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柔性低频交流输电从技术创新走向工程应用

北极星智能电网在线  来源:国家电网报    2023/8/8 16:08:38  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:核心提示 柔性低频交流输电技术能让新能源发电设备直接输出低频电能,实现广域组网与电力远距离送出。国网智研院牵头组建产学研用联合攻关团队,历经9年研发,掌握了柔性低频交流输电系统成套设计、低频装备研发与试验等核心技术,并在我国首批柔性低频输电示范工程中应用。

再过一个多月,杭州亚运会即将开幕。6月底投运的杭州220千伏柔性低频交流输电示范工程实现了杭州富阳、萧山两大负荷中心互联互通,为杭州亚运会主场馆所在区域提供30万千瓦的灵活电能支撑。这是当前我国电压等级最高、输送容量最大的柔性低频输电工程。

该工程采用的柔性低频交流输电技术是我国原创的输电技术,能够支撑中远距离海上风电和陆上边远地区新能源电量大规模高效汇集送出,保障国家能源安全供应,助力能源转型与“双碳”目标实现。该项技术还能促进西部新能源产业与区域经济发展,实现东西部平衡协同发展,推动形成低频输变电装备新产业,带来显著的经济与社会效益。

国网智能电网研究院有限公司作为国内最早从事柔性低频交流输电技术研究的科研单位,组建了由中国科学院院士陈维江担任首席科学家,西安交通大学、中国电科院、南瑞集团、国网浙江电力等单位技术骨干组成的产学研用联合攻关团队。攻关团队依托1项国家重点研发计划项目、4项国家自然基金项目、13项国家电网有限公司重点项目,历经9年研发,掌握了柔性低频交流输电系统-装备-试验核心技术,并成功应用于我国首批柔性低频输电示范工程。

勇闯技术无人区,创立柔性低频交流输电系统构建理论

“柔性低频交流输电借助电力电子技术,可以灵活选择0~50赫兹范围内的合适频率,频率低于工频,线路阻抗减小,线路压降和充电功率小,电缆载流量提高,可显著提升输电能力,同时具备电流过零开断、易组网的优势,并且新能源发电设备可直接输出低频电能,无须增加变频站。”国网智研院电力电子研究所柔性交流输电装备技术研究室主任陆振纲介绍道。

柔性低频交流输电通常采用电压源型换流器,实现交交换流,有功、无功可四象限运行,具备类似柔性直流输电的柔性调控能力,如潮流灵活调节、无功补偿、电压动态支撑等。

国网智研院牵头组建的柔性低频交流输电技术攻关团队创立了柔性低频交流输电系统构建理论,提出了计及系统运行方式最优、建设经济性最优的柔性低频交流输电频率优选方法,以及新能源组网形态与系统构建方法。团队还提出,柔性低频交流输电在70~250千米的海上风电送出场景中技术经济优势明显,并可实现“沙戈荒”大型风电光伏基地100千米半径广域组网以及500千米内优选并网点位置。

团队牵头承担了杭州220千伏柔性低频交流输电示范工程的成套设计和交交换流器、可控避雷器等核心装备研发,为工程成功投运打下了坚实基础。

研制高压大容量低频设备,实现柔性低频交流输电设备升级

交交换流器作为柔性低频交流输电系统的“心脏”,对柔性低频交流输电技术的推广应用有着至关重要的影响。国网智研院研制高压大容量模块化多电平交交换流阀,揭示了交流到交流的异频能量交互作用机理,并应用于杭州220千伏柔性低频交流输电示范工程,形成了核心装备的全自主知识产权体系。

同时,国网智研院攻克了低频电气设备关键技术,掌握了低频下外绝缘放电规律;攻克了低频电流长燃弧开断方法,解决了长燃弧烧蚀触头难题,大幅延长了低频断路器寿命;提出低频变压器等线圈类设备轻型化、紧凑化方案,满足了具有高温、高湿、高盐雾、高维护成本特点的海上风电场景应用需求;研制了低频可控避雷器,有效降低了系统操作过电压水平,为将来研制用于海上风电场景的耗能限压装置打下基础。

国网智研院电力电子研究所所长赵国亮介绍,依托国家重点研发计划“柔性低频输电关键技术”项目,攻关团队攻克了高压大容量柔性低频交流输电系统成套设计、关键设备设计及优化、控制保护等核心技术。在此基础上,团队形成了220千伏柔性交交换流器、低频变压器、低频快速断路器等一系列世界首台首套设备成果,抢占了全球柔性低频交流输电领域核心装备和关键技术制高点,为后续技术推广应用奠定了基础。

建设柔性低频交流输电工程,为实现大规模推广应用积累经验

目前,国网智研院已构建了柔性低频交流输电系统与装备试验检验体系,具有一流的设备试验、系统调试能力,可为柔性低频交流输电工程成功投运提供技术支撑。近年来,国网智研院参与建设了浙江台州海岛风电35千伏、杭州220千伏柔性低频输电示范工程,实现柔性低频交流输电系统与设备的实证验证。

台州海岛风电35千伏柔性低频交流输电示范工程于2022年6月投运。该工程改造了3台低频风机,通过全功率变流器直接输出20赫兹的低频交流电,满足柔性低频交流输电技术的电源侧要求;在低频变流器控制、低频并网技术、低频整机系统控制保护策略、低频建模与仿真技术、低频测试技术等方面取得重大突破,为海上风电柔性低频交流输电研发了关键技术装备,探索了实施路径。

杭州220千伏柔性低频交流输电示范工程实现了500千伏富阳和昇光变电站供区30万千瓦的柔性潮流互济,提升了电网事故支援能力,提高了亚运会场馆灵活供电能力。单站换流阀可在静止同步补偿器模式下运行,提供30万千乏的动态可调无功,稳定工频交流母线电压,降低交流系统故障诱发浙北、绍兴换流站换相失败的风险,提升区域电网安全稳定性。该工程的成功投运为将来建设更高电压等级、更远输送距离、更大传输容量的柔性低频交流输电系统积累了经验。

中国工程院院士汤广福近日在接受央视采访时表示,柔性低频交流输电技术除了应用于城市内部电网互联外,在中远距离海上风电送出、多岛屿互联等场景也有着明显的经济优势,无须建设和运维大型海上平台,整体施工时间更短、成本更低、效率更高。除此之外,该技术还可应用于“沙戈荒”大型风电光伏基地送出与西部广域弱电网等场景,实现并网点电压的灵活调控及对工频交流弱系统的主动支撑,提升电网稳定性。

预计到2030年,我国海上风电开发规模将达9000万千瓦,“沙戈荒”大型风电光伏基地总体规划规模将达4.55亿千瓦。随着新能源开发规模的持续扩大,柔性低频交流输电技术有望得到更广泛的应用,为推动我国能源转型、实现“双碳”目标提供技术支撑。


原标题:柔性低频交流输电从技术创新走向工程应用

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