核心提示柔性低頻交流輸電技術(shù)能讓新能源發(fā)電設(shè)備直接輸出低頻電能，實(shí)現(xiàn)廣域組網(wǎng)與電力遠(yuǎn)距離送出。國網(wǎng)智研院牽頭組建產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)9年研發(fā)，掌握了柔性低頻交流輸電系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)、低頻裝備研發(fā)與試驗(yàn)等核心技術(shù)，并在我國首批柔性低頻輸電示范工程中應(yīng)用。
再過一個(gè)多月，杭州亞運(yùn)會(huì)即將開幕。6月底投運(yùn)的杭州220千伏柔性低頻交流輸電示范工程實(shí)現(xiàn)了杭州富陽、蕭山兩大負(fù)荷中心互聯(lián)互通，為杭州亞運(yùn)會(huì)主場館所在區(qū)域提供30萬千瓦的靈活電能支撐。這是當(dāng)前我國電壓等級最高、輸送容量最大的柔性低頻輸電工程。
該工程采用的柔性低頻交流輸電技術(shù)是我國原創(chuàng)的輸電技術(shù)，能夠支撐中遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電和陸上邊遠(yuǎn)地區(qū)新能源電量大規(guī)模高效匯集送出，保障國家能源安全供應(yīng)，助力能源轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)技術(shù)還能促進(jìn)西部新能源產(chǎn)業(yè)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)東西部平衡協(xié)同發(fā)展，推動(dòng)形成低頻輸變電裝備新產(chǎn)業(yè)，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。
國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司作為國內(nèi)最早從事柔性低頻交流輸電技術(shù)研究的科研單位，組建了由中國科學(xué)院院士陳維江擔(dān)任首席科學(xué)家，西安交通大學(xué)、中國電科院、南瑞集團(tuán)、國網(wǎng)浙江電力等單位技術(shù)骨干組成的產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)依托1項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、4項(xiàng)國家自然基金項(xiàng)目、13項(xiàng)國家電網(wǎng)有限公司重點(diǎn)項(xiàng)目，歷經(jīng)9年研發(fā)，掌握了柔性低頻交流輸電系統(tǒng)-裝備-試驗(yàn)核心技術(shù)，并成功應(yīng)用于我國首批柔性低頻輸電示范工程。
勇闖技術(shù)無人區(qū)，創(chuàng)立柔性低頻交流輸電系統(tǒng)構(gòu)建理論
“柔性低頻交流輸電借助電力電子技術(shù)，可以靈活選擇0～50赫茲范圍內(nèi)的合適頻率，頻率低于工頻，線路阻抗減小，線路壓降和充電功率小，電纜載流量提高，可顯著提升輸電能力，同時(shí)具備電流過零開斷、易組網(wǎng)的優(yōu)勢，并且新能源發(fā)電設(shè)備可直接輸出低頻電能，無須增加變頻站。”國網(wǎng)智研院電力電子研究所柔性交流輸電裝備技術(shù)研究室主任陸振綱介紹道。
柔性低頻交流輸電通常采用電壓源型換流器，實(shí)現(xiàn)交交換流，有功、無功可四象限運(yùn)行，具備類似柔性直流輸電的柔性調(diào)控能力，如潮流靈活調(diào)節(jié)、無功補(bǔ)償、電壓動(dòng)態(tài)支撐等。
國網(wǎng)智研院牽頭組建的柔性低頻交流輸電技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了柔性低頻交流輸電系統(tǒng)構(gòu)建理論，提出了計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行方式最優(yōu)、建設(shè)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的柔性低頻交流輸電頻率優(yōu)選方法，以及新能源組網(wǎng)形態(tài)與系統(tǒng)構(gòu)建方法。團(tuán)隊(duì)還提出，柔性低頻交流輸電在70～250千米的海上風(fēng)電送出場景中技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，并可實(shí)現(xiàn)“沙戈荒”大型風(fēng)電光伏基地100千米半徑廣域組網(wǎng)以及500千米內(nèi)優(yōu)選并網(wǎng)點(diǎn)位置。
團(tuán)隊(duì)牽頭承擔(dān)了杭州220千伏柔性低頻交流輸電示范工程的成套設(shè)計(jì)和交交換流器、可控避雷器等核心裝備研發(fā)，為工程成功投運(yùn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
研制高壓大容量低頻設(shè)備，實(shí)現(xiàn)柔性低頻交流輸電設(shè)備升級
交交換流器作為柔性低頻交流輸電系統(tǒng)的“心臟”，對柔性低頻交流輸電技術(shù)的推廣應(yīng)用有著至關(guān)重要的影響。國網(wǎng)智研院研制高壓大容量模塊化多電平交交換流閥，揭示了交流到交流的異頻能量交互作用機(jī)理，并應(yīng)用于杭州220千伏柔性低頻交流輸電示范工程，形成了核心裝備的全自主知識產(chǎn)權(quán)體系。
