柔性直流輸電和直流電網技術發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
發(fā)布時間：2015-03-30 09:15 來源：華電國威
現(xiàn)在大家都說可再生能源如果比例超過50%，德國、英國、歐盟在2050年，可再生能源的比例要達到80%，我們現(xiàn)在的電網行嗎?現(xiàn)在的電網對可再生能源相對間歇式能源具有沖擊性，我們現(xiàn)在的電網不是特別的友好，最好的技術，未來的輸電技術是柔性直流和直流電網技術。今天就柔性直流輸電和直流電網技術發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)做一個陳述。
第一，輸電技術的發(fā)展歷程。
一百年前，交直流之爭，交流戰(zhàn)勝了直流，現(xiàn)在一百多年主要是交流的輸送方式，但是交流電網越建越大，輸送范圍受限，輸電走廊占用大，對新能源的接納非常有限。
直流輸電發(fā)展了40多年，廣泛應用于點對點遠距離大容量輸電，需要非常強的交流系統(tǒng)支撐，不宜構成多端，也不能構網。
1999年出現(xiàn)了電壓運行的叫柔性直流，這個技術是未來電網形態(tài)重要的發(fā)展方向，它非常容易構成多端、構成電網，所以這個技術，目前來說是新能源技術最友好的技術。
我們看看這張表，交直流對比，現(xiàn)在的直流技術無功不存在，穩(wěn)定性也很高，不存在不穩(wěn)定，同步也不存在，輸送距離理論上是無限的，分布式能源接納是最友好的，特別是電壓源的，這些恰恰都是交流輸電的缺點，是根本固有的。現(xiàn)代直流技術它的故障上升率，電壓變換難度，這些困難在五到十年都能夠解決，現(xiàn)代直流技術克服了交流輸電技術固有的這些缺點，它是未來發(fā)展的重要發(fā)展方向。
我們想象一下直流輸電技術，一種是傳統(tǒng)直流和電壓源的混合，受端不存在換向失敗問題。還有是從發(fā)電到用電全部是直流，回到一百年前，一百年前技術不行，沒有電離電子技術，現(xiàn)在有了這些技術，百年前的夢想都能成為現(xiàn)實。
第二，柔性直流輸電技術。
柔性直流主要是基于IGBT新一代輸電技術，改變了以前所有輸電技術的特點，它可以獨立運行，以前交流傳輸只能傳輸有功，而且線路充電無功，原來的直流只能傳送有功，無功要進行無功補償，本身的換流站，換流器能獨立傳輸無功，所以有功和無功都能快速運行，而且獨立可控。目前是遠距離海上風電的唯一選擇，傳統(tǒng)直流不行，有換向失敗的問題，交流充電無功不行，另外它可以構建多端和直流網絡最佳的手段。無源、孤島供電，大型城市供電，現(xiàn)在城市都是電線桿緊城，將來電線桿怎么都下地，直流一旦進入，一百公里都沒問題，我們理想中的城中心就不需要建變電站了。
柔性直流1999年發(fā)展到現(xiàn)在，技術發(fā)展很快，一直到2011年，前面都是ABB在發(fā)展這個技術，在拓撲的技術上，損耗上有很大的制約。ABB、西門子、阿爾斯通，中國從2009年開始啟動一系列的研究，到目前來說，在中國的發(fā)展速度非常快，起步晚，但是起點很高。
柔性直流的現(xiàn)狀，1999年世界是第一條，2011年我國是第一條，截至2013年，已投運工程16條，最大的是40萬，200千伏。但是現(xiàn)在啟動在建的最小的是40萬，就是說技術發(fā)展速度非常快。目前世界三端直流南澳的已經在運行，多端的世界上只有兩條，舟山五端，美國三端。整個系統(tǒng)參數(shù)，目前已經投運的是這樣的現(xiàn)狀。
我們國家從2006年開始啟動基礎理論，從起步到幾萬、幾十萬到百萬的發(fā)展方式。我們國家建的第一條上海柔直，容量很小，是一個示范，亞洲第一條，世界上第一個模塊化接入的，也是世界上低損耗的模塊化技術，已經納入了國際搭建風電接入的標準模式案例。我們已經建成了兩個多端，一個是南澳三端，最大一端容量是20萬，國家電網公司的舟山是五端，正負兩百千伏，最大的一端是40萬，舟山的總容量是100萬，這是新能源和交直流混合良好的發(fā)展方式。
