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国内柔直技术领先
据北极星风力发电网统计,目前国内已建成/在建10余个柔性直流输电项目,尤其在陆上电力传输领域,柔性直流输电已经进入特高压时代,技术处于世界领先水平。
国内海、陆柔直输电工程(北极星风力发电网不完全统计)事实上,柔直输电并非风电等可再生能源电力传输的专属技术,因为在远距离大规模传输上,较交流输电而言,一方面直流输电可以采用两相输电,减少电缆使用,谐波较少,无需交流谐波装置,从而大幅降低输电工程成本;另一方面,“柔性”顾名思义为“灵活、可控”之义,柔性直流输电较高的可控能力和适应性,也将更好地促进新能源控制与并网需求,成为新能源远距离、大规模输电的首选。也正是在海上风电高速发展且迈入深水远岸的场景下,近年来国内海上风电柔直送出工程进入快速发展阶段。
关键核心装备突破
一般而言,柔性直流输电关键技术涵盖系统研究与设计、模块化换流平台与控制保护等关键环节。
其中,换流平台由上部组块和下部导管架基础两部分组成。面对深远海建设需求,如何降低平台重量,增强载荷能力,就成为换流平台需首要考虑的因素。尤其在海上平台“寸土寸金”的结构下,核心设备本身的可靠性能和紧凑化设计,成为柔直工程能否实现真正“经济性”的关键。
以三峡如东800MW(H6、H10)海上风电场、亚洲首个海上柔性直流输电工程为例,作为换流平台的核心设备之一,输电过程中的整流和逆变过程均通过换流阀完成,换流阀的制造水平直接影响着电能质量水平。
据了解,作为三峡如东柔直项目的换流阀供应商,许继电气成为国内首家成功解决柔直换流阀适海性问题的供应商。
此外,特变电工为该工程提供了海上变压器,并联合其他供应商合力采用轻型化、紧凑化等优化设计,打造紧凑化一次设备;中天科技承制了该工程的±400kV直流海缆及风电施工。可以说,该工程汇聚许继电气、特变电工、中天科技等国内领先供应商,在涉及多个环节和领域上的设备和方案的首次创新运用,为国内海上风电深远海大规模开发提供了关键解决方案,也为深远海风电柔直工程提供了很好的借鉴和标杆示范。
事实上,自新能源柔直市场扩大以来,国内供应商已迅速加大该领域的技术创新和攻关力度,特变电工就是其中之一。据了解,特变电工是首次将柔性直流技术从±500千伏提高到±800千伏特高压等级的企业,开创了特高压柔性直流输电的新时代。2020年,其研制的±800kV特高压柔性直流换流阀成功运用于“乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程”中,并稳定运行至今。
在海上风电柔直领域,2023年3月4日,由特变电工新能源公司研制的“6.5kV国产化分体式驱动IGCT半桥换流阀组件”产品,成功通过中国机械联合会组织的专家技术鉴定,标志着特变电工已经具备“国产化IGCT柔性直流输电换流阀”工程应用能力。
此外,柔性直流海缆以长距离输电中输送容量更大、输送距离更远、汇集输送时灵活程度和扩展程度较高、输电线路数量更少、海域资源占用较少等优点,也是柔直工程的重要装备之一。
据悉,面对深远海、大容量海上风电输电系统解决方案,国内海缆龙头企业中天科技也形成了±525kV直流海缆:±400kV直流海缆:以及66kV、35kV动态海缆的产品布局。
未来趋势
从深远海风电的发展需求结合柔直输电关键技术来看,海上换流平台轻量化、集成化设计、系统设计优化、控制保护系统升级将是未来深远海柔直输电的主要技术趋势。
当前,国内海上换流平台主体重量一般为1万-2万吨左右,三峡如东项目所建成的亚洲首座海上换流站总重量高达22000吨。
而据欧洲风电市场上的一则消息,全球最大3.6GW的Dogger Bank海上风场将建设全球首个“无人值守海上高压换流平台(HVDC),获得该HVDC平台总包合同的挪威油气公司Aibel表示,无人值守的平台将省去居住场所、直升机平台、污水处理系统,最终使平台单位千瓦重量比过去减少70%,可节省数亿元投资。
所以,物理上简化海上平台的重量,依托集成化、轻量化设计,一方面将大幅降低平台成本,另一方面也在增强载荷能力、提升平台稳定可靠性上大有裨益。
同时,海上升压站和海上换流站先天具有集成的基础,如两者均需匹配风电场规模,且在功能上有一定的重复,推动两者在系统设计阶段进行整体规划,将是未来发展趋势之一。
在设计、制造、安装和调试等方面,海上直流平台远比交流平台复杂。因此,数字化和智能化技术的在柔性输电系统中的运用,也将显著提高系统的可用率和运维水平。
尤其是作为直流输电“大脑”的控制保护系统,其控制单元上万个、控制逻辑复杂、控制周期短、保护速度快,仍需加强数字孪生、AI等新一代数字技术的应用,以实现远程海上平台运行状态的跟踪和管控,支持快速精准的检修作业。
未来,随着深远海风电装机容量的大幅提升,以及国家“双碳”目标的持续推进,柔性直流输电技术以其独特的控制能力和灵活性特征,将成为大规模可再生能源送出消纳、推进沿海省区市实现能源经济绿色转型的有力手段,应用前景必然愈加广阔。
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