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特高压

摘要:

特高压输电技术是实现国家及区域能源互联互通、清洁能源远距离外送、跨时区互补、跨季节互济、优化配置的关键技术,在构建跨国、跨洲电网的过程中进一步呈现出远距离、大容量、低损耗、高效率、灵活稳定的新需求。

特高压交流输电技术已经成熟,是构建大容量、大范围坚强同步电网的关键技术。特高压交流输电是指1000kV及以上电压等级的交流输电技术,单一通道输送能力约10000MW,最大输送距离超过1000km。特高压交流输电工程变电站造价约1.5~2.0亿美元/座,单位容量造价约5.2万美元/MVA,单回线路100万美元/km。中国的特高压交流输电技术处于世界领先水平,在关键技术和核心设备方面已实现大规模应用,并构建了完善的试验基地和标准体系。

特高压交流输电技术实现了一系列技术创新,突破了全套核心装备。在特高压交流工程的建设中,通过开展系统分析、过电压与外绝缘、电磁环境等特高压交流输电关键技术研究,攻克和突破了系统安全稳定控制、复杂环境外绝缘特性、过电压深度抑制、电磁环境控制等关键技术难题,确定了工程的关键技术参数和技术条件,形成了系列标准、规程和规范,研制了特高压交流全套设备,全面掌握了特高压交流输电技术,确定了主设备参数,引领全球电网建设的发展方向。

特高压交流输电技术已形成完整的研发体系,具备丰富的工程经验。通过科技研发和工程实践,建设了完整的系统研发平台和工程试验基地,掌握了特高压交流工程规划设计、设备集成、施工安装、调试试验和运行维护的全套技术,建设了一大批特高压交流示范及商业化工程。截止2019年底,全球在运特高压交流输电工程12条,在建3条,投运和在建总长度超过20000km,全部在中国。中国完成了特高压输电技术的系统集成,积累了宝贵经验,实现了技术和经济的有机统一,工程安全、可靠、先进、实用。

构建全球能源互联网,特高压交流输电技术具有广阔的应用前景,将进一步在关键技术、经济性和适应性方面进行提升。1000kV特高压交流输电工程已经实现大规模工程应用,该技术在能源基地远距离输电场景及跨大区骨干电网互联方面发挥了巨大技术优势。为满足全球能源互联网超大规模电网互联及输电需求,特高压交流输电技术将向节约走廊、低损耗、环境友好、智能化等方向发展。重点需要在输电系统优化设计、高可靠性、灵活性提升、经济性提升、适应全球各种极端气候条件的核心设备等方面开展研究。

特高压直流输电技术不断突破,成为超远距离、超大容量电力高效输送的核心技术。特高压直流输电通常包括±800kV和±1100kV电压等级,额定输送容量8000MW~12000MW,输送距离2000km~6000km。±800kV和±1100kV电压等级换流站投资分别为6.7亿美元和11.8亿美元,单位容量造价分别为84美元/kW和98美元/kW。中国在特高压直流输电的关键技术、设备研发、试验体系和工程实践方面处于世界前列。

特高压直流输电技术不断创新,突破了全套技术和核心装备。特高压直流输电工程在主接线形式、运行方式等方面有许多不同之处,针对特高压直流关键技术和关键设备,在过电压与绝缘配合、外绝缘和设备性能等方面进行了开创性的研究,取得了多方面创新成果,突破了800kV及1100kV换流变、换流阀及套管等世界性难点技术和关键设备,为工程顺利投运奠定基础。

特高压直流输电技术已建立完整的产业研发体系,具备丰富的工程经验。通过科技研发和工程实践,建设了完整的特高压直流研发体系和工程试验研究中心,掌握了特高压直流工程系统研究、系统设计、工程设计、设备集成、施工安装、调试试验和运行维护的全套技术。截止2019年底,世界在运特高压直流输电工程18项,其中中国14项,印度2项、巴西2项,相关运维经验丰富,具备进一步全球大规模推广应用的基础。

