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厉害了!细说中国高压直流输电技术的“开挂”历程!

2019-05-14
人类发明直流电的时间远早于交流电,是人类最早地、系统性利用的电能形式。时至今日,大家日常使用的手机、电脑均以直流供电(手机、电脑充电器实际上是一种交流/直流逆变器)。
 
在直流电发明初期,适用于高压直流输电的设备或技术还未成熟,而交流输电技术在远距离传输上损耗低于直流电,故在很长一段时间内,交流输电发挥着主导地位。
 
随着大功率电力电子器件的成熟和相关直流输电技术的进步,高压直流输电技术的优势日渐明显,特别适合处理我国“源荷割离”的能源需求现状。今天我们来详细说说中国高压直流输电技术的“开挂”发展历程吧!
 
1 中国能源背景及电网使命
 
我国约有80%的能源资源分布在西部与北部,而近70%的电力负荷集中在中部和东部,呈现“源荷割离”的特点。下图所示为我国煤炭资源和水能资源的分布图。
 
 
 
▲中国煤炭资源分布
 
 
 
▲中国水能资源分布(来源:地之图)
 
这要求我国电力系统实现跨区域、远距离和大规模电能输送,将西南水电、西北火电和火电保质保量地送往华北、华中、华东和南方负荷中心,促成”西电东送“和“北电南送”的电能传输格局。
 
 
 
▲中国电能输送通道
 
2 中国高压直流输电系统
 
随着大功率电力电子技术的不断成熟,高压直流输电系统在大容量、远距离输送方面的经济性、稳定性和灵活性等优势日益突出。具体体现在:
 
线路造价低,节省电缆费用;
 
运行电能损耗小,传输节能效果显著;
 
线路走廊窄,征地费省;
 
传输功率的可控性强,控制速度快;
 
能够非同步(同频不同相位,或不同频)连接两个交流电网,且不增加短路容量;
 
........其余优点
 
但直流换流站消耗大量无功、更高电压等级直流输电设备研制困难等世界性难题制约着我国高压直流输电系统发展。具体体现在:
 
换流器控制复杂,造价高;
 
换流器大量消耗无功,且产生谐波;
 
双极不对称大地回线运行时存在直流偏磁问题和电化学腐蚀问题;
 
不能向无源系统供电,构成多端直流系统困难;
 
我国的高压直流输电系统发展史,就是中国电力工程师们一步步攻坚克难,填补高压直流输电领域内空白,乃至引领世界高压直流输电技术潮流的“开挂”历程。
 
 
 
 
时光倒回1989年。
 
我国首个高压直流输电工程——±500kV葛洲坝至上海直流工程投运,输电距离1046km,最大传输功率达1200MW。但我们比全球率先建设现代高压直流输电系统的前苏联晚了35年。
 
 
 
▲±500kV葛洲坝至上海直流工程换流站
 
但是起步晚不代表发展慢。
 
自十一届三中全会以来,中国电网为助力国民经济发展,以火箭般的速度“开挂”发展,电网规模由小增大,输电等级由低到高。
 
尤其是近二十年来,随着清洁能源比例迅速增长,电能生产与负荷中心间的距离不断增大。为此,中国电网共建成并投运高压直流输电工程29个,包含7个±800kV特高压直流输电工程,将大量西部地区能源输送至东部负荷中心,有效解决西部水电、风电、光伏等清洁能源开发、输送和消费的问题,产生巨大的经济和社会效益。
 
2007年,中国第一个直流自主化示范工程——±500kV贵州至广东二回直流工程投运,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——±800kV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;
 
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,世界容量最大的特高压直流输电工程——±800kV哈密至郑州直流工程投运,容量达800万千瓦,标志着特高压直流输电达到一个新的高度;
 
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,云南鲁西背靠背直流工程投运,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。
 
目前,中国直流输电技术电压等级最高、规模最大。
 
2016年,中国国家电网与中国南方电网分别在世界500强中名列第2和第95,分别建成”八交八直“和”八交九直“(特)高压交直流输电骨干网,妥善解决了我国”源荷割离“的难题。
 
 
 
▲中国(特)高压交直流输电骨干网
 
在过去二十年中,虽然中国周边国家和地区的大面积停电事故频发,但无一起发生在中国电网,电网安全运行水平已达世界领先水平。
 
 
 
▲中国周边国家及地区的大面积停电事故(来源:国家测绘局)
 
3 促进大范围资源优化配置
 
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,是区域电力市场物理基础的重要组成部分。
 
今年9月,云贵水火置换交易在广州电力交易中心进行,历史性地以市场化方式实现交易,在一天内实现6.2亿千瓦时的电量交易。
 
三方共赢
 
⊙云南:增加云南清洁水电消纳约6.2亿千瓦时;
 
⊙贵州:为今冬明春电力供应提前增加存煤35万吨;
 
⊙广东:进一步降低购电成本,此次成交电价相比2017年西电东送框架协议价格广东落地电价,降低约0.11元/千瓦时,仅这次交易就节约购电成本0.682亿元;
 
4 利于实现“一带一路”战略
 
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。
 
以中国南方电网为例,其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。
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