現(xiàn)在在建的是廈門工程，這是世界上容量最大的，一千兆瓦，320千伏，主要是廈門島供電，提高它的輸送容量的比率，整個容量翻了好幾倍，目前在建，預計在明年5月份要建成。今年在國際大電網會議上，中國的建設速度引起了很高的反響。
第三，直流電網技術。
跟前面說到的多端還不是一個概念，直流是真正構成網絡。歐洲為了適合新能源，推出他雄心勃勃的計劃，歐盟2012年形成了法案，歐盟的目標是2020年可再生能源要達到35%，以德國、英國為代表，2020年要達到80%，他雄心勃勃要再造電網，就是超級電網，相當于再造一個以直流電網為主的跨北歐、中東，風、太陽能、水，包括波浪能整個超級電網，這個已經變成了他的行動計劃一步步在實施。
這個是英國的案例，英國在深海，最遠的近一百公里了。這是德國再造一個國內的主干網。為了配合這個，國際大電網組織已經成立了六個工作組，今年又將啟動六個工作組，啟動一系列的研究，我們國家相關科研單位，各項基金都在支持這方面開展研究。歐洲的超級電網整個計劃的進程，預計在十年之內，至少有20條，他的電網初步就要建成了。目前我們也在跟蹤這樣的歐洲直流電網的建設，應該說可以看到他們這一塊兒，每個柔直現(xiàn)在歐盟是補貼的，任何一條柔性直流工程的建設，在構網之前補貼10-15%，推動可再生能源并網。
這是英國和挪威的一個案例，2015年到2018年點對點的，現(xiàn)在稍微有一年左右的滯后。第二階段2018年到2020年，先構成多端。2020年到2022年，構成直流的網絡。第四個階段，再加上直流變壓，國家之間全部采用海底電纜，柔性直流，從岸上再進行交流的轉換。
第四：發(fā)展趨勢。
未來發(fā)展趨勢，未來整個發(fā)展，一個是器件水平，電力電子器件，另外就是推動了容量發(fā)展，目前在建最大的是輸電工程正負兩百千伏，五百兆瓦，這是最高電壓等級，五百千伏，一千五百兆瓦，這個在規(guī)劃，應該說整個容量，英國規(guī)劃的是兩千兆瓦，兩百萬，四百千伏或者五百千伏，以五百千伏為主干網架。
對于我們國家來說，目前必須是強交流的支撐，強交、強直來支撐，這種常規(guī)來地域換向失敗是根本性的，不可克服的，在未來的電力電子器件的發(fā)展，未來十年到二十年，可能對受端進行類似的改造，采用電壓源，根本性用柔性直流解決換向失敗問題。另外整個送端構建一個柔性直流的超級電網，由特高壓送到東部。對于城市電網，像北京市的地圖，近30個變電站，未來二三十年，變電站全部在七環(huán)外就可以了，不需要在城里建變電站，直流供電半徑不存在距離問題。柔性直流的趨勢，是多端直流的網絡。
面臨的挑戰(zhàn)，一個是基礎理論，另外就是器件，容量、電壓等級不斷提升，碳化硅革命性的變革，這些都是未來電網面臨的革命性的技術。還有就是拓撲技術，現(xiàn)在是電纜應用，拓撲系統(tǒng)有各種各樣的組合方式，把容量、電壓等級提升，能夠在十年左右的時間，到二十年，能夠替代現(xiàn)在的常規(guī)直流。柔性直流電纜現(xiàn)在ABB已經發(fā)布，525千伏，2600安培的直流電纜已經出來了，我們國家要緊追，我們也在歐洲院啟動直流電纜的研究和開發(fā)。
高壓直流斷路器，這個研發(fā)成功預示著直流電網可以開始構建，國網智研院今年年底200千伏，實現(xiàn)三個毫秒的斷路器將研制成功，通過所有形式的實驗，今年年底也要發(fā)布。
另外就是系統(tǒng)可靠性，常規(guī)直流的可靠性已經經過幾十年經驗的實踐，雙極閉鎖十年才允許一次，應該說柔性直流的可靠性遠遠達不到常規(guī)直流的可靠性，所以這都是未來的方向和機遇。
總體來說，隨著我國區(qū)域性新能源并網和消納，海上資源的開發(fā)，城市電網的升級等方面，柔性直流技術是非常有效的技術手段。特別是可開斷器件，直流電纜制造水平的不斷提高，柔性直流將成為未來直流電網中最主要的輸電方式。預計在未來十到十五年，世界范圍內將有望建成以柔性直流為主，這主要在歐洲的超級電網，在未來十到十五年就會建成了。
