“十二五”，柔性直流輸電應用預計大量增加

【導讀：隨著中國柔性直流輸電技術研究及設備制造瓶頸全部被突破，“十二五”期間，柔性直流輸電的應用預計將大大增加。】　　

11月29日，中國電力科學研究院研制的我國首套柔性直流關鍵設備，通過上海市電力公司組織的出廠試驗驗收，即將運往上海南匯風電場柔性直流輸電示范工程現場。在新能源發展日益加快的背景下，柔性直流輸電前景廣闊。

中國電科院的賀之淵博士拿著一張圖表，準備向筆者介紹柔性直流輸電。

　　奇怪的是，這張圖表似乎與柔性直流輸電無關。圖表上畫著中國地圖，地圖上的江蘇、甘肅等地標為藍色，寫著“風電場”;浙江、福建等地標為紫色，寫著“海島供電”;上海、大連等地標為橙色，寫著“城市供電”。

　　這些都是柔性直流輸電能夠做的事情，賀之淵說。隨著中國柔性直流輸電技術研究及設備制造瓶頸全部被突破，“十二五”期間，柔性直流輸電的應用預計將大大增加。

　　發展新能源 需要柔性直流輸電

　　對于國內所有研究柔性直流輸電技術的人來說，12月是令人興奮的一個月。一個原因是，上海南匯風電場柔性直流輸電示范工程建設接近尾聲，意味著擁有自主知識產權的技術和設備即將成功應用;另一個原因，也是更為重要的原因是，“十二五”新能源的大發展，將帶“火”柔性直流輸電。

　　此前不久，國家明確了七大戰略性新興產業，其中包括新能源。這標志著在“十二五”期間，風電、太陽能光伏發電等新能源產業的發展，將獲得更多財稅金融等政策性支持，迎來加速發展的契機。

　　以風電為例。10月13日發布的《中國風電發展報告2010》顯示，2009年全國新增風電裝機容量1380萬千瓦，全球排名第一，累計裝機容量世界第二;2010年，全球每3臺新安裝的風電機組，就有一臺在中國;未來幾年，我國風電仍有可能以每年1000萬千瓦以上的新增裝機速度發展，并于2015年達到9000萬~1億千瓦。

　　但是，新能源發電往往表現出不穩定性、分散性、小型化、遠離負荷中心等特點，使得采用一般輸電技術聯網極不經濟。據中國電科院副總工程師、直流輸電專家湯廣福介紹，制約新能源發展的瓶頸主要是并網問題，風能、太陽能發電明顯的間歇性和不確定性，容易引發諧波污染、電壓閃變等，導致電能質量低，無法保證電網安全。

　　國家能源局的一位官員表示，國家將在“十二五”期間重點解決大型風電基地等可再生能源基地并網瓶頸問題。

　　為解決新能源并網問題，世界各國進行了多種嘗試。湯廣福表示，現在看來，柔性直流輸電是保證新能源接入的最好方式之一，甚至在很多場合下是唯一選擇。

　　已有成功經驗證明這一點。1999年6月，瑞典哥特蘭島柔性直流輸電工程投入運行。該系統將納斯風電場的電能送到維斯比市。工程運行經驗表明，柔性直流輸電與交流輸電并聯運行很好地解決了三大問題：減弱了功率變化對交流電網造成的壓力，使交流電網更易于監測;減少了電壓變化對敏感負荷的影響，隨著風電功率的增加，電壓質量得到明顯改善;實現了靈活快速地控制潮流，減少線路損耗，有助于實現調度自動化。

柔性直流輸電應用圖示。在這個設想中的典型區域，柔性直流輸電廣泛應用于城市供電、風電并網、海上鉆井平臺供電等領域。


　　柔性直流輸電 能做什么

　　為什么柔性直流輸電能夠解決新能源并網問題?

