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李庆奎:广义直流输电技术对电网发展格局的影响

时间:[2017-09-29 ] 信息来源:南方电网公司
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  一、近几十年来广义直流输电技术蓬勃发展

  人类对电力的应用和认识都是从直流电开始的,到现在已有百余年的历史。上个世纪50年代后,电力需求迅速增长,带动高压直流输电技术取得关键突破。自1954年世界上第一个高压直流输电工程投运以来,直流输电在全球范围内蓬勃发展。尤其是近20年来,随着非化石能源消费比例快速增加,能源生产和消费区域之间的距离不断增大,直流输电由于在大容量、远距离输送方面具有经济性、稳定性和灵活性等独特优势,在欧洲、北美、中国、印度、巴西等世界主要能源生产和消费区域得到了迅猛发展。以我国为例,自首个高压直流输电工程——±500千伏葛洲坝至上海直流工程投运以来,20多年时间建成投运的直流输电工程共有29个,其中包括7个±800千伏特高压直流输电工程。这些直流工程将大量西部地区的能源输送到东部负荷中心,有效解决了西部地区水电、风能、太阳能等非化石能源开发、输送和消费问题,具有显著的经济效益和社会效益。

  目前在全球范围内,广义上的直流输电技术主要包括基于晶闸管的传统直流和基于新型电力电子器件的柔性直流两种类型,均可用于长距离输电、背靠背电网互联、多端输电等工程实践。目前,传统直流的电压等级已达到±1100千伏,容量超过1000万千瓦,输电距离超过2000公里。而柔性直流是新一代的直流输电技术,具备有功、无功独立控制等技术特点,应用场景更为丰富,如新能源接入电网、电网互联、孤岛供电、多端直流、城市配电网等,目前单回输送容量可达到百万千瓦以上。随着广义直流输电技术的不断发展,在电网中的应用越来越广泛和深入,其已成为推动能源战略转型与结构调整、实现可再生能源高效开发利用、构建全球能源互联网的重要支撑。

  二、广义直流输电技术对电网格局产生深远影响

  随着经济社会的高速发展,我国已成为世界上最大的能源生产国和消费国,能源供应能力显著增强;其中电网供应了大约四分之一的终端能源,成为我国能源体系的重要组成部分。近几十年来,我国电网的规模和结构形态发生了很大变化,从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网,进而发展到今天的跨区互联大电网,技术装备水平明显提高。同时,我们也面临着世界能源格局深度调整,全球应对气候变化行动加速,国家间技术竞争日益激烈,国内经济发展进入新常态,资源环境约束制约不断强化等严峻挑战。面对能源行业发展的新形势、新问题,2014年,习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议上明确提出“四个革命、一个合作”能源发展战略思想,为我国能源发展提供了重要遵循。

  发展绿色低碳能源是优化我国能源结构、保障能源安全、推进生态文明建设的重要任务。电网是能源革命的重要基础平台,电网发展格局的深刻变革是实现能源结构转型的关键环节,是支撑能源生产与消费革命的必然选择,这其中,广义直流输电技术扮演着重要角色。

  第一,广义直流输电技术有利于将清洁能源直接送至负荷中心,将有力推动能源消费革命。资源紧缺、环境污染和气候变化是当今世界面临的三大严峻挑战,今后的能源变革都将围绕更清洁更经济的发电、更安全更高效的配置、更便捷更可靠的用电展开。提高电能在终端能源消费中的比重,以电为中心转变能源开发利用方式,已成为全球能源发展的战略方向。大容量、远距离的直流输电能够将清洁电力直接送至负荷中心,节约能源输送走廊,大幅提高能源利用效率,促进能源消费方式转变,将越来越多地成为多个国家电网发展的方向和选择。以我国为例,为加强大气污染防治,加快推动清洁能源替代,2014年,国家提出规划建设12条大气污染防治输电通道,从西部地区向京津冀鲁、长三角及珠三角地区送电,其中有8条通道是直流输电。同时,近年来我国在城市等负荷中心发展电动汽车和各种新型用能设施,加大“以电代煤、以电代油”等电能替代,这对电网的供电能力和效率提出更大挑战;研究认为,直流网络技术能够提升电网供电能力,对受端输配电网发展格局具有深远影响,这个发展动向也需要我们持续关注。

