國網浙江電力公司：以“柔”克剛 集納風光
來源：中國能源新聞網 時間：2024-12-13 15:45
徐梓沐
在電力系統中，柔性技術通常指靈活的電能變換與控制技術，它基于大功率、高性能的電力電子器件，可實現對電網電壓、電流、功率等各類參數的實時調節，具有可控性好、適應性強、響應速度快、智能化程度高等特點。
在浙江，多項柔性技術在近年被引入電網建設運行中——全球首個五端柔性直流輸電工程讓海島電網實現了“手拉手”，全國首個智能柔性直流配電網示范工程引領了綠色能源的高效利用，全國首個柔性低頻輸電示范工程實現了輸電方式的創新。柔性技術以其高效、靈活、可靠的特點，滿足著新能源逐年增加而產生的剛性消納需求。
五端柔直 連接海島
浙江省是用能大省，也是資源小省，三分之一的電力需要靠省外輸入，因此發掘本地電源資源十分重要。據統計，浙江近岸海域內擁有海島4300多個，居全國第一。此外，浙江的海岸線和海島岸線總長達6000多千米。得天獨厚的環境賦予了浙江豐富的可開發海上風能資源，2021—2035年期間，浙江省規劃裝機規模為1650萬千瓦。
然而，海洋的阻隔也給海上風電的傳輸出了一道難題。海洋上各島嶼之間，海洋與大陸之間的電力傳送亟需尋求性能更優，可控性更強的傳輸方式，柔性電力技術便派上了用場。2014年7月，舟山五端柔性直流輸電工程建成投運，將舟山群島中的定海、岱山、衢山、泗礁及洋山島等5個主要海島的電網“手拉手”連起來，實現了海島間新能源的靈活傳輸。
隨著新能源傳輸容量的增加，柔性直流輸電技術面臨優化的空間。傳統的柔性直流輸電技術需要在海上建立交流電轉直流電的轉換站，轉換站的規模相當龐大，占地面積約相當于一個足球場，高度可比肩15層高的居民樓，重達2.2萬噸。無論是在建設還是運維方面，這些轉換站都涉及巨額的投資和成本。
“在近海區域，風電的輸送主要依賴工頻交流輸電技術。然而，當風電場距離海岸線超過80公里時，由于交流輸電過程中的海纜無功功率大等問題影響，輸送能力嚴重受限。”國網浙江電科院電網技術中心副主任陸翌說。近年來，國網浙江電力正持續開展柔性電力技術的集中攻關，思考如何用好柔性直流輸電等創新技術，進一步發揮海洋資源作用，以產出更清潔、更優質的電能。
柔性低頻 海陸兩用
2019年，中國科學院院士陳維江提出了基于電力電子器件的柔性低頻交流輸電構想。此后，由國網浙江電力牽頭，聯合中國電力科學研究院、西安交通大學、合肥工業大學等10家單位共同開展“柔性低頻輸電關鍵技術”相關研究，為柔性低頻輸電示范工程建設奠定了基礎。
“柔性低頻交流輸電技術是一種采用電力電子技術將頻率降至50赫茲以下，再進行電能傳輸的新型交流輸電技術，具有低頻長距離輸送和柔性好互聯的技術優勢，通過降低頻率可降低線路阻抗，有效提升有功輸送能力和輸送距離。”陸翌介紹。
研究啟動以來，國網浙江電力按照“系統—設備”迭代優化的策略，先后掌握了柔性低頻輸電系統行為特性，并明確了設備性能要求，結合典型場景分別提出系統優化構建方案，研制了低頻系列裝備。
這一過程中，“確定20赫茲為工程頻率”的意義非常關鍵。“20赫茲的工程頻率，是我們兼顧經濟性與輸電能力后測算而來的。理論上，頻率過低會提升低頻變壓器的體積和重量，增加斷路器的分斷難度，從而提高設備成本。同時，頻率過高則會降低遠距離輸電能力。”陸翌介紹，經過層層計算驗證和仿真比對，國網浙江電力最終確定20赫茲輸電的適宜距離為離岸70千米至180千米的中遠海范圍內，在實現百萬千瓦風電全額送出時，比柔性直流輸電更具經濟性。
