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【能源峰会】中国西电苟锐锋解密柔性直流输电技术(组图)

技术     2015-09-10 15:13:08         橙电网输配电网

柔性直流输电将在我国新能源并网和消纳、异步联网、孤岛供电、远距离输电领域发挥越来越重要的作用。随着全控型电力电子开关器件、高压直流开关、直流电缆水平的不断提高以及控制保护技术的进步,预计未来5-10年我国将迎来柔性直流输电工程建设快速发展时期

柔性直流输电将在我国新能源并网和消纳、异步联网、孤岛供电、远距离输电领域发挥越来越重要的作用。

随着全控型电力电子开关器件、高压直流开关、直流电缆水平的不断提高以及控制保护技术的进步,预计未来5-10年我国将迎来柔性直流输电工程建设快速发展时期。世界范围内将有望建成以柔性直流为基础、500kV及以上等级的区域性直流电网。

中国西电副总工苟锐锋在能源峰会上表示:目前柔性直流输电仍然面临技术挑战,迫切需要在全控开关器件、电压源换流器拓扑、直流断路器、DC/DC变压器研发方面取得突破。

以下为中国西电副总工苟锐锋演讲全文:

苟锐锋:各位领导,各位专家,各位同仁,大家好!作为西电集团,随着我们国家特高压输电的发展,当然在交流方面,随着我们国家特高压直流的发展,中国西电集团在特高压输变电设备商是处于一个国际领先的地位。目前对于各个特别像换流阀我们现在做到6250A,对于特高压交流也有做。我这里仅仅是做一下关于柔性直流输电技术发展的现状及其面临的挑战。

 我主要讲四个方面,概述,柔性直流输电技术发展现状,中国西电集团柔性直流技术研发介绍和面临的挑战。

柔性直流输电的概述及优点

作为柔性直流输电技术是基于电压源换流器和脉宽调制技术的新一代直流输电系统,这决定了柔性直流输电,实现有功功率和无功功率相对的独立控制,极大增强了输电的灵活性。它里面主要是除了常规直流有的优点,里面还有一个就是有功和无功,快速独立的控制。第二、可以自换相,没有换相失败问题,可向弱交流系统供电。没有无功补偿的问题,常规直流一般的补偿功率是50%60%,所以整个占地面积相当大。它的谐波水平低,这决定了柔性直流输电,没有更多的滤波。

资料来源:中国西电副总工苟锐锋在能源峰会上的演讲PPT

柔性直流输电由于构成多端直流电网,因为它不需要改变直流的电压极性,仅改变直流电压的方向,常规反送的时候改变的是电压,对于柔直,不用改变电压方向,只是改变电流方向,所以这样一个直流网的构成,只是在电流的调节上。关于直流电网,实际上回过头来说,我们要实现能量流的双向流动和双向控制,我想应该是大功率电力电子性能的提高,最终才能实现能量流自动调节。它的设计比较小型化。

对于上述的优点,特别像现在海上风电和海上石油平台,可能会有大的发展。我们的风电、光伏,因为这些电的波动性比较大,间歇性比较强。如何去调整这些间歇性,就是快速的能量调节。

柔性直流输电的发展历程 

简单简述一下发展过程,柔性直流输电1996年加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等首次提出使用PWM技术控制VSC进行直流输电的概念。1997年ABB公司在瑞典中部Hallsion和Grangesberg之间建成首条柔直工业试验工程。

从技术发展,上面简述了一下,技术的发展有两电平,三电平的,我们国家现在基本上也都在用MMC结构压,这是网络结构,这是单体线的一个接线。这个就是跟我们现在常规直流底下,将来整个网络的一个连接。这个是一个桥串,或者几个桥并的,这个叫多端直流系统,关于多端直流的实现还有很多技术问题网络的问题,后面都需要我们在柔性技术上开发。

资料来源:中国西电副总工苟锐锋在能源峰会上的演讲PPT

柔性直流输电的应用工程 

目前柔性直流输电的应用尝试,一个就是异步联网,第二、分布式电源电网,风电场,太阳能,水电站这些能源的接入。第三、孤岛、送电。智能电网对技术的推动,第一、首先是电力电子技术,下来是储能技术,如果这两个技术解决不了,我们讲的智能电网可能也会很难有这种理想,达到信息流和能量流完全自动的双向评估和调节。

