當(dāng)前化石能源逐漸枯竭，環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重，眾多因素導(dǎo)致能源轉(zhuǎn)型成為國(guó)際熱議話題。開發(fā)利用清潔能源成為共識(shí)，靠近用戶端的分布式能源漸成燎原之勢(shì)，全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)迫在眉睫，所有這些都需要更遠(yuǎn)輸送距離、更高性能、更靈活可控制的電力傳輸手段，因此擁有超高電壓等級(jí)、超大容量的柔性直流輸電技術(shù)備受青睞。
日前，世界最大輸送容量、我國(guó)第一根±525kV交聯(lián)聚乙烯絕緣柔性直流電纜系統(tǒng)在中天科技研制成功。這不僅標(biāo)志著我國(guó)超高壓直流電纜技術(shù)躋身全球第一陣營(yíng)，更為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了更多可能，為輸電方式變革和構(gòu)建未來電網(wǎng)提供了一個(gè)嶄新的解決方案。
柔性直流輸電成未來電網(wǎng)發(fā)展方向
柔性直流輸電技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型直流輸電技術(shù)，它應(yīng)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)為電網(wǎng)提供靈活的控制手段，將半控型電力電子器件升級(jí)為全控型電力電子器件，響應(yīng)速度快、可控性好、運(yùn)行方式靈活。
隨著1997年第一個(gè)柔性直流輸電工程的出現(xiàn)，世界范圍內(nèi)關(guān)于柔性直流輸電的研究一直處于十分活躍的狀態(tài)。國(guó)內(nèi)關(guān)于柔性直流輸電技術(shù)的研究雖然開始的比較晚，但發(fā)展迅猛。
2011年，上海市電力公司建設(shè)的上海南匯風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電工程投運(yùn)，這是亞洲首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的柔直工程，直流電壓±30千伏，換流站容量18兆瓦。
2013年，廣東南澳±160千伏多端柔性直流輸電示范工程投運(yùn)，該工程攻克了多端柔性直流輸電控制保護(hù)這一世界難題，使我國(guó)在世界上率先掌握了多端柔性直流輸電成套設(shè)計(jì)、建設(shè)、調(diào)試和運(yùn)行全系列核心技術(shù)，站在了世界輸電技術(shù)的最前沿。
2014年，國(guó)家電網(wǎng)公司在浙江舟山建設(shè)了世界首個(gè)五端柔性直流輸電工程，采用±200千伏直流電壓，分別在定海、岱山、衢山、洋山、泗礁建設(shè)一座換流站，實(shí)現(xiàn)多個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)同時(shí)接入和電力輸送。
2015年，世界首個(gè)雙極柔性直流輸電工程——廈門±320千伏柔性直流輸電科技示范工程正式投運(yùn)，標(biāo)志著我國(guó)全面掌握了高壓大容量柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)和工程成套能力，實(shí)現(xiàn)了柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際引領(lǐng)。該工程在浙江舟山±200千伏柔性直流工程的應(yīng)用基礎(chǔ)上，將電壓等級(jí)首次提升至±320千伏，從偽雙極提升至真雙極接線。
從上海南匯風(fēng)電場(chǎng)到廣東汕頭南澳島，從浙江舟山五端柔直再到廈門320千伏雙極柔直，標(biāo)志著我國(guó)全面掌握了高壓大容量柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)和工程成套能力，我國(guó)柔性直流輸電正在快速向高電壓、大容量、多端、雙極等多個(gè)研究方向開展實(shí)踐和探索，柔性直流輸電技術(shù)逐漸成為未來電網(wǎng)形態(tài)重要的發(fā)展方向。
我國(guó)超高壓直流電纜技術(shù)躋身全球第一陣營(yíng)
我國(guó)柔性直流輸電技術(shù)建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展階段，與此同時(shí)，可關(guān)斷器件、直流電纜制造水平也邁上了新臺(tái)階。
近年來，我國(guó)超、特高壓技術(shù)不斷走出國(guó)門并在國(guó)際市場(chǎng)獲得認(rèn)可，與此同時(shí)，超、特高壓關(guān)鍵設(shè)備制造技術(shù)還掌握在國(guó)外巨頭手中，尤其是直流輸電技術(shù)的連接技術(shù)，我國(guó)迫切需要突破直流電纜技術(shù)發(fā)展瓶頸。
