柔性直流换电,柔在哪里?

这就是世界最大的、亚洲首座海上换流站——如东柔性直流输电工程海上换流站。今年7月18日,随着换流站与导管架的毫米级精准对接,这座重达2.2万吨的“巨无霸”在江苏如东顺利完成安装。海上换流站是什么?对于海上风电场的意义是什么?让我们一起来了解一下。

柔性直流换电,柔在哪里?

换流站,海上风电的关键装备

随着新一轮双碳的兴起,可再生能源向更大规模,更广阔的空间探索。风电作为仅次于火电、水电的第三大发电形式,也开始向广阔的海洋进发。随着2030碳达峰的目标制定,中国将成为全球海上风电开发的主力军。海上风电开发正由近海、浅水、小规模示范到远海、深水、大规模集中开发的趋势。

截止到2020年,中国海上风电并网装机达到5GW,在建规模达到10GW。广东、浙江和江苏等沿海地区的海上风电建设得到了重点推动。此次的项目就在江苏进行。

目前大规模远海风电送出至陆上电网的主流输电方式是柔性直流输电。这种方式可以兼顾到海上换流站高可靠性和紧凑化设计需求以及海上换流站和陆上换流站的不同特点,简化设备、节省空间、降低造价。

和火电水电一样,风机发出来的电也是交流电,需要通过换流器换成直流电进行输电。高压直流输电方式具有不需要与陆上电网保持同步、输送距离远、运行调控灵活等优点。传统的直流输电技术是基于电流源换流器。而柔性直流输电技术是基于电压源换流器,不存在换相失败问题,可独立调节有功功率和无功功率,谐波水平低,是目前大规模、远海岸海上风电送出至陆上电网的主流方式。

江苏如东和江苏射阳两个海上风电示范工程搭建了图所示,表示了海上风电柔直送出的拓扑结构。

整个海上风电场采用永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG),它具有功率密度较高、重量轻、可靠性高、故障穿越能力强等优点,是大容量风电机组主力机型之一。

海上风电场由PMSG和风电机组箱变(690V/35kV)组成,经箱变升至中压等级后接入海上升压站(35kV/220kV),再接入海上换流站,经直流海缆连接至陆上换流站,最后接入220kV交流电网。两个换流站均采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),桥臂由半桥子模块(sub-module,SM)首尾连接。

海上永磁风场由 PMSG、背靠背换流器、滤波器和箱变连接至柔直系统。如图所示,风电机组背靠背换流器采用两电平的电压源换流器(voltagesourced converter,VSC),按其位置的不同通常称为机侧变换器(wind farm VSC,WFVSC)和网侧变换器(grid side VSC,GSVSC)。 WFVSC 和 GSVSC均采用矢量控制,GSVSC 外环定直流电压和定无功功率,确保稳态运行时直流电压稳定和输出的无功功率为0。

从专业角度上看,根据《Offshore substations for wind farms》(DNV-OS-J201)的分类,海上输电平台一般分为无人操作的海上变电站,临时或者长期有人驻守的海上变电站,三种类型的平台如图所示。无人操作的海上变电站平台加一个生活平台。目前绝大多数海上输电平台均为无人操作。此次的海上换流站也是无人操作的海上变电站。此类平台不考虑人员临时或永久在平台上居住,只需在平台上布置电气设备,平台布置紧凑,整体较小,上部结构重量轻,方便施工。

海上环境开展施工作业难度比陆地更大,而且未来大型风电场距离大陆较远,必然会采用无人值守的方式,而且尽量减少占海面积。因此采用多层甲板上下布置型式。

相比于陆地换流站,海上换流站的平面设计所有电气设备均为户内布置,以适应海洋恶劣的环境条件。海上平台须布置应急柴油发电机,用于事故状态下的应急电源接入。电气设备之间的连接导体尽量采用电缆,以减小电气安全净距对房间尺寸的影响,最大程度减少平台尺寸。海上平台还要求规划专门的电缆通道,包括电缆间和电缆竖井,保证各设备之间电气连接顺畅。同时,在平面设计时充分考虑到了主要电气设备的运维通道,设置检修机械,方便设备元器件的更换和整体更换。

柔性直流换电,柔在哪里

高压直流输电技术起源于一百年,主要经历了三次技术变革,每一次变革的动力都是换流器基本元器件的重大变革带来的。初代直流输电技术采用的换流元件是汞弧阀,一直使用了半个世纪。到了20世纪70年代,采用晶闸管作为换流元件,其换流器拓扑与第一代直流输电技术相同。20世纪90年代初,诞生了基于可控关断器件的第三代直流输电技术,被国际权威学术组织命名为“电压源换流器型直流输电”(VSC-HVDC),又称为“轻型直流输电”(HVDC Light)、“新型直流输电”(HVDC Plus),我国将其命名为“柔性直流输电”。

尽管经过了近30年的发展,柔性直流输电技术依旧是当今电网科技领域具革命性和挑战性的一项崭新技术。在海上风电领域,它可控性好,适应性强,运行方式灵活,适合新能源消纳和智能电网建设。

柔性直流输电采用的是一种可自关断的全控型电力电子器件(如IGBT等),在电网中接入柔性直流输电技术,相当于在电网中接入了电源和阀门,它可以更加有效控制系统内的电流,实现快速切除和隔离故障,更加灵活地响应电网需求。

相比于传统的直流输电技术,柔性直流输电技术的“柔性特质”有哪些具体表现?

