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“柔性直流”新能源输送示范工程——新能源开发利用新模式

2017-08-22 10:04:57 国家电网报 作者:刘杰

核心提示:7月27日,张北可再生能源柔性直流电网示范工程(以下简称“张北柔直示范工程”)成套设计和初步设计方案通过专家评审。该工程由国网北京经济技术研究院承担设计、国网冀北电力有限公司主导建设,将落地在国务院确定的张家口可再生能源示范区。该地区也是国家电网公司确定的全球能源互联网创新示范区,到2020年,预计新能源装机容量达到2000万千瓦。以建设张北可再生能源柔性直流电网工程为契机,国家电网公司正着力打造“柔性直流”新能源输送示范工程。

开辟新能源:大规模送出新路径

我国清洁能源开发重点集中在西部、北部地区、多处于电网末端,甚至电网空白区域,交流电网难以支撑大规模常规直流安全稳定运行。为解决这一难题,国家电网公司积极探索,规划于2018年建成投产张北可再生能源四端环形柔性直流电网示范工程。

张北工程是世界上电压等级最高、输送容量最大、技术最复杂的柔性直流电网工程,也是世界首个直流电网和首个应用柔直技术进行陆地新能源大规模并网的示范工程。该工程由四座柔性直流换流站和四条直流架空线路组成,其中分别在张家口市康保县、张北县建设两座±500千伏送端柔性直流换流站,承德市丰宁县建设一座±500千伏调节换流站,在北京建设一座±500千伏受端柔性直流换流站,四条直流架空线路分别为张北—康保、康保—丰宁、丰宁—北京和北京—张北±500千伏直流架空线路,总长654.2千米,构建起输送大规模风电、光伏、抽水蓄能等多种能源的四端环形柔性直流电网。

国网冀北电力严格落实国家电网公司统一部署,积极履行“一保两服务”职责使命,全力推进以建设柔性直流输电技术为核心的张北柔性直流电网示范工程。工程投运后,既可对张家口地区新能源进行可靠送出与消纳,有力支撑低碳绿色冬奥,更可实现并示范在送端弱交流系统条件下大规模清洁能源外送的模式,对探索我国西部、北部地区新能源开发和利用模式具有重要示范意义。未来,在我国采用柔性直流输电技术实现大规模清洁能源发电并网和输送,将具有广阔的应用前景。

实现新能源 友好接入电网

冀北地区新能源资源丰富,拥有风电、光伏、抽水蓄能等多种典型能源要素,具备良好的多能互补建设条件。由于新能源本身的波动性,多种新能源的大规模集中并网,给电网安全稳定运行带来一定的隐患,如何实现新能源与电网的共同长远发展,成为摆在张北工程建设面前的一道难题。

针对该问题,张北柔直示范工程将构建输送大规模风电、光伏、抽蓄等多种能源的四端环形柔性直流电网,将有效解决新能源友好并网的难题。该示范工程通过充分发挥柔性直流输电在新能源开发、利用上的技术优势,大幅提高新能源并网的可靠性,若发生故障,可实现故障后的潮流转移。该示范工程还具有良好的灵活性,可实现多种能源灵活交互,提升新能源利用效率。

此外,张北柔直示范工程具有良好的扩展性,易于在送、受端扩展新落点。通过在张北构建柔性直流环形电网,可以实现大规模光伏、风能的昼夜互补,以及新能源与储能电源的灵活能量交互,形成稳定可控的电源送至受端电网,解决大规模新能源接入后的系统调峰问题。位于河北省承德市的丰宁抽水蓄能电站一期、二期工程均已获得国家核准,投产后,将作为京津及冀北电网主要调峰电站之一。该示范工程将以张北、康保为新能源送端,以丰宁为调节端,以北京为受端,实现新能源和抽水蓄能互补,减小间歇性能源对交流电网的扰动冲击,实现新能源的“友好接入”。

通过技术创新实现成套设计

目前,国际上围绕可再生能源汇集、消纳开展了大量研究,其中柔性直流输电是被重点关注的技术领域。柔性直流输电送、受端均可与弱电网或无源电网联系,可对有功功率和无功功率进行独立快速控制,实现输电功率动态连续调节,运行方式灵活,具备构建直流电网的条件,可以大规模汇集和送出新能源。

成套设计作为张北柔直示范工程的顶层设计和核心技术方案,贯穿于工程全过程,面临众多技术难题和理论创新。国网经研院作为成套设计承担单位,首次完成柔性直流电网的成套设计,其创新引领和科技示范作用重大。

大规模新能源孤岛接入柔性直流电网的功率盈余问题是工程成套设计中的一大突出技术难题。新能源孤岛接入后,由于新能源功率不可控制,容易引起柔直电网功率盈余等问题,甚至大面积停运。面对这一公认技术难题,国网经研院柔直技术攻关团队攻坚克难,针对新能源电场和柔直电网的稳态及暂态特性开展了大量的理论研究和软、硬件建模仿真,深入研究了风电、光伏、抽蓄及交直流系统的相互影响,最终首次提出解决功率盈余问题的完整技术方案。这一技术创新,有效避免了柔直电网因单一元件故障而导致大面积停运,从根本上解决了大规模新能源孤岛接入柔直电网的功率盈余问题,为风电、光伏等可再生能源大规模可靠并网提供了解决方案。

高压大容量柔性直流电网故障发展速度快、换流阀等核心设备难以同时满足高安全裕度要求和故障穿越要求是张北柔直示范工程成套设计面临的另一大技术难题。国网经研院在无任何国内外经验可借鉴的情况下,潜心钻研,开展了大量的理论分析、仿真计算和测试验证工作,利用电流解析的方法完成了柔性直流电网暂态电流计算,在此基础上提出了限流电抗器全局最优配置方案及关键设备暂态电流应力抑制方法,极大地降低了高压大容量柔直电网的故障发展速度,在满足故障穿越要求的前提下将换流阀等核心设备的安全裕度提高了近40%,保证了张北柔直电网长期安全可靠运行,实现了我国柔性直流输电技术的创新和引领。

为负荷中心输送更多清洁电能

京津及冀北电网为典型的多方向、多通道、多落点的受端电网,预计2018年京津及冀北电网最大负荷将达到69650兆瓦,2020年京津及冀北电网最大负荷将达到78990兆瓦,“十三五”期间增速约7.8%。

为满足北京用电需求,提高非化石能源消费比例,根据国家能源局《关于贯彻落实北京市大气污染防治工作座谈会会议精神有关工作安排》,张北柔直示范工程已列入增加北京外来电能力“七大通道”工程。

近年来,冀北地区新能源发展迅猛,但新能源资源富集的张家口地区电能消费总量小,新能源就地消纳能力受限。目前,张家口地区新能源主要由500千伏“三站四线”工程和沽源、万全两个500千伏变电站汇集送出,现有的新能源送出通道已不能满足外送需求。预计张北柔直示范工程建成后,到2020年可以满足4900兆瓦新能源的送出需求,远期可以满足7600兆瓦新能源的送出需求,实现了张家口新能源直送入华北地区负荷中心,满足了新能源送出需要,也为首都注入更多绿色能源。

张北柔直示范工程还利用柔性直流环形电网实现了新能源的“友好接入”,有利于满足张家口可再生能源示范区新能源送出需求和满足首都重要负荷中心用电需求,将大力促进张家口地区新能源的有序开发、高效送出、灵活消纳,并对探索未来电网形态、推动能源革命起到科技引领示范作用。

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