統(tǒng)既能輸送有功功率，還能實(shí)現(xiàn)無功功率的緊急支援，從而提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性
●模塊化設(shè)計(jì)使柔性直流輸電的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大為縮短