世界最大輸送容量、我國(guó)第一根±525kV交聯(lián)聚乙烯絕緣柔性直流電纜系統(tǒng)的成功，是中天科技繼成功研制±160kV、±200kV和±320kV直流電纜，及500kV交流海底電纜后的又一突破性創(chuàng)新，也標(biāo)志著中國(guó)超高壓直流電纜技術(shù)與歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家處于同一先進(jìn)水平。
江蘇中天科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱中天科技）是中國(guó)企業(yè)500強(qiáng)，起家于光纖通信，隨著國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，并經(jīng)過兩次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，現(xiàn)已形成通信、電力、新能源、海洋系統(tǒng)、新材料和精工裝備等多元產(chǎn)業(yè)格局。本次研制成功的±525kV柔性直流電纜系統(tǒng)是由中天科技股份有限公司全資子公司中天科技海纜有限公司自主完成的，在此之前，中天海纜還參與過國(guó)家三項(xiàng)柔直工程的直流海纜和直流陸纜的研制工作?！?25kV柔性直流電纜是在實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高壓直流電纜從±160kV到±200kV再到±320kV的“三級(jí)跳”之后的又一次自我超越。
中天科技研究院院長(zhǎng)兼海纜研究所所長(zhǎng)謝書鴻介紹說，公司決策層于2015年底決定啟動(dòng)研制工作，與上海交通大學(xué)、上海電纜研究所、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院、長(zhǎng)纜電工等建立產(chǎn)、學(xué)、研、用研發(fā)機(jī)制，經(jīng)過一年半的刻苦攻關(guān)，終于在2017年7月順利通過國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的全性能型式試驗(yàn)。
±525kV柔性直流電纜的創(chuàng)新及意義
據(jù)南方電網(wǎng)科學(xué)研究院高級(jí)技術(shù)專家傅明利博士介紹，目前只有瑞典、意大利、挪威、日本等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的電纜行業(yè)巨頭掌握了±525kV直流電纜系統(tǒng)技術(shù)，但產(chǎn)品研制成功后也還沒有完整的系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際工程中。但隨著歐洲、美國(guó)等電力公司海上風(fēng)電的發(fā)展，以及以柔性直流輸電為骨干的超級(jí)電網(wǎng)的規(guī)劃，為高壓直流電纜提供了巨大的市場(chǎng)前景。
傅明利博士認(rèn)為，當(dāng)中國(guó)的電力設(shè)備尤其是超高壓、特高壓直流輸電設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)像中國(guó)高鐵技術(shù)一樣成為中國(guó)名片的時(shí)候，恰恰我們?nèi)鄙僖粋€(gè)關(guān)鍵技術(shù)，直流輸電技術(shù)的連接技術(shù)，這次的重大突破對(duì)超、特高壓直流輸電走出國(guó)門，參與國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)具有非常重大的意義。
中天科技此次開發(fā)的±525kV柔性直流電纜代表國(guó)內(nèi)擠包絕緣直流電纜的最高水平，主要有四大創(chuàng)新：
一是自主開發(fā)研制成功目前世界上最大的截面達(dá)3000mm2的型線阻水導(dǎo)體，這又開辟了一種新型電纜導(dǎo)體技術(shù)，電壓等級(jí)最高達(dá)525kV，是國(guó)內(nèi)最高的；
二是輸電容量可達(dá)3000MW，比目前運(yùn)行的±320kV直流電纜容量提升了135%，是世界一流的；
三是實(shí)現(xiàn)電力傳輸+光纖通信+同步測(cè)溫的光電一體化功能；
四是超大尺寸電纜新型金屬屏蔽結(jié)構(gòu)的工藝突破，使得本次研發(fā)的±525kV直流電纜外徑比相同電壓等級(jí)和規(guī)格的皺紋鋁套型電纜減小了10%。
全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院電工新材料研究所級(jí)高工陳新認(rèn)為，±525kV直流電纜系統(tǒng)的成功不僅推進(jìn)了國(guó)產(chǎn)直流裝備的研發(fā)技術(shù)水平，打破了未來真正全球能源互聯(lián)的技術(shù)瓶頸，也為更高電壓等級(jí)的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，具有現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于國(guó)內(nèi)直流裝備真正走出去特別是走向高端市場(chǎng)打下了一個(gè)非常好的基礎(chǔ)，柔直裝備想要走出去，沒有電纜作為輔助和支撐的話是非常難的。
柔性直流電纜前景分析