同時(shí)，國網(wǎng)智研院攻克了低頻電氣設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)，掌握了低頻下外絕緣放電規(guī)律；攻克了低頻電流長燃弧開斷方法，解決了長燃弧燒蝕觸頭難題，大幅延長了低頻斷路器壽命；提出低頻變壓器等線圈類設(shè)備輕型化、緊湊化方案，滿足了具有高溫、高濕、高鹽霧、高維護(hù)成本特點(diǎn)的海上風(fēng)電場景應(yīng)用需求；研制了低頻可控避雷器，有效降低了系統(tǒng)操作過電壓水平，為將來研制用于海上風(fēng)電場景的耗能限壓裝置打下基礎(chǔ)。
國網(wǎng)智研院電力電子研究所所長趙國亮介紹，依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“柔性低頻輸電關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)攻克了高壓大容量柔性低頻交流輸電系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)及優(yōu)化、控制保護(hù)等核心技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)形成了220千伏柔性交交換流器、低頻變壓器、低頻快速斷路器等一系列世界首臺首套設(shè)備成果，搶占了全球柔性低頻交流輸電領(lǐng)域核心裝備和關(guān)鍵技術(shù)制高點(diǎn)，為后續(xù)技術(shù)推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
建設(shè)柔性低頻交流輸電工程，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)
目前，國網(wǎng)智研院已構(gòu)建了柔性低頻交流輸電系統(tǒng)與裝備試驗(yàn)檢驗(yàn)體系，具有一流的設(shè)備試驗(yàn)、系統(tǒng)調(diào)試能力，可為柔性低頻交流輸電工程成功投運(yùn)提供技術(shù)支撐。近年來，國網(wǎng)智研院參與建設(shè)了浙江臺州海島風(fēng)電35千伏、杭州220千伏柔性低頻輸電示范工程，實(shí)現(xiàn)柔性低頻交流輸電系統(tǒng)與設(shè)備的實(shí)證驗(yàn)證。
臺州海島風(fēng)電35千伏柔性低頻交流輸電示范工程于2022年6月投運(yùn)。該工程改造了3臺低頻風(fēng)機(jī)，通過全功率變流器直接輸出20赫茲的低頻交流電，滿足柔性低頻交流輸電技術(shù)的電源側(cè)要求；在低頻變流器控制、低頻并網(wǎng)技術(shù)、低頻整機(jī)系統(tǒng)控制保護(hù)策略、低頻建模與仿真技術(shù)、低頻測試技術(shù)等方面取得重大突破，為海上風(fēng)電柔性低頻交流輸電研發(fā)了關(guān)鍵技術(shù)裝備，探索了實(shí)施路徑。
杭州220千伏柔性低頻交流輸電示范工程實(shí)現(xiàn)了500千伏富陽和昇光變電站供區(qū)30萬千瓦的柔性潮流互濟(jì)，提升了電網(wǎng)事故支援能力，提高了亞運(yùn)會(huì)場館靈活供電能力。單站換流閥可在靜止同步補(bǔ)償器模式下運(yùn)行，提供30萬千乏的動(dòng)態(tài)可調(diào)無功，穩(wěn)定工頻交流母線電壓，降低交流系統(tǒng)故障誘發(fā)浙北、紹興換流站換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)，提升區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。該工程的成功投運(yùn)為將來建設(shè)更高電壓等級、更遠(yuǎn)輸送距離、更大傳輸容量的柔性低頻交流輸電系統(tǒng)積累了經(jīng)驗(yàn)。
中國工程院院士湯廣福近日在接受央視采訪時(shí)表示，柔性低頻交流輸電技術(shù)除了應(yīng)用于城市內(nèi)部電網(wǎng)互聯(lián)外，在中遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電送出、多島嶼互聯(lián)等場景也有著明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，無須建設(shè)和運(yùn)維大型海上平臺，整體施工時(shí)間更短、成本更低、效率更高。除此之外，該技術(shù)還可應(yīng)用于“沙戈荒”大型風(fēng)電光伏基地送出與西部廣域弱電網(wǎng)等場景，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的靈活調(diào)控及對工頻交流弱系統(tǒng)的主動(dòng)支撐，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性。
預(yù)計(jì)到2030年，我國海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)模將達(dá)9000萬千瓦，“沙戈荒”大型風(fēng)電光伏基地總體規(guī)劃規(guī)模將達(dá)4.55億千瓦。隨著新能源開發(fā)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，柔性低頻交流輸電技術(shù)有望得到更廣泛的應(yīng)用，為推動(dòng)我國能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供技術(shù)支撐。