在国际上的技术路线,我们可以看到,西门子的技术路线,基本上现在就是MMC的结构,ABB的结构实际上就是类似于传统直流的管子之间的串联。实际上阿尔斯通还是桥串联,一级一级串接起来,国际上也就是这三种路线,我们国内有五个部门,上海柔直示范工程,下面是舟山柔直工程,还有厦门柔直工程等。这里边我们也可以看出,目前我们国内的主要几家公司,实际上现在已经有五家了,在这方面,我们国家一起步就是五家企业,将来柔直往哪些发展?这也是需要考虑的。

关于多端柔性直流系统,我个直流系统它不是直流网,我们现在所做的是三端的六端,但是真正要形成直流网,还是需要进一步去做的。多端直流系统不是直流电网,但是为直流多端的实现奠定了基础,为将来走向直流电网奠定了基础。直流电网具有以下的特点,每个站有多传输线路与其他站相连,形成具有网孔的系统。第二、换流站可以单独传输功率,可依靠直流开关灵活切换传输状态。第三、系统中存在冗余,可靠性高。所以,这样一个过程,现在发展实际上里面一个核心的设备就是直流开关。

目前我们柔性直流输电从标准角度上讲,国际电工委员会输配电领域电力电子分技术委员会从五年前已经制定柔性直流输电技术标准,目前颁布的柔性技术标准有以下这几个。我们国内这几年也在制定标准,关于基于电压源环流器的高压直流系统术语,高压直流输电用电压源环流器阀电气试验,实际上我们现在也是与我们国家的直流发展,因为中国西电集团,我觉得实际上我们国家输电也是同步发展,有特高压,一定有西电设备,柔直也在同步的发展。从我们西电集团角度,最早我们先做了一个通过这些研究,实际上从产业公司的角度,在掌握核心技术的角度,要形成产业化,对于西电集团,这方面最早我们是从系统研究和成套设计,这也是集成我们传统直流的技术,因为传统直流我们是设备制造方,但是大集团制造公司的角度来讲,这方面也得到联网的测试,所以我们一开始是从系统做起,整个将来以后是一个整合的。比如要走向国外,我觉得制造企业现在单一走向国外,单一设计在国外的竞争,第一、得有资质,一开始做柔直我们就朝着这个方向去走。第二、关于换流阀整个的设计,整个支撑我们去做这些设计。第三、我们做了比如换流阀的运行实验等,换流阀的运行实验,我们有一个12千伏兆瓦,按照整个试验效果,一个一个去做。这个是关于仿真平台,原来大家用的是RTDS,实时仿真系统KT-LAB,可进行多端、多电平。

对于我们现在做的项目,2013年我们通过自己设计,功能模块也是自己设计,包括控制,因为总是有一个系统集成,我们自己建了一个完整的10kV/12MW柔性背靠背的。第二、成套提供正负160kV/50MW难熬柔直工程。第三、我们现在正在做研究,前期实验已经做完了,当然技术也是在不断的进步,这次由于上次我们是练习,这次是单独阀,完全做了试验。当然,这里边的设计工艺和设计方法上,比上一个工程不可同日而语了,这个电压到350千伏直流,一个桥臂是五个阀串起来的。

当然,西电公司在电力电子方面也在做一些工作,对于柔直的发展,对于直流网的发展,实际上有几大。这个也是根据863做前期的研究工作,我们实现的路线有两个,一个是基于人工,一个是电子做的。直流断路的发展,有不同的方式,是不是采取一些机械方式,不管怎么说,它的问题是将来形成直流网。当然,如果它实现了,同样电力变压器实现了,电力变压器的时候,或者直流断路器的实现,就是直流网形成的关键。那个时候我觉得从控制的角度上讲,现在这个水平,我觉得应该要实现这个效果的调节,信息能量流的各种实现。几个技术,现在在做的一些工作。这里边就是对我们公司整个的一个介绍。我们一个是从系统研究的成套,再一个是从关键核心设备,整个一个完整的产业链和这样一个形成技术链和产业链。

