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南方电网 张怿宁:直流输配电助力新能源消纳 助力构建新型电力系统

北极星输配电网  来源:北极星输配电网  作者:张怿宁  2021/6/29 16:46:02  我要投稿  

北极星输配电网讯:化石能源消费一直是碳排放的最主要来源,实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标,能源是“主战场”,电力是“主力军”。电力行业的碳达峰、碳中和进度将直接影响“双碳”目标实现的进度。

构建以新能源为主体的新型电力系统,是推动电力清洁低碳发展的必然选择。在此背景下,针对大规模清洁能源并网、传输、消纳等问题,高压直流输电、直流配用电、直流微网相较传统的交流输配电技术更具经济性、稳定性、可靠性。因此,直流输配电将是进一步提升清洁能源利用率、充分满足未来电力需求、助力新型电力系统建设的必要手段。

作者:张怿宁(南方电网超高压公司修试中心)

一、直流输电成为清洁能源输送的主要方式

南方电网制定“十四五”电力发展规划,支持新能源大规模接入。到2025年,具备支撑新能源新增装机1亿千瓦以上的接入消纳能力,非化石能源占比达到60%以上;到2030年,具备支撑新能源再新增装机1亿千瓦以上的接入消纳能力,推动新能源成为南方区域第一大电源,非化石能源占比达到65%以上。高压直流输电成为水电、风电、核电等清洁能源电力的主要传输方式。

1、水电传输

我国“西电东送”工程把西部省区丰富的清洁能源转化成电力资源,输送到电力紧缺的东部沿海地区或负荷较集中区域。“西电东送”通道距离长,适宜采用常规高压直流输电方式,相对于传统的交流输电具有更高的经济性。

2、风电传输

发展风电是我国能源结构转型的重要战略支撑,需要采取“集中开发、远距离输送”与“分布式开发、就地消纳”并举的模式,来应对出现的供需矛盾。

一般认为,架空线路超过600-800km,电缆线路超过40-60km时,直流输电较交流输电更具经济性。与传统输电方式相对比,柔性直流输电技术凭借其控制灵活、便于组网、谐波含量低、无换相失败、换流站间无需通信等优点,在高压大容量输电、大规模风电场并网、孤岛供电、异步互联等方面具有较强的技术优势。因此,远距离陆上风电和远距离海上风电更适合采用柔性直流输电方式,这也是改变大电网发展格局的战略选择。

3、核电传输

核电是我国今后电源结构调整的主攻方向,其在电力系统中所占的比重将越来越大。截至2020年9月,我国投入运行的核电机组共49台,装机容量达5102.7万千瓦。需要注意的是,核电事故的危害十分巨大,历史上发生的十几起核电事故,都导致了大面积的核污染和人员伤亡。因此,核电更适宜建设在偏僻荒芜的地区,采用高压直流输电的方式将电能送出。

二、直流配电逐步成为新能源的消纳方式

随着新能源的大量并网,最大化消纳新能源将是电网运行长期面临的一项艰巨任务,也是未来电力现货市场的核心目标。建立网源协调机制,充分挖掘潜力,优化市场规则,提升消纳能力,是适应新能源快速发展形势亟待解决的问题。我国各区域的资源分布、装机、负荷特性均存在一定的差异及互补性,采取集中式、分布式相结合,并创新直流建筑用电模式,协同消纳潜力巨大。

1、集中式清洁能源电力的消纳方式

集中式清洁能源电站装机容量较大,出力更易调控,保护配置完备,相比分布式电源,在电网支撑性上有很大优势,逐渐成为电网发展的重要组成部分。推进集中式清洁能源发电的技术应用,降低发电出力随机性,对于大型水电、核电,可由直流输电经逆变后接入电网。

2、分布式新能源电力的消纳方式

常见的分布式电源主要有光伏电池、燃料电池、风力机等。南方电网“十四五”电力发展规划将重点推进云南大滇中地区以及贵州黔西、黔西北地区等新能源工程的建设,支持分布式新能源的接入。到2025年,南方电网计划实现新增5600万千瓦以上的光伏接入。

直流配电网线损小、可靠性高,且不涉及相位、频率控制和无功功率等问题,同时,接纳分布式电源的能力较强,为分布式电源的大量接入提供了有利条件。分布式电源产生的电能为直流电(或经过简单整流后即可变为直流电),因此,分布式电源并入直流配电网将节省大量的换流环节,具有显著的经济性。

3、直流建筑用电新模式

各种建筑用电装置的发展和技术进步的方向均为由交流驱动转为直流驱动,如光伏和蓄电池即要求直流接入,而建筑用电系统中不断地进行交流和直流间的转换,多次转换就要重复地接入转换装置,不仅增加设备投入和增加故障点,还造成接近10%的转换损失。

目前,电力电子器件可以实现高效可靠的直流/直流变压和直流开关。对1千瓦以内的小功率装置,其成本已低于交流变压器;对1兆瓦以内的装置,其成本也在可接受范围内,且目前这些器件成本都在按照摩尔定律的规律发展。建筑内的直流微网通过智能控制,可以有效吸收负载瞬态变化的冲击,维持系统的稳定可靠。因此,当前的技术条件已满足建筑内采用直流供配电系统的要求,并兼具稳定性、可靠性、经济性。

三、结语

新能源电力的输送和消纳是建设新型电力系统的重要组成部分。对于大规模清洁能源电力,例如水电、核电、远海风电等,适宜采用高压直流输电的方式,经逆变后接入交流电力系统;对于分布分散式新能源电力,例如光伏、陆上风电等,适宜直接接入直流配电网,节省大量的换流环节,具有显著的经济性;另外,直流建筑用电模式也是消纳分布式新能源的一种创新方式,有可能成为新建建筑和既有建筑改造需要重点考虑的内容之一。

作者简介:张怿宁,男,教授级高级工程师,工学博士,主要从事超高压交、直流输电系统自动化,故障测距,继电保护与控制的研究、仿真和检修工作。


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