  第二,广义直流输电技术有利于汇集并大规模输送清洁能源,将有力支撑能源供给革命。我国能源资源和负荷逆向分布,80%的能源资源在西部、北部,而70%的电力负荷在东中部。这种逆向分布的特征,决定了我国电能输送具有跨区域、远距离和大规模的特点,主要是西南水电、西北火电和风电送往华北、华中、华东和南方,从而形成大规模“西电东送”“北电南送”电力流格局。预测到2020年,跨区、跨国电网输送容量将达4.38亿千瓦,电力输送以直流输电为主。未来我国能源发展将走绿色低碳道路,风电、太阳能成为主要的可再生能源,预计到2050年,我国风电、太阳能装机比例将达到50%左右。而我国风电、太阳能资源丰富地区主要分布在北部和西部,本地负荷少,更大规模的开发依赖更可靠的接入电网技术手段,以及更大规模的远距离大容量输送。柔性直流输电技术可以将风电、光伏电源汇集并远距离输送到负荷地区,可有效提升高比例可再生能源接入电网和送出的运行可靠性。从目前主要国家或区域电网在大容量、远距离输电技术的应用和发展趋势判断,为了提高能源、环境和经济等综合利用效率,采用广义直流输电技术仍将是今后重要的发展方向,在优化能源结构,构建多轮驱动、全面安全的能源供应体系方面将起到重要作用。

  第三,广义直流输电技术有利于提升能源技术核心竞争力,将有力推进能源技术革命。当前,世界主要国家均把能源技术视为新一轮科技革命和产业革命的突破口,制定各种政策措施抢占发展制高点,以保持科技领先地位、增强国家竞争力。特高压直流技术和柔性直流技术是我国先进制造领域取得世界领先水平的突出代表,在实践中得到广泛应用,在国际上也广受赞誉。在传统直流技术方面,2007年,我国第一个直流自主化示范工程——±500千伏贵州至广东二回直流投运,标志着我国建成高压直流输电成套设计集成技术体系;2009年,世界首个特高压直流输电工程——±800千伏云南至广东直流工程投运,标志着世界进入特高压直流时代;2014年,世界容量最大的特高压直流工程——±800千伏哈密至郑州直流工程投运,容量达到800万千瓦,标志着特高压直流输电达到一个新的高度;目前我国特高压直流输电进一步取得突破,额定电压达到±1100千伏,输送距离超过2000公里。在柔性直流技术方面,2013年,世界首个多端柔性直流工程——广东南澳直流工程投运;2014年,世界首个五端柔性直流工程——浙江舟山直流工程投运;2016年投运的云南鲁西背靠背直流工程中,百万千瓦柔性直流单元的电压和容量均处于世界最高水平。从目前电力技术发展趋势来看,进一步推进现代电网关键技术创新,在柔性直流输配电技术、新型大容量高压电力电子元器件技术上取得突破,并深入开展直流电网技术、未来电网电力传输技术的研究和试验示范,是推进能源技术革命的重要内容,对推动我国能源行业整体技术进步、提升电力行业高端装备的竞争力具有重要意义。

  第四,广义直流输电技术有利于建设更大范围资源优化配置平台,将有力促进能源体制革命。当前,我国正在以供给侧结构性改革为主线,深入推进电力体制改革等各项改革落实落地,更加强调发挥市场在资源配置中的决定性作用。直流输电易于实现广域范围内、跨地区电网的智能互联,能够在大范围内实现对水电、火电、风电、光伏等多形态电能的高效统筹,实现较大规模范围内的电力交易。因此,直流输电系统能够有效促进多区域电力市场在物理层面的有机融合,是区域电力市场物理基础的重要组成部分。同时,利用直流输电技术实现区域电网互联互通,对于电力市场辅助服务,具有很好的技术支撑作用。

  第五,广义直流输电技术有利于实现跨国电网互联,有力推动能源国际合作。今年5月,习近平总书记在“一带一路”国际合作高峰论坛上发表的主旨演讲中提出,要抓住新一轮能源结构调整和能源技术变革趋势,建设全球能源互联网,实现绿色低碳发展。直流输电保留送受两端电网的相对独立性,适用于大规模跨国电网互联。建设跨国直流输电系统,可以满足国家之间大容量、远距离输电或功率交换需求,提高电网互济能力和安全可靠性。以南方电网为例,我们立足自身独特的区位优势,正在积极利用先进的直流输电等技术,推动实施与越南、缅甸、老挝、泰国等周边国家的电网互联互通项目,逐步构建澜湄国家、孟中印缅经济走廊、东盟国家以及南亚互联电网,进而形成开放包容、普惠共享的区域能源互联网。

  三、南方电网公司开展直流输电技术实践取得显著成效

  南方电网覆盖广东、广西、云南、贵州、海南五省区、紧密联接港澳,并与周边国家和地区多点相连,供电面积100万平方公里,供电人口2.48亿人。2016年,南方电网区域内装机容量2.95亿千瓦,全社会用电量10012亿千瓦时,全社会最高负荷1.68亿千瓦。近年来,南方电网公司立足南方区域东西部能源资源和经济发展不平衡的实际,深入研究和应用广义直流输电技术,推动区域能源资源优化配置,取得了显著成效。