在臺州市大陳島上，海風吹動低頻風力發電機，綠色的風電便從小小的海島輸送至陸地上的電網。2022年6月，臺州35千伏柔性低頻輸電示范工程在浙江省臺州市投運，這是世界首套投入商業運行的低頻海上風電送出系統，有效驗證了海島風機源側低頻接入的技術先進性及風電柔性低頻送出技術的可行性。
“在臺州35千伏柔性低頻輸電示范工程施工中，我們對大陳島上原有兩臺1.1兆瓦的工頻風機進行了低頻改造，將風機發出20赫茲的電能，經升壓至35千伏后，通過27千米長的鹽場—大陳低頻海纜，送至35千伏鹽場低頻換流站，變頻為50赫茲后并入工頻系統。”國網臺州供電公司變電檢修中心副主任蔣旭介紹，投運至今，該工程已向陸地輸送海上風電超1600萬千瓦時，相比工頻輸電線損降低了1.2%。
2023年6月30日，杭州220千伏柔性低頻輸電示范工程投入運行，該工程額定傳輸容量30萬千瓦，是目前我國電壓等級最高、輸送容量最大的柔性低頻輸電工程。工程新建亭山、中埠2座低頻換流站，其中亭山站接入500千伏昇光供區，中埠站接入500千伏富陽供區，通過既有的亭中輸電線路實現了兩大供區柔性低頻互濟互聯。
“柔性低頻技術通過電力電子裝置控制，既具有與柔性直流輸電相似的功率控制、電壓動態調整、異步電網互聯等功能，又兼有交流輸電方式的電壓變換容易、組網便捷等優勢，在電網柔性互聯等場景下也具有明顯優勢。”陸翌介紹。
2023年5月末，浙江遭遇罕見高溫。在此期間，工程及時調配富陽供區的富余電力支援昇光供區，成功避免了昇光主變超負荷運行。截至目前，杭州220千伏柔性低頻輸電工程已在迎峰度夏、杭州亞運會中多次發揮重要作用，保障電力供應360萬千瓦時，并有效緩解電網斷面潮流超限問題，提升全省供電能力100萬千瓦，成為電網潮流調節的“有力武器”。
三步示范 陸續推廣
為推動柔性低頻輸電技術在更大范圍內得到推廣應用，國網浙江電力制定了“三步走”的示范工程計劃。首先，通過臺州35千伏柔性低頻輸電示范工程開展風電柔性低頻送出技術驗證;接著，通過杭州220千伏柔性低頻輸電工程開展高壓大容量成套裝備性能驗證；最后，開展大容量海上風電柔性低頻匯集送出系統驗證。
現階段，國網浙江電力正聯合浙江能源集團開展玉環2號海上風電場柔性低頻輸電工程建設。玉環2號海上風電場位于浙江省臺州市玉環海域，規劃裝機容量508兆瓦，采用工低頻混合方式送出，其中204兆瓦采用工頻輸電方案，304兆瓦采用低頻輸電方式送至陸上計量站。
“玉環2號海上風電場配備設置了一座220千伏工低頻共建海上升壓站，建設了3回工頻、5回低頻66千伏海纜，經工頻、低頻升壓變分別升壓至220千伏后，通過1回220千伏工頻海纜、一回220千伏低頻海纜送至陸上計量站和陸上換流站，經220千伏母線共同送出。”陸翌說，當前該工程已完成成套參數設計，預計2025年完成投運。
柔性低頻輸電技術作為一項創新的輸電技術，在浙江的新能源消納中展現出巨大的潛力和價值。借助柔性低頻輸電技術，只需要在內陸建設一座換流站即可實現海上風電的長距離輸送。這種技術比傳統工頻交流輸送距離更長，并且無需建設昂貴的海上換流平臺。
此外，近年來沿海島嶼間輸電通道資源越來越緊張，大城市里像蜘蛛網一樣的電網也需要更靈活、經濟地互相連接，互相幫助調節電能，讓電力供應更加穩定。柔性低頻輸電技術能夠通過降低電力的頻率減少電纜無功功率，從而在有限的廊道資源下提升電能輸送能力，并在多個大電源饋入的負荷中心實現低成本、安全的電網互聯，有效控制短路電流超標和減少連鎖故障的風險。
隨著技術的不斷成熟和應用的不斷推廣，柔性低頻輸電技術將為新能源的高質量發展提供強有力的支持，為全球能源轉型和可持續發展作出積極貢獻。
責任編輯：于學華
