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廣義直流輸電技術對電網發展格局的影響

一、近幾十年來廣義直流輸電線路蓬勃發展

人類對電力的應用和認識都是從直流電開始的,到現在已有百余年的歷史。上個世紀50年代后,電力需求迅速增長,帶動高壓直流輸電技術取得關鍵突破。自1954年世界上第一個高壓直流輸電工程投運以來,直流輸電在全球范圍內蓬勃發展。尤其是近20年來,隨著非化石能源消費比例快速增加,能源生產和消費區域之間的距離不斷增大,直流輸電由于在大容量、遠距離輸送方面具有經濟性、穩定性和靈活性等獨特優勢,在歐洲、北美、中國、印度、巴西等世界主要能源生產和消費區域得到了迅猛發展。以我國為例,自首個高壓直流輸電工程——±500千伏葛洲壩至上海直流工程投運以來,20多年時間建成投運的直流輸電工程共有29個,其中包括7個±800千伏特高壓直流輸電工程。這些直流工程將大量西部地區的能源輸送到東部負荷中心,有效解決了西部地區水電、風能、太陽能等非化石能源開發、輸送和消費問題,具有顯著的經濟效益和社會效益。

目前在全球范圍內,廣義上的直流輸電技術主要包括基于晶閘管的傳統直流和基于新型電力電子器件的柔性直流兩種類型,均可用于長距離輸電、背靠背電網互聯、多端輸電等工程實踐。目前,傳統直流的電壓等級已達到±1100千伏,容量超過1000萬千瓦,輸電距離超過2000公里。而柔性直流是新一代的直流輸電技術,具備有功、無功獨立控制等技術特點,應用場景更為豐富,如新能源接入電網、電網互聯、孤島供電、多端直流、城市配電網等,目前單回輸送容量可達到百萬千瓦以上。隨著廣義直流輸電技術的不斷發展,在電網中的應用越來越廣泛和深入,其已成為推動能源戰略轉型與結構調整、實現可再生能源高效開發利用、構建全球能源互聯網的重要支撐。

 

二、廣義直流輸電技術對電網格局產生深遠影響

隨著經濟社會的高速發展,我國已成為世界上最大的能源生產國和消費國,能源供應能力顯著增強;其中電網供應了大約四分之一的終端能源,成為我國能源體系的重要組成部分。近幾十年來,我國電網的規模和結構形態發生了很大變化,從最初的局域小規模電網發展到區域中等規模電網,進而發展到今天的跨區互聯大電網,技術裝備水平明顯提高。同時,我們也面臨著世界能源格局深度調整,全球應對氣候變化行動加速,國家間技術競爭日益激烈,國內經濟發展進入新常態,資源環境約束制約不斷強化等嚴峻挑戰。面對能源行業發展的新形勢、新問題,2014年,習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議上明確提出“四個革命、一個合作”能源戰略思想,為我國能源發展提供了重要遵循。

發展綠色低碳能源是優化我國能源結構、保障能源安全、推進生態文明建設的重要任務。電網是能源革命的重要基礎平臺,電網發展格局的深刻變革是實現能源結構轉型的關鍵環節,是支撐能源生產與消費革命的必然選擇,這其中,廣義直流輸電技術扮演著重要角色。

第一,廣義直流輸電技術有利于將清潔能源直接送至負荷中心,將有力推動能源消費革命。資源緊缺、環境污染和氣候變化是當今世界面臨的三大嚴峻挑戰,今后的能源變革都將圍繞更清潔更經濟的發電、更安全更高效的配置、更便捷更可靠的用電展開。提高電能在終端能源消費中的比重,以電為中心轉變能源開發利用方式,已成為全球能源發展的戰略方向。大容量、遠距離的直流輸電能夠將清潔電力直接送至負荷中心,節約能源輸送走廊,大幅提高能源利用效率,促進能源消費方式轉變,將越來越多地成為多個國家電網發展的方向和選擇。以我國為例,為加強大氣污染防治,加快推動清潔能源替代,2014年,國家提出規劃建設12條大氣污染防治輸電通道,從西部地區向京津冀魯、長三角及珠三角地區送電,其中有8條通道是直流輸電。同時,近年來我國在城市等負荷中心發展電動汽車和各種新型用能設施,加大“以電代煤、以電代油”等電能替代,這對電網的供電能力和效率提出更大挑戰;研究認為,直流網絡技術能夠提升電網供電能力,對受端輸配電網發展格局具有深遠影響,這個發展動向也需要我們持續關注。