  我们建成了高科技含量的交直流混合电网,在推进国家“西电东送”战略实施中发挥了重要作用。南方电网60%的负荷在广东,60%的水电装机在云南,为满足东部省区的电力需求,把西部省区的资源优势转化为经济优势,我们建成投运了“八条交流、九条直流”17条西电东送大通道,送电规模超过3950万千瓦,其中直流送电规模超过3000万千瓦,促进了东西部资源优化配置和区域协调发展、互利共赢。特别值得一提的是,“十三五”期间规划建设的乌东德电站送电广东广西特高压直流工程,容量达到800万千瓦,将采用多端特高压直流技术,其中两个受端一个落点在广西,容量300万千瓦;一个落点在广东,容量500万千瓦,这将是我国首次采用特高压多端直流技术。

  我们推动新一代直流输电技术的应用,引领柔性直流的工程实践。建成投运了世界首个多端柔性直流工程——广东南澳直流工程,标志着我国全面掌握多端柔性直流关键技术,工程投产后南澳岛的风电送出实现“零弃风”,可靠性世界领先。根据国家能源局发布的《南方电网发展规划(2013—2020年)》,明确南方电网以直流为主、合理控制同步电网规模的特大型电网技术路线,我们于2016年建成投运了云南鲁西背靠背直流工程,实现了云南电网与南网主网的柔性互联,有效缓解了南方电网交直流并联运行存在的电网安全稳定风险。鲁西背靠背直流工程总容量300万千瓦,首次采用了传统直流和柔性直流背靠背的混合技术方案,两个100万千瓦的常规直流单元和一个100万千瓦的柔性直流单元并联运行;其中柔性直流单元直流电压±350千伏,容量和直流电压均处于当前世界最高水平,这也是我国首次在主干网架中应用高电压、大容量柔性直流输电技术。

  我们大力实施科技创新,支撑直流输电发展。近年来随着西电东送的迅猛发展,迫切需要研究更高电压等级的直流输电技术。我们建立了具有南网特色的产学研用开放式技术创新体系,建成了特高压技术国家工程实验室、实时数字仿真实验室、直流输电技术国家重点实验室等一批国际一流的重点实验室,取得了一大批国际先进、拥有自主知识产权的科研成果。2006年,南方电网公司承担国家“十一五”科技支撑计划课题,开展了±800千伏特高压直流输电技术和工程应用攻关,并成功运用在云广特高压直流中。我们在特高压直流输电核心技术上取得了一系列原始创新成果,形成了我国±800千伏特高压直流输电的技术标准体系,并推动中国标准上升为国际标准。2011年,公司申报的“高压直流输电工程成套设计自主化技术开发与工程实践”项目荣获国家科技进步奖一等奖;今年南方电网公司与国家电网公司等单位联合申报的“特高压±800千伏直流输电工程”项目,被初评公示为国家科技进步特等奖。

  多直流馈入地区电网的安全稳定问题是南方电网公司面临的重大课题。广东珠三角负荷中心有8回直流密集落点于200公里乘以150公里的区域,是世界上直流落点最密集的地区;“十三五”期间,我们还将规划新建2回特高压直流,珠三角负荷中心直流将增加至10回,直流输电容量将达到广东最大负荷的30%,电网驾驭难度很大。为此,我们深入研究多直流馈入关键技术,提出了多点动态无功支撑技术,并于2011年投运世界上首个百兆乏级的静止无功补偿装置(STATCOM),有效提升了多直流馈入电网暂态电压稳定性。未来我们还将规划利用柔性互联技术优化多直流馈入的受端电网结构,进一步提升受端电网的安全稳定水平。

  此外,我们牵头研制了世界首个特高压柔性直流换流阀,将柔性直流技术提高到±800千伏特高压等级,容量可达500万千瓦;未来随着碳化硅等新器件的开发应用,将促进大容量柔性直流的推广应用,开启直流输电的新时代。我们认为,未来新建的大容量直流逆变站采用柔性直流,或将部分传统直流逆变站改造为柔性直流,可以降低多直流同时换相失败带来的运行风险,提升交直流混联电网的安全稳定水平,这对于电网布局和长远发展具有重要意义。

  总的来说,广义直流输电技术的应用和创新,对形成南方电网良好发展格局起到了积极的推动作用。南方电网公司大力实施国家“西电东送”战略,建设交直流混联电网,形成了适应区域发展、送受端结构清晰、定位明确的电网主网架格局。2016年,南方电网通过直流通道送广东的电量比2004年提高了7倍,其中85%的电量是清洁水电,实现了良好的经济效益和社会效益。2016年底全网非化石能源装机容量、发电量分别占比49.7%、50.7%,高于全国平均水平。

  广义直流输电技术的应用和创新,是我国电力工业近二十年来发展的突出成就,在未来我国能源绿色低碳的转型发展中,仍将扮演重要角色,继续推动我国电网发展格局深刻变革。南方电网公司愿与各方携手努力,共同深入研究大容量柔性直流技术、大容量多端直流技术、直流电网技术等前沿技术,进一步提升电网安全稳定水平,为我国能源工业持续健康发展、全面建成小康社会作出新的更大的贡献!