在全球大规模清洁能源送出及大范围资源配置背景下,特高压直流输电技术未来具有广阔的应用前景,将进一步在关键技术、经济性和适应性方面进行提升。为满足全球能源互联网超大容量和超远距离输电需求,特高压直流输电距离、容量、拓扑及关键设备需进一步提升和改进,适应全球大规模清洁能源输送和全球极寒、极热和高海拔等各种极端条件,具体包括开发更高电压等级的直流输电成套设备、特高压混合型直流等方向,同时仍需要进一步提升电力输送的经济性水平,降低输电成本。

基于大功率电力电子器件的柔性输电技术已经获得极大发展,在提高电网运行灵活性、提高电能质量和提升清洁能源接入能力等方面发挥了巨大作用。随着大功率电力电子技术在电力系统中得到应用,现代电力系统的控制调节更加灵活便捷。柔性输电技术是基于现代电力电子器件的交直流输电技术的统称,包括柔性交流输电技术和柔性直流输电技术。柔性交流输电技术采用改变系统电压、电流幅值、相位和性质等方式提升系统运行灵活性。柔性直流输电技术是采用全控型电力电子器件,基于电压源换流技术的直流输电技术。

柔性交流输电技术重在优化系统潮流、提升系统稳定性、扩大交流输电的传统应用范围,已经实现大规模应用。柔性交流输电技术可以改变系统中有功、无功潮流分布、功率水平及电压水平,已经成为交流电网提升运行可靠性和灵活性的重要手段。柔性交流输电装备包括串联型、并联型以及复合型3类,具体包括并联电抗器、串联电容器,静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器

(STATCOM)、可控串联补偿器(TCSC)、统一潮流控制器(UPFC)等。晋东南-南阳-荆门特高压输电工程固定串联补偿器是当前电压等级最高的柔性交流输电工程应用。

柔性交流输电技术具备优越的快速性能和灵活的控制能力,未来具有广阔的发展前景,但需要在容量水平、可靠性、协调控制和经济性等方面进一步提升。柔性交流输电技术可以在现有设备不做大的改动条件下充分发挥现有电网的潜力。但目前技术上总体还局限于单个工程和超高压电压等级,大规模应用还需要在多个柔性交流设备间进行协调控制,解决配合、衔接问题,需要进一步研发和突破在1000kV交流电压等级交流电网应用的核心器件和装备,降低工程造价。

柔性直流输电技术重在解决弱系统/无源系统接入、新能源并网等方面问题,随着全球风电、光伏开发规模增加、复杂电网互联需求的出现,其优势和效益日益突出。基于全控器件的柔性直流输电技术,具备良好的抵御换相失败和提供电压支撑的能力,可以实现弱系统互联、无源网络供电、构建多端及直流电网,是实现大规模、远距离清洁能源输送的重要方式。截止2019年底,世界上已投运的柔直工程超过40项,柔直工程最高电压±800kV,最大输送容量5000MW,最远输电距离1430km。

柔性直流输电技术具备优越的灵活性和适应性,未来具有广阔的发展前景,但需要在容量水平、可靠性、经济性等方面进一步提升。受限于基础器件能力,柔性直流输电工程容量水平目前还难以达到常规直流水平。由于采用的电力电子器件数量巨大,可靠性也是工程应用的巨大挑战之一。结合新型电力电子器件及快速进步的大规模储能技术,通过换流器结构和拓扑创新,发展基于IGCT的特高压柔直和基于储能的主动性柔直技术,提升当前柔直容量、可靠性和经济性,解决交直流混联电网的故障解耦问题,是柔性直流输电技术未来的重要发展方向。目前,同等容量的柔性直流换流站的造价比常规直流高出约30%。随着大规模工程应用及器件技术进步,未来有望达到常规直流的造价水平。