柔性直流输电面临的挑战

在过去十多年取得了较大的成就,但目前仍存在一些急需解决的问题,面临挑战。 

第一、实现高电压、大容量功率传输和变换需要解决的问题。最近电力电子器件大家探讨的也很多,现在的ITBT,现在各方面对这方面都感兴趣,如果电力电子器元件能实现像晶闸管这样一个水平,那就看不见我们现在的电压器和现在的开关了。所以要解决这些问题,一个是全控电力电子开关器件的循环能力的提高,比如ABB搞直流的航空的理念,用到它的管子里面去,所以他们在这些两大公司里,元器件厂,目前的市场需求量也很大。我们里面的核心元器件很多还是国外的,我们有设计技术,我们有工程业绩,但是我们这里面的一些核心设备还是没做出来。

第二、对于它的阀,多物理厂的仿真、抗震、热、流体,这一方面也是另外一个技术。对于柔体来说,还不像常规直流,我们第一步走技术引进消化吸收,然后国产化,然后到自主化,我们直流走的是这一步。当然现在自主化包括我们的换流阀也四五家了,这个从国家角度上。柔直各个企业都是从一开始自主在我做,阀设计成什么样,这个里面的结构方式,各厂我们五家企业各有各的特色,各有各的特点,它都是按照自己的路线在走,在设计,所以这些东西都是自主化。模块化多电平控制的问题,对我们控制系统传递数据的快速也是有一个高的要求。

需要解决的问题,现在从大容量的解决,一方面我们是考虑元器件,第二方面,要有不同的拓扑图,解决目前柔直里面存在的一些问题。比如基于MMC,如何快速的清除故障,必须通过跳开交流侧的断路器切除直流侧故障。包括以后还有架构线路的问题。在这个里面,我们继续从拓扑图的结构上,怎么去如何提升它,提升一个模块单元的大容量,和它的电压的传输。 

对多端直流电网的实现,实际上我刚才一致在强调,电力电压器的技术,因为对直流端的技术,现在尽管大家,包括ABB,我们国内也说200千伏电流,但是真正实现像交流开关这样的职能,很多问题还存在。只能说这样高的电流,这样高的电压把它打开了,但是到网上还会出现其他很多问题,而你是一个电力电子的元器件,你在开断的过程,打开的过程中,必然会对系统里面还有电流产生影响,所以现在的这种直流端发布的,这儿说它多少,现在把这个信息都在发布,但是这种发布,我觉得只能是技术的一个倡导,大家朝着这个方向去做,这个里面还有很多问题,不是说谁发表一篇文章,这个东西能够走向产业化和工业化,我认为还要有一段路程。

我们要解决电力电子器件里面,管子基本上是国外的,电流器是国外的,这些我觉得一些核心元器件,实际上包括我们现在的驱动,也是国外的,在功能模块里面,这个主要的元器件。实际上我们上来之后说直流功能,当然从设计技术水平,发现我们跟国外站在平等的台阶,但是回过头来说,看我们的设备,我们一些核心设备,还是需要去做的。常规直流走到跟天已经是国际领先水平了,国外对这个也是认可的。今天是我提条件,看你同意不同意,你不同意,我自己去做,我们也是从1997、1998年干到今天,也是一步一步去做的。但是对于现在柔直的这些核心器件,可能还得下很大的工夫。关于标准方面,随着对设备的要求,我们的标准要继续把这方面完善。 

柔性直流输电在我国新能源并网和消纳、异步联网、孤岛供电、远距离输电领域发挥越来越重要的作用。柔性直流输电技术的应用已经使多端直流输电系统成为现实,还将进一步促进直流电网的形成,随着全控型电力电子开关器件、高压直流开关、直流电缆研发制造水平的不断提高,以及控制保护技术的进步,预计未来5到10年我国将迎来柔性直流输电工程建设快速发展时期,世界范围将有望建成以柔性直流输电为基础,500kV及以上等级的区域性直流电网。谢谢大家!

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