國網(wǎng)浙江電力公司：以“柔”克剛 集納風(fēng)光
來源：中國能源新聞網(wǎng) 時間：2024-12-13 15:45
徐梓沐
在電力系統(tǒng)中，柔性技術(shù)通常指靈活的電能變換與控制技術(shù)，它基于大功率、高性能的電力電子器件，可實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓、電流、功率等各類參數(shù)的實時調(diào)節(jié)，具有可控性好、適應(yīng)性強、響應(yīng)速度快、智能化程度高等特點。
在浙江，多項柔性技術(shù)在近年被引入電網(wǎng)建設(shè)運行中——全球首個五端柔性直流輸電工程讓海島電網(wǎng)實現(xiàn)了“手拉手”，全國首個智能柔性直流配電網(wǎng)示范工程引領(lǐng)了綠色能源的高效利用，全國首個柔性低頻輸電示范工程實現(xiàn)了輸電方式的創(chuàng)新。柔性技術(shù)以其高效、靈活、可靠的特點，滿足著新能源逐年增加而產(chǎn)生的剛性消納需求。
五端柔直 連接海島
浙江省是用能大省，也是資源小省，三分之一的電力需要靠省外輸入，因此發(fā)掘本地電源資源十分重要。據(jù)統(tǒng)計，浙江近岸海域內(nèi)擁有海島4300多個，居全國第一。此外，浙江的海岸線和海島岸線總長達6000多千米。得天獨厚的環(huán)境賦予了浙江豐富的可開發(fā)海上風(fēng)能資源，2021—2035年期間，浙江省規(guī)劃裝機規(guī)模為1650萬千瓦。
然而，海洋的阻隔也給海上風(fēng)電的傳輸出了一道難題。海洋上各島嶼之間，海洋與大陸之間的電力傳送亟需尋求性能更優(yōu)，可控性更強的傳輸方式，柔性電力技術(shù)便派上了用場。2014年7月，舟山五端柔性直流輸電工程建成投運，將舟山群島中的定海、岱山、衢山、泗礁及洋山島等5個主要海島的電網(wǎng)“手拉手”連起來，實現(xiàn)了海島間新能源的靈活傳輸。
隨著新能源傳輸容量的增加，柔性直流輸電技術(shù)面臨優(yōu)化的空間。傳統(tǒng)的柔性直流輸電技術(shù)需要在海上建立交流電轉(zhuǎn)直流電的轉(zhuǎn)換站，轉(zhuǎn)換站的規(guī)模相當龐大，占地面積約相當于一個足球場，高度可比肩15層高的居民樓，重達2.2萬噸。無論是在建設(shè)還是運維方面，這些轉(zhuǎn)換站都涉及巨額的投資和成本。
“在近海區(qū)域，風(fēng)電的輸送主要依賴工頻交流輸電技術(shù)。然而，當風(fēng)電場距離海岸線超過80公里時，由于交流輸電過程中的海纜無功功率大等問題影響，輸送能力嚴重受限。”國網(wǎng)浙江電科院電網(wǎng)技術(shù)中心副主任陸翌說。近年來，國網(wǎng)浙江電力正持續(xù)開展柔性電力技術(shù)的集中攻關(guān)，思考如何用好柔性直流輸電等創(chuàng)新技術(shù)，進一步發(fā)揮海洋資源作用，以產(chǎn)出更清潔、更優(yōu)質(zhì)的電能。
柔性低頻 海陸兩用
2019年，中國科學(xué)院院士陳維江提出了基于電力電子器件的柔性低頻交流輸電構(gòu)想。此后，由國網(wǎng)浙江電力牽頭，聯(lián)合中國電力科學(xué)研究院、西安交通大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等10家單位共同開展“柔性低頻輸電關(guān)鍵技術(shù)”相關(guān)研究，為柔性低頻輸電示范工程建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
“柔性低頻交流輸電技術(shù)是一種采用電力電子技術(shù)將頻率降至50赫茲以下，再進行電能傳輸?shù)男滦徒涣鬏旊娂夹g(shù)，具有低頻長距離輸送和柔性好互聯(lián)的技術(shù)優(yōu)勢，通過降低頻率可降低線路阻抗，有效提升有功輸送能力和輸送距離。”陸翌介紹。
研究啟動以來，國網(wǎng)浙江電力按照“系統(tǒng)—設(shè)備”迭代優(yōu)化的策略，先后掌握了柔性低頻輸電系統(tǒng)行為特性，并明確了設(shè)備性能要求，結(jié)合典型場景分別提出系統(tǒng)優(yōu)化構(gòu)建方案，研制了低頻系列裝備。
這一過程中，“確定20赫茲為工程頻率”的意義非常關(guān)鍵。“20赫茲的工程頻率，是我們兼顧經(jīng)濟性與輸電能力后測算而來的。理論上，頻率過低會提升低頻變壓器的體積和重量，增加斷路器的分斷難度，從而提高設(shè)備成本。同時，頻率過高則會降低遠距離輸電能力。”陸翌介紹，經(jīng)過層層計算驗證和仿真比對，國網(wǎng)浙江電力最終確定20赫茲輸電的適宜距離為離岸70千米至180千米的中遠海范圍內(nèi)，在實現(xiàn)百萬千瓦風(fēng)電全額送出時，比柔性直流輸電更具經(jīng)濟性。