第二,廣義直流輸電技術有利于匯集并大規模輸送清潔能源,將有力支撐能源供給革命。我國能源資源和負荷逆向分布,80%的能源資源在西部、北部,而70%的電力負荷在東中部。這種逆向分布的特征,決定了我國電能輸送具有跨區域、遠距離和大規模的特點,主要是西南水電、西北火電和風電送往華北、華中、華東和南方,從而形成大規模“西電東送”“北電南送”電力流格局。預測到2020年,跨區、跨國電網輸送容量將達4.38億千瓦,電力輸送以直流輸電為主。未來我國能源發展將走綠色低碳道路,風電、太陽能成為主要的可再生能源,預計到2050年,我國風電、太陽能裝機比例將達到50%左右。而我國風電、太陽能資源豐富地區主要分布在北部和西部,本地負荷少,更大規模的開發依賴更可靠的接入電網技術手段,以及更大規模的遠距離大容量輸送。柔性直流輸電技術可以將風電、光伏電源匯集并遠距離輸送到負荷地區,可有效提升高比例可再生能源接入電網和送出的運行可靠性。從目前主要國家或區域電網在大容量、遠距離輸電技術的應用和發展趨勢判斷,為了提高能源、環境和經濟等綜合利用效率,采用廣義直流輸電技術仍將是今后重要的發展方向,在優化能源結構,構建多輪驅動、全面安全的能源供應體系方面將起到重要作用。

第三,廣義直流輸電技術有利于提升能源技術核心競爭力,將有力推進能源技術革命。當前,世界主要國家均把能源技術視為新一輪科技革命和產業革命的突破口,制定各種政策措施搶占發展制高點,以保持科技領先地位、增強國家競爭力。特高壓直流技術和柔性直流技術是我國先進制造領域取得世界領先水平的突出代表,在實踐中得到廣泛應用,在國際上也廣受贊譽。在傳統直流技術方面,2007年,我國第一個直流自主化示范工程——±500千伏貴州至廣東二回直流投運,標志著我國建成高壓直流輸電成套設計集成技術體系;2009年,世界首個特高壓直流輸電工程——±800千伏云南至廣東直流工程投運,標志著世界進入特高壓直流時代;2014年,世界容量最大的特高壓直流工程——±800千伏哈密至鄭州直流工程投運,容量達到800萬千瓦,標志著特高壓直流輸電達到一個新的高度;目前我國特高壓直流輸電進一步取得突破,額定電壓達到±1100千伏,輸送距離超過2000公里。在柔性直流技術方面,2013年,世界首個多端柔性直流工程——廣東南澳直流工程投運;2014年,世界首個五端柔性直流工程——浙江舟山直流工程投運;2016年投運的云南魯西背靠背直流工程中,百萬千瓦柔性直流單元的電壓和容量均處于世界最高水平。從目前電力技術發展趨勢來看,進一步推進現代電網關鍵技術創新,在柔性直流輸配電技術、新型大容量高壓電力電子元器件技術上取得突破,并深入開展直流電網技術、未來電網電力傳輸技術的研究和試驗示范,是推進能源技術革命的重要內容,對推動我國能源行業整體技術進步、提升電力行業高端裝備的競爭力具有重要意義。

第四,廣義直流輸電技術有利于建設更大范圍資源優化配置平臺,將有力促進能源體制革命。當前,我國正在以供給側結構性改革為主線,深入推進電力體制改革等各項改革落實落地,更加強調發揮市場在資源配置中的決定性作用。直流輸電易于實現廣域范圍內、跨地區電網的智能互聯,能夠在大范圍內實現對水電、火電、風電、光伏等多形態電能的高效統籌,實現較大規模范圍內的電力交易。因此,直流輸電系統能夠有效促進多區域電力市場在物理層面的有機融合,是區域電力市場物理基礎的重要組成部分。同時,利用直流輸電技術實現區域電網互聯互通,對于電力市場輔助服務,具有很好的技術支撐作用。

第五,廣義直流輸電技術有利于實現跨國電網互聯,有力推動能源國際合作。今年5月,習近平總書記在“一帶一路”國際合作高峰論壇上發表的主旨演講中提出,要抓住新一輪能源結構調整和能源技術變革趨勢,建設全球能源互聯網,實現綠色低碳發展。直流輸電保留送受兩端電網的相對獨立性,適用于大規模跨國電網互聯。建設跨國直流輸電系統,可以滿足國家之間大容量、遠距離輸電或功率交換需求,提高電網互濟能力和安全可靠性。以南方電網為例,我們立足自身獨特的區位優勢,正在積極利用先進的直流輸電等技術,推動實施與越南、緬甸、老撾、泰國等周邊國家的電網互聯互通項目,逐步構建瀾湄國家、孟中印緬經濟走廊、東盟國家以及南亞互聯電網,進而形成開放包容、普惠共享的區域能源互聯網。

 

三、南方電網公司開展直流輸電技術實踐取得顯著成效

南方電網覆蓋廣東、廣西、云南、貴州、海南五省區、緊密聯接港澳,并與周邊國家和地區多點相連,供電面積100萬平方公里,供電人口2.48億人。2016年,南方電網區域內裝機容量2.95億千瓦,全社會用電量10012億千瓦時,全社會最高負荷1.68億千瓦。近年來,南方電網公司立足南方區域東西部能源資源和經濟發展不平衡的實際,深入研究和應用廣義直流輸電技術,推動區域能源資源優化配置,取得了顯著成效。

