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先进输电技术创新与实践

2015-07-21 00:08
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  一、先进输电技术概述

  人们对电力的应用和认识以及电力科学技术的发展都是首先从直流电开始的。早期直流输电存在电压变换、功率提升困难,电机有刷换相、串联运行可靠性低等问题。1895年,美国尼亚加拉复合电力系统建成,确立了交流输电的主导地位。

  由于交流输电技术具有电压变换容易、易于实现多落点受电、电流存在自然过零点、大电流开断易于实现等优势。20世纪初,交流系统开始迅速发展。100多年来,交流输电电压由最初的13.8kV逐步发展到35、66、110、220、330、400、500、750、1000kV等水平。

  但是,随着广域交流大电网的形成,交流电网的技术问题也不断涌现,世界范围内大电网事故不断发生:同步问题;稳定性问题;输电距离问题;输电效率问题;输电走廊问题。因此,我们不禁要问,交流输电系统是否是未来电能输送的唯一技术手段?

  由于交流输电技术存在着一些无法客服的固有缺陷,而现代直流输电技术则克服了交流输电技术的一些固有缺陷。随着换流器技术的发展,柔性直流输电工程的电压等级和容量迅速增大。另外,不断降低的系统损耗和造价极大促进了柔性直流工程的应用。

  随着电力电子等技术的发展,制约现代直流输电发展的主要技术难题,有望在未来3~10年内得到解决。未来直流输电技术构想有两种方式,交-直-交和直-直-直。

  我国能源与负荷逆向分布决定了远距离、大容量输电是我国电网发展的长期战略。跨区输电需求的增加和环境承载能力的下降,对输电效率和资源利用水平提出了更高的要求。

  我国已建成世界上规模最大、最复杂的电网,可再生能源的大规模开发利用将进一步加剧电网的复杂性和控制难度,亟需提高电网的安全性、灵活性和可控性。

  开展先进输电技术研究,即在传统输电技术基础上,发展输电理论,创新输电方式,通过提高电压等级、转换电能形式等手段,实现电能的高效、环保、智能、远距离传输。

  以电力电子技术为代表的先进输电技术,主要开展以下四方面研究:1)超特高压灵活交流输电技术,提高交流线路输送容量、提升电网的运行灵活性和安全稳定水平;2)特高压直流输电技术,可将万兆瓦级电能高效输送至两千公里以外;3)柔性直流输电技术,可控度最高最灵活的新型输电方式;4)直流电网技术,新一代电网架构方式,提高可再生能源利用效率。

  二、超特高压灵活交流输电技术

  灵活交流输电(FACTS)采用电力电子装置和控制技术对系统主要参数,如电压、电流、相位、功率和阻抗等进行灵活控制,增强系统稳定性和安全性。

  可控串补装置(TCSC)是用于提高交流输电线路输送能力和增强系统稳定性的电力电子装置。该装置串联于交流输电线路中,通过调节两组反向并联晶闸管阀的触发角使TCSC提供连续平滑的等效电容补偿。TCSC中晶闸管阀采用多级串联压接技术,需要准确触发晶闸管,要求晶闸管不仅耐压高,耐受dv/dt能力强,还要触发延迟小,串联一致性高。

  静止同步无功补偿器(STATCOM)是利用全控器件变流器产生与电网频率相同的交流电压,通过调控变流器输出电压的大小,向电网输出或从电网输入可控的无功,应用中通过变压器并联于系统。STATCOM需要通过控制全控器件调节电压大小、频率及相位,要求器件的开通关断速度快,损耗低。装置采用多级模块式IGBT连接,在高电压等级下体积大,未来若采用耐压等级高的器件或压接式IGBT,能够大幅减小体积。

  统一潮流控制器(UPFC)能够同时统一控制或有选择的控制影响线路有功和无功潮流的所有参数(电压、阻抗和相位角),是解决电力传输诸多问题的提供了灵活、快捷、多功能的控制装置。UPFC是利用全控器件实现对VSC阀组改进行控制,改变两个变流器的运行状态,要求构成的VSC阀组要求器件的耐压等级高,器件损耗低,可靠性高。

  1、经过我国科研人员持续20余年的研发积累,现在中国已经引领了灵活交流输电技术的发展。

  2004年前,我国灵活交流输电装备全部依赖进口、应用不足10套;目前,我们已解决了大容量阀组件串联同步触发、高电位取能、多状态脉冲编码等难题;提出了多目标协调控制、过电压与主动绝缘配合等方法,建立了灵活交流输电系统分析、成套设计、核心装置研制等完整技术体系;突破500kV等级SVC、TCSC、STATACOM、CSR、FCL等灵活交流输电装置共性技术。

  2、完成四大类FACTS装备的首台/套研制,并实现了示范应用。

  1)静止无功补偿:2004年,我国首套自主知识产权输电网用静止无功补偿装置(辽宁鞍山);2008年,世界首套500kV直流融冰兼SVC装置(湖南益阳)。

  2)可控串联补偿:2004年,世界首套混合复用固定和可控串补(甘肃成碧);2007年,世界串补度最高、串补量最大的500kV可控串补装置(黑龙江冯屯)。

  3)可控并联电抗:2007年,世界首套500kV磁控式可控并联电抗器装置(湖北荆州);2012年,世界首套750kV阀控式可控并联电抗器装置(甘肃敦煌)。

  4)短路电流限制:2010年,世界首套500kV短路电流限制装置(浙江瓶窑)。

  3、我国灵活交流输电整体技术水平国际领先。

  2006年,“静止无功补偿器(SVC)核心技术的研发及应用”获国家科技进步二等奖;2008年,“输电系统中灵活交流输电关键技术和推广应用”获国家科技进步一等奖;2010年,“一种可控串补晶闸管的电子触发系统”获中国专利金奖。

  目前,我国静止无功补偿装置(SVC)已应用100余套,迫使ABB、SIEMENS公司放弃中国市场,并成功打入韩国、菲律宾等电网。串补装置研制成功使国内工程招标价格下降30%以上,应用50余套,总容量28Gvar,占到全球应用50%以上,并出口到越南、巴西等国。

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