第一,具有动态无功支撑能力,可有效抑制电压波动;

第二,不存在换相失败问题,可接入弱电网,可为无源系统供电,适用于孤岛、海上新能源并网;

第三,可实现有功功率和无功功率的独立控制,控制方式更加可靠灵活;

第四,潮流反转迅速,易于构建多端直流系统或直流电网;

第五,在同等电压容量的条件下占地面积小,且规避了谐波大、交直流滤波器占地大等缺点。

然而,也并不是没有缺点:由于元器件和调制技术的限制,柔性直流输电技术也存在损耗较大、设备成本较高及容量相对较小等不足。

综合这些特点,柔性直流输电技术在提升电力系统稳定性、提高配电网的灵活性、增强电网对清洁能源的消纳能力等方面有显著优势。为海上风电接入城市集群负载、多端直流联网提供了全新的技术解决方案。特别是在远海、孤岛这样的地区,它是一种最合适、最可靠、最有效的技术手段。它的灵活性,也使得它成为构建多种形态能源互联网和智能电网的有力选择。

特别是考虑到海上风电平台的特点:空间有限、检测维护不便、海上接地困难,等特殊问题,海上风电柔性直流送出换流站与其他柔性直流应用场合的特点存在诸多不同,它的可靠性要求更高,布局设计更加紧凑,同时在满足可靠性前提下,选择运维检修便利、占地节省、设备简化的接线方案。

江苏如东海上换流器就是这样为海上风电场量身定制的。

风从海上来——中国柔性直流装备的国产化

早在2006年,国家电网公司就开始布局柔性直流输电技术,提出了柔性直流输电技术总体规划,正式启动柔性直流输电重大科技专项,组织技术攻关团队,开展系统研究。

经过十余年的科研攻关和创新探索,我国已完全掌握了柔性直流成套技术,并不断在实际工程中应用实践,取得多个“世界首创”,有力推动了柔性直流装备国产化及相关产业链的全面进步。

2014年,±200千伏舟山多端柔性直流输电科技示范工程成功投入运营,向舟山群岛可靠供电。这也是世界首个五端柔性直流输电工程。这是柔性直流成套技术自主化的首次应用,标志着我国在柔性直流输电技术领域取得重大突破。

2015 年年底,厦门±320千伏柔性直流输电科技示范工程正式投入运行。这是世界首个采用对称双极接线方案的柔性直流输电工程,攻克了高压大容量柔性直流输电多项关键技术难关。

2018年,渝鄂背靠背柔性直流联网工程投入运营,这是世界上首次将柔性直流输电电压提升至±420千伏。该工程输送容量达到 500 万千瓦,有效提高了川渝电网与华中电网间的互济能力,促进了西南水电的开发和大规模外送。

2019年12月24日,世界首个柔性直流电网——张北柔性直流电网试验示范工程完成工程建设、全线架通。该工程以柔性直流输电为核心技术,实现了大规模可再生能源汇集与接入、多种形态能源互补与消纳、交直流电网构建等诸多新技术融合,为新能源多样化提供了技术基础。

9月25日,国网北京市电力公司延庆换流站的员工在检查变电设备。 

同一年,江苏如东和射阳海上风电柔性直流工程启动,这两项工程是我国首批海上风电经柔性直流送出项目,如东项目的海上换流器就是这项工程的配套设施。

从陆地到海洋,柔性直流输电技术走向远海,我国始终坚持自主创新道路,已全面完成了柔性直流输电技术从追赶到引领的跨越式发展。伴随着新型换流阀的应用、控制技术的发展、换流器拓扑结构的升级和直流保护手段的突破,柔性直流输电工程的电压等级和输送容量将会不断提升,同时工程造价有望显著下降,柔性直流输电技术的应用场景和范围将更加广阔。

结语:

随着碳达峰碳中和的目标要求,新能源的地位前所未有提升,柔性直流输电正向高电压、大功率、多端、双极、背靠背、混合直流输电、新能源并网、孤岛接入、海上风电外送等多个方向开展探索与实践,在“源-网-荷-储”一体化模式中发挥更加重要的协调作用,

与此同时,中国自主研发的柔性直流输电技术也得到国际同行的广泛关注,随着“一带一路”建设的深入推进,我国也更多地参与到全球电网建设中,柔性直流输电技术也会成为我国电力技术“走出去”的闪亮名片。