　　賀之淵認為，原因是其可控性較好、運行方式靈活，能夠減少系統短路容量，提高電能質量。使用柔性直流輸電技術，就仿佛在輸送線路中增加了一個“等效電容”，可以在一定程度上確保功率的穩定輸送。

　　賀之淵說：“設想有一條大河，自然狀態下，水流的流量只受最初的地理環境影響;如果在河道上建了一個水庫，人們就可以隨意控制下游水流的流量了。柔性直流輸電技術相較普通的直流輸電技術，就好像在河道上建立了一個水庫，使人們更自由地控制輸電線路的電流大小和輸送狀態。”

　　柔性直流輸電最突出的技術特點是采用了全控型的電力電子器件IGBT。與采用晶閘管的傳統直流輸電不同，柔性直流輸電的系統反應速度快、可控性較好、運行方式靈活。

　　與常規交、直流輸電相比，柔性直流輸電能極大地減少系統短路，還能向無源電網供電，是解決大面積區域停電、實現遠距離孤立送電(如海上采油平臺和海上島嶼等)的有效途徑。2003年，美國東北部地區發生大停電事故，電網采用的柔性直流輸電系統提供了必要的電壓和頻率支持，幫助電網系統快速恢復了供電。

　　此外，柔性直流輸電還能提高配電網電能質量，消除交流系統中的諧波污染、電壓間斷以及波形閃變等問題。而諧波污染、電壓波形閃變等，恰恰是風電、光伏發電帶給電網的一大難題。

　　賀之淵表示，依據當前我國的研究成果，柔性直流輸電不但能促進新能源并網，系統本身也是節能環保的。柔性直流輸電系統不需要濾波器，模塊化程度高、附屬設備少，使得設備生產制造周期大為縮減，也更易于移動、安裝、調試和維護;系統的換流站體積僅為傳統直流的20%，并能實現無人值守;換流站類似普通廠房，沒有室外配電裝置，對環境景觀影響小，可比常規直流節省大量走廊用地;采用地下或海底電纜，電磁干擾小。所有這些，都使得柔性直流輸電更綠色、低碳、環保。

　　有關專家估計，到2015年，世界范圍內柔性直流輸電工程的市場規模將達到千億元以上。而隨著新能源的快速發展和環境保護要求的提高，我國對柔性直流輸電技術也表現出強勁的市場需求，預計未來5年國內市場規模在400億元以上。

　　延伸閱讀

　　柔性直流輸電 與孤島供電、城市供電

　　柔性直流輸電技術主要受到新能源發展帶動，但其發揮作用的領域不僅限于新能源并網。據了解，在孤島供電和城市配網供電領域，柔性直流輸電同樣有巨大的應用潛力。

　　孤島供電領域。我國擁有7000余個海島，孤島供電對緩解土地資源緊缺，充分利用資源意義重大。柔性直流輸電可在保證電力系統穩定的前提下，通過環流技術將不同頻率的交流電轉化為直流，用于實現兩個交流系統的互聯;通過對自身電流的快速控制，有效限制互聯系統的短路容量。另外，由于直流線路在投資、運行費用、長距離傳輸等方面具有優勢，因此在隔海輸電的情況下，技術經濟指標往往優于交流輸電方案。

　　城市配網供電領域。重負荷、短路電流超標、嚴格的環境約束是特大型城市發展面臨的嚴峻挑戰。大量電器的應用和負荷的快速增長，使城市電網增容的需求越來越強烈。柔性直流輸電技術可通過快速控制有功功率和無功功率，解決電壓閃變問題，改善供電的電能質量，防止敏感設備因電能質量問題造成的經濟損失。柔性直流輸電采用地埋式直流電纜，可以在不影響城市市容的情況下，完成城市電網的增容改造，滿足城市中心的負荷需求和節能環保的要求。