在臺州市大陳島上，海風(fēng)吹動低頻風(fēng)力發(fā)電機，綠色的風(fēng)電便從小小的海島輸送至陸地上的電網(wǎng)。2022年6月，臺州35千伏柔性低頻輸電示范工程在浙江省臺州市投運，這是世界首套投入商業(yè)運行的低頻海上風(fēng)電送出系統(tǒng)，有效驗證了海島風(fēng)機源側(cè)低頻接入的技術(shù)先進性及風(fēng)電柔性低頻送出技術(shù)的可行性。
“在臺州35千伏柔性低頻輸電示范工程施工中，我們對大陳島上原有兩臺1.1兆瓦的工頻風(fēng)機進行了低頻改造，將風(fēng)機發(fā)出20赫茲的電能，經(jīng)升壓至35千伏后，通過27千米長的鹽場—大陳低頻海纜，送至35千伏鹽場低頻換流站，變頻為50赫茲后并入工頻系統(tǒng)。”國網(wǎng)臺州供電公司變電檢修中心副主任蔣旭介紹，投運至今，該工程已向陸地輸送海上風(fēng)電超1600萬千瓦時，相比工頻輸電線損降低了1.2%。
2023年6月30日，杭州220千伏柔性低頻輸電示范工程投入運行，該工程額定傳輸容量30萬千瓦，是目前我國電壓等級最高、輸送容量最大的柔性低頻輸電工程。工程新建亭山、中埠2座低頻換流站，其中亭山站接入500千伏昇光供區(qū)，中埠站接入500千伏富陽供區(qū)，通過既有的亭中輸電線路實現(xiàn)了兩大供區(qū)柔性低頻互濟互聯(lián)。
“柔性低頻技術(shù)通過電力電子裝置控制，既具有與柔性直流輸電相似的功率控制、電壓動態(tài)調(diào)整、異步電網(wǎng)互聯(lián)等功能，又兼有交流輸電方式的電壓變換容易、組網(wǎng)便捷等優(yōu)勢，在電網(wǎng)柔性互聯(lián)等場景下也具有明顯優(yōu)勢。”陸翌介紹。
2023年5月末，浙江遭遇罕見高溫。在此期間，工程及時調(diào)配富陽供區(qū)的富余電力支援昇光供區(qū)，成功避免了昇光主變超負荷運行。截至目前，杭州220千伏柔性低頻輸電工程已在迎峰度夏、杭州亞運會中多次發(fā)揮重要作用，保障電力供應(yīng)360萬千瓦時，并有效緩解電網(wǎng)斷面潮流超限問題，提升全省供電能力100萬千瓦，成為電網(wǎng)潮流調(diào)節(jié)的“有力武器”。
三步示范 陸續(xù)推廣
為推動柔性低頻輸電技術(shù)在更大范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用，國網(wǎng)浙江電力制定了“三步走”的示范工程計劃。首先，通過臺州35千伏柔性低頻輸電示范工程開展風(fēng)電柔性低頻送出技術(shù)驗證;接著，通過杭州220千伏柔性低頻輸電工程開展高壓大容量成套裝備性能驗證；最后，開展大容量海上風(fēng)電柔性低頻匯集送出系統(tǒng)驗證。
現(xiàn)階段，國網(wǎng)浙江電力正聯(lián)合浙江能源集團開展玉環(huán)2號海上風(fēng)電場柔性低頻輸電工程建設(shè)。玉環(huán)2號海上風(fēng)電場位于浙江省臺州市玉環(huán)海域，規(guī)劃裝機容量508兆瓦，采用工低頻混合方式送出，其中204兆瓦采用工頻輸電方案，304兆瓦采用低頻輸電方式送至陸上計量站。
“玉環(huán)2號海上風(fēng)電場配備設(shè)置了一座220千伏工低頻共建海上升壓站，建設(shè)了3回工頻、5回低頻66千伏海纜，經(jīng)工頻、低頻升壓變分別升壓至220千伏后，通過1回220千伏工頻海纜、一回220千伏低頻海纜送至陸上計量站和陸上換流站，經(jīng)220千伏母線共同送出。”陸翌說，當前該工程已完成成套參數(shù)設(shè)計，預(yù)計2025年完成投運。
柔性低頻輸電技術(shù)作為一項創(chuàng)新的輸電技術(shù)，在浙江的新能源消納中展現(xiàn)出巨大的潛力和價值。借助柔性低頻輸電技術(shù)，只需要在內(nèi)陸建設(shè)一座換流站即可實現(xiàn)海上風(fēng)電的長距離輸送。這種技術(shù)比傳統(tǒng)工頻交流輸送距離更長，并且無需建設(shè)昂貴的海上換流平臺。
此外，近年來沿海島嶼間輸電通道資源越來越緊張，大城市里像蜘蛛網(wǎng)一樣的電網(wǎng)也需要更靈活、經(jīng)濟地互相連接，互相幫助調(diào)節(jié)電能，讓電力供應(yīng)更加穩(wěn)定。柔性低頻輸電技術(shù)能夠通過降低電力的頻率減少電纜無功功率，從而在有限的廊道資源下提升電能輸送能力，并在多個大電源饋入的負荷中心實現(xiàn)低成本、安全的電網(wǎng)互聯(lián)，有效控制短路電流超標和減少連鎖故障的風(fēng)險。
隨著技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用的不斷推廣，柔性低頻輸電技術(shù)將為新能源的高質(zhì)量發(fā)展提供強有力的支持，為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展作出積極貢獻。
責(zé)任編輯：于學(xué)華