柔性直流輸電系統(tǒng)可以快速跟蹤交直流電網(wǎng)各類參數(shù)的變化并根據(jù)指定的控制策略迅速做出相應(yīng)調(diào)整。這種調(diào)整不僅迅速，而且平滑，對(duì)系統(tǒng)的影響較小。
與傳統(tǒng)直流輸電相比，柔性直流輸電的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在孤島供電、有功功率與無功功率控制等方面。如在孤島供電中，常規(guī)直流輸電是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單向輸電，不能實(shí)現(xiàn)雙向互通，因此不能向沒有電源點(diǎn)的電網(wǎng)送電；采用柔直輸電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電能靈活雙向調(diào)配，直接向無電源電網(wǎng)供電。在有功和無功控制方面，可以對(duì)有功和無功功率進(jìn)行獨(dú)立控制，不再需要配置容量巨大的無功補(bǔ)償裝置，運(yùn)行方式更加靈活，系統(tǒng)可控性獲得了極大的提升。
與交流輸電相比，柔性直流輸電的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在長(zhǎng)距離輸電、新能源消納、成本控制等方面。如在長(zhǎng)距離電纜輸電中，交流電纜越長(zhǎng)，電能損耗越高，輸送的有效電能越少，而柔性直流輸電即使到末端，其電能都是恒定的。更為重要的是，柔性直流輸電可攜帶來自多個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)能、太陽能等清潔能源，通過大容量、長(zhǎng)距離的電力傳輸通道，到達(dá)多個(gè)城市的負(fù)荷中心，這為新能源并網(wǎng)、大城市供電等領(lǐng)域提供了一種有效的解決方案。
鑒于柔性直流輸電技術(shù)特點(diǎn),由其構(gòu)成的系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于可再生能源接入、孤島供電、城市供電、能源互聯(lián)、分布式等領(lǐng)域。隨著新能源的快速發(fā)展，全球?qū)θ嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求。
可再生能源接入
未來風(fēng)電、光伏等清潔能源占比將會(huì)逐漸提高，采用柔性直流輸電技術(shù)來進(jìn)行風(fēng)電、太陽能等功率輸出波動(dòng)較大的可再生能源接入,可以緩解由可再生能源輸出功率波動(dòng)引起的電壓波動(dòng),改善電能質(zhì)量。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),柔性直流輸電系統(tǒng)能夠有效地隔離故障,保證風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
海上風(fēng)電
拿國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電市場(chǎng)來說，《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確指出，到2020年，風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到2.1億千瓦以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到500萬千瓦以上，而2016年我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量?jī)H僅增加了59萬千瓦，這預(yù)示著“十三五”期間，海上風(fēng)電擁有很大市場(chǎng)。國(guó)際市場(chǎng)來看，歐洲多島國(guó)，歐洲電網(wǎng)的海上風(fēng)電需求大，且歐洲風(fēng)電機(jī)組較大，因此，海上風(fēng)電場(chǎng)輸出電力時(shí)，就需要更高電壓等級(jí)、更大容量的電纜。據(jù)CIGRE測(cè)算,在距離大陸60km以上的海上風(fēng)電場(chǎng),柔性直流輸電系統(tǒng)是唯一技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)上可接受的解決方案。
全球能源互聯(lián)網(wǎng)
構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)施清潔替代和電能替代，提高電氣化水平，讓化石能源回歸原材料屬性，是解決當(dāng)前世界能源資源緊張、環(huán)境污染、氣候變化等問題的根本途徑。目前構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)條件已經(jīng)具備，我國(guó)特高壓交直流技術(shù)趨于成熟，尤其是全球能源互聯(lián)網(wǎng)需要遠(yuǎn)距離輸電，因此，發(fā)展超、特高壓直流輸電技術(shù)是解決遠(yuǎn)距離大容量電能輸送問題的有效手段。
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