　　在這個設想中的典型區域，柔性直流輸電廣泛應用于城市供電、風電并網、海上鉆井平臺供電等領域。進展

　　我國柔性直流輸電技術已成熟

　　王彥

　　隨著我國首套柔性直流關鍵設備成功下線，我國已在短短幾年時間內，實現了既擁有扎實的理論功底，又掌握核心技術的目標。柔性直流輸電的主要研究機構——中國電科院，成為ABB、西門子之后，世界第三家同時具備試驗、成套設計、生產、安裝調試等全套核心競爭力的機構。

　　多位柔性直流輸電技術專家表示，國家電網公司超前的戰略眼光保證了這一技術早日成功落地。2006年5月，公司即瞄準柔性直流輸電技術，確定了“柔性直流輸電系統關鍵技術研究框架”。我國柔性直流輸電發展序幕由此拉開。

　　中國電科院副總工程師湯廣福表示，研究柔性直流輸電只能依靠自力更生。“柔性直流輸電技術是當今世界電力電子全控技術的制高點，是具有顛覆意義的技術革命。跨國公司對該項技術嚴格保密，不發表一份圖紙、一張照片，不在刊物上發表學術文章，也不允許參觀。對于這樣的前沿科學，我們的攻關難度可想而知，唯有堅持自主創新這一條路可走。”他說。

　　依據經驗，研究人員確立了前期研究——基礎理論研究——核心技術研究——關鍵設備研制——設備批量生產的研發思路。

　　2006年12月至2007年12月，中國電科院開始前期研究及基礎理論研究。科研團隊研究了世界各國柔性直流輸電工程的應用歷史，并在仿真技術、控制保護策略等五個方面取得了重大突破，我國柔性直流輸電技術理論達到國外先進水平。

　　這是極其艱苦的階段。中國電科院的賀之淵說：“那時，我們研發團隊都是年輕人，大家鉆研起來一干就是十幾個小時，中午吃飯還不忘互相討論，希望碰撞出火花。那時候，談戀愛的時間都被壓縮了。”

　　2008年到2009年12月，中國電科院在繼承基礎理論研究的基礎上，開始向柔性直流核心技術、特別是基于可關斷器件的電力電子技術發起攻關。經過兩年努力，完成高電壓大功率可關斷閥串聯技術研究等十大關鍵技術研究，并初步完成了系統樣機的研制和調試，奠定了我國在世界直流輸電領域的地位。

　　2010年，樣機仿真平臺、工程關鍵設備研制及批量生產、設備試驗進入實質階段。在這關鍵的一年里，科研人員幾乎每天加班。試驗階段，更是吃住在現場。第一代、第二代樣機都是科研人員一顆螺栓一顆螺栓親手組裝的。10月27日，具有完全自主知識產權、實現100%國產化的柔性直流輸電成套裝備通過所有型式試驗。與此同時，建立起標準化的柔性直流輸電生產線，具備批量生產能力。

　　柔性直流輸電發展歷史

　　1990年，加拿大的一些學者提出了柔性直流輸電技術(基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術)的概念和基本原理，旋即成為世界性研究熱點。

　　1997年3月，ABB公司進行了首次柔性直流輸電的工業試驗，該工程位于瑞典中部的赫爾斯揚，取得了成功。

　　1999年6月，瑞典哥特蘭島的柔性直流輸電工程正式投入運行。這是世界上首個商業化運行的柔性直流輸電工程。

　　我國在建的柔性直流輸電工程是上海南匯風電場柔性直流輸電示范工程，這也是亞洲首條柔性直流輸電示范工程。該工程是國家電網公司2010年智能電網建設體系的重大科技示范項目和堅強智能電網建設的第二批試點項目。工程包括兩個直流換流站和8千米直流輸電線路，額定運行容量為1.8萬千瓦，直流額定電壓為±30千伏，直流額定電流為300安，預計2011年年初帶電運行。

　　截至2010年11月底，世界范圍內已投入商業運行的柔性直流工程共有11項，還有4項在建的工程。其中已經投運的工程中，有6項在歐洲，2項在大洋洲，2項在北美洲，1項在非洲，均取得了良好的運行業績。