我們建成了高科技含量的交直流混合電網,在推進國家“西電東送”戰略實施中發揮了重要作用。南方電網60%的負荷在廣東,60%的水電裝機在云南,為滿足東部省區的電力需求,把西部省區的資源優勢轉化為經濟優勢,我們建成投運了“八條交流、九條直流”17條西電東送大通道,送電規模超過3950萬千瓦,其中直流送電規模超過3000萬千瓦,促進了東西部資源優化配置和區域協調發展、互利共贏。特別值得一提的是,“十三五”期間規劃建設的烏東德電站送電廣東廣西特高壓直流工程,容量達到800萬千瓦,將采用多端特高壓直流技術,其中兩個受端一個落點在廣西,容量300萬千瓦;一個落點在廣東,容量500萬千瓦,這將是我國首次采用特高壓多端直流技術。

我們推動新一代直流輸電技術的應用,引領柔性直流的工程實踐。建成投運了世界首個多端柔性直流工程——廣東南澳直流工程,標志著我國全面掌握多端柔性直流關鍵技術,工程投產后南澳島的風電送出實現“零棄風”,可靠性世界領先。根據國家能源局發布的《南方電網發展規劃(2013—2020年)》,明確南方電網以直流為主、合理控制同步電網規模的特大型電網技術路線,我們于2016年建成投運了云南魯西背靠背直流工程,實現了云南電網與南網主網的柔性互聯,有效緩解了南方電網交直流并聯運行存在的電網安全穩定風險。魯西背靠背直流工程總容量300萬千瓦,首次采用了傳統直流和柔性直流背靠背的混合技術方案,兩個100萬千瓦的常規直流單元和一個100萬千瓦的柔性直流單元并聯運行;其中柔性直流單元直流電壓±350千伏,容量和直流電壓均處于當前世界最高水平,這也是我國首次在主干網架中應用高電壓、大容量柔性直流輸電技術。

我們大力實施科技創新,支撐直流輸電發展。近年來隨著西電東送的迅猛發展,迫切需要研究更高電壓等級的直流輸電技術。我們建立了具有南網特色的產學研用開放式技術創新體系,建成了特高壓技術國家工程實驗室、實時數字仿真實驗室、直流輸電技術國家重點實驗室等一批國際一流的重點實驗室,取得了一大批國際先進、擁有自主知識產權的科研成果。2006年,南方電網公司承擔國家“十一五”科技支撐計劃課題,開展了±800千伏特高壓直流輸電技術和工程應用攻關,并成功運用在云廣特高壓直流中。我們在特高壓直流輸電核心技術上取得了一系列原始創新成果,形成了我國±800千伏特高壓直流輸電的技術標準體系,并推動中國標準上升為國際標準。2011年,公司申報的“高壓直流輸電工程成套設計自主化技術開發與工程實踐”項目榮獲國家科技進步獎一等獎;今年南方電網公司與國家電網公司等單位聯合申報的“特高壓±800千伏直流輸電工程”項目,被初評公示為國家科技進步特等獎。

多直流饋入地區電網的安全穩定問題是南方電網公司面臨的重大課題。廣東珠三角負荷中心有8回直流密集落點于200公里乘以150公里的區域,是世界上直流落點最密集的地區;“十三五”期間,我們還將規劃新建2回特高壓直流,珠三角負荷中心直流將增加至10回,直流輸電容量將達到廣東最大負荷的30%,電網駕馭難度很大。為此,我們深入研究多直流饋入關鍵技術,提出了多點動態無功支撐技術,并于2011年投運世界上首個百兆乏級的靜止無功補償裝置(STATCOM),有效提升了多直流饋入電網暫態電壓穩定性。未來我們還將規劃利用柔性互聯技術優化多直流饋入的受端電網結構,進一步提升受端電網的安全穩定水平。

此外,我們牽頭研制了世界首個特高壓柔性直流換流閥,將柔性直流技術提高到±800千伏特高壓等級,容量可達500萬千瓦;未來隨著碳化硅等新器件的開發應用,將促進大容量柔性直流的推廣應用,開啟直流輸電的新時代。我們認為,未來新建的大容量直流逆變站采用柔性直流,或將部分傳統直流逆變站改造為柔性直流,可以降低多直流同時換相失敗帶來的運行風險,提升交直流混聯電網的安全穩定水平,這對于電網布局和長遠發展具有重要意義。

總的來說,廣義直流輸電技術的應用和創新,對形成南方電網良好發展格局起到了積極的推動作用。南方電網公司大力實施國家“西電東送”戰略,建設交直流混聯電網,形成了適應區域發展、送受端結構清晰、定位明確的電網主網架格局。2016年,南方電網通過直流通道送廣東的電量比2004年提高了7倍,其中85%的電量是清潔水電,實現了良好的經濟效益和社會效益。2016年底全網非化石能源裝機容量、發電量分別占比49.7%、50.7%,高于全國平均水平。

廣義直流輸電技術的應用和創新,是我國電力工業近二十年來發展的突出成就,在未來我國能源綠色低碳的轉型發展中,仍將扮演重要角色,繼續推動我國電網發展格局深刻變革。南方電網公司愿與各方攜手努力,共同深入研究大容量柔性直流技術、大容量多端直流技術、直流電網技術等前沿技術,進一步提升電網安全穩定水平,為我國能源工業持續健康發展、全面建成小康社會作出新的更大的貢獻!

 

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