直流电网在全球能源互联网中的应用定位与案例研究

肖晋宇1,张 宇1,万 磊1,李惠玲2  


1.全球能源互联网发展合作组织,北京市 西城区 100031;2.中国电力科学研究院,北京市 海淀区 100192

摘要

本文结合全球能源互联网中清洁能源并网和跨国电网互联特点,提出了直流电网在全球能源互联网中的定位及应用场景。以中南半岛为例设计了直流电网构想方案,采用稳态模型计算了直流电网潮流分布,对短路、断线等严重故障进行了机电暂态仿真,结果表明,故障线路切除后跨国直流电网和各国交流电网均能保持系统稳定。直流电网技术为下一步全球各主要区域跨国电网互联规划研究提供了一种重要解决思路。

关键词 : 全球能源互联网;直流电网;柔性直流;中南半岛

0 引言

交、直流输电之争始于100多年前[1],交流电凭借其发电效率高、电压变换方便、并网方便等优势[2],取得了历史主导地位。构建全球能源互联网,推动世界能源转型,需要解决清洁能源的大规模并网与远距离输送问题。同时,又需要保持各国电网的相对独立,实现不同电压等级、不同安全标准和不同频率国家电网的互联互通[3-5],以充分体现全球能源互联网开放包容的发展理念[6,7]

经过几十年的工程应用,直流输电技术已经成熟,电压最高至±1100 kV,容量可达12000 MW,广泛应用于大容量、远距离输电场景。柔性直流基于IGBT等全控型器件和高频调制技术,解决了常规直流必须依赖交流电网才能运行的问题[8],具备了新的技术优势:一是没有无功补偿和换相失败问题,可向海岛、边远地区等小电网供电[9];二是能快速独立控制有功和无功功率,甚至可为交流电网提供无功支撑[10];三是潮流反转方便,运行方式灵活,具备组网条件[11];四是谐波小,设备少、占地省,经济性提升潜力大。

直流电网包括直流配电网和直流输电网,直流配电网在微电网和为直流负荷供电的场景下已有较多成熟的应用[12];直流输电网(下文简称“直流电网”)由于电压等级高、输送容量大、可靠性要求高,相关技术仍在发展当中。

2010年欧洲提出了“超级电网计划”[13,14],设想构建覆盖欧洲、北非等区域的广域直流电网,实现可再生能源与传统能源的广域互联[15]。由于欧洲已经建成了完善而密集的400 kV超高压交流网络,再建设一层直流电网投资巨大,因此该计划一直处于研究阶段。多端直流也是直流输电网的一种结构,中国相继建成了上海南汇±30 kV两端、浙江舟山±200 kV五端、南澳±160 kV三端等多个多端直流示范工程[16]。随着超高压直流断路器技术和装备的突破,国家电网计划在张北建设±500 kV四端环形直流电网,实现10 GW级风、光新能源接入和外送,这是世界上在建电压等级最高、输电容量最大、并网新能源最多的直流电网工程[17]

随着高压大容量全控型电力电子器件、大容量直流断路器、广域智能控制等技术和装备的快速发展,超高压直流电网的技术和装备有望取得突破,并加快工程实践的步伐。

表1 联网输电方式的技术比较
Table 1 Technical comparison of transmission modes in grid interconnection

1 直流电网在全球能源互联网中的定位

1.1 交流同步电网与直流电网比较分析

从技术层面看,两种组网技术各有优势。交流同步电网组网方式灵活,输电损耗小,没有谐波问题,技术成熟度高,运行控制相对简单;直流电网没有功角稳定问题,在新能源接入与送出、功率控制灵活性和隔离电网间影响等方面具有技术优势。联网输电方式的技术比较见表1。

在管理层面,要实现不同技术标准,不同电力市场、体制、监管模式的国家或区域电网之间的广泛互联,直流电网技术所特有的灵活和包容特性,能最大程度地减小互联给各国电网带来的影响。

1.2 直流电网技术在跨国联网中的应用定位

构建全球能源互联网,必须解决各类型电网间互联的技术问题。在具备交流同步联网条件的区域,应充分利用交流输电的技术优势,推荐和鼓励发展交流同步电网,实现多能互补、余缺互济。但是在以下的场景中,直流电网技术为实现互联提供了一种新的技术选择。

1)不同频率电网的互联。在东北亚,中国电网频率为50 Hz,日本关西地区和韩国电网频率为60 Hz,采用直流“点对点”互联技术可行,若构建直流电网则可靠性更高;在阿拉伯半岛,占80%面积和供电负荷的沙特电网频率为60 Hz,与周边其他海湾国家均不相同,采用直流电网技术路线,不仅可以构建统一的海湾互联电网,也可以有效促进该地区丰富太阳能资源的规模化开发,同时兼顾多种发展需要;这种场景在非洲、南美洲也大量存在。在全球各国电网广泛互联背景下,存在大量不同频率电网的场景,直流电网为它们之间的互联提供了一种可行的技术路线。

2)大规模新能源电源的接入与输送。大型风电、光伏电源,通过接入直流电网进行统一配置,可以发挥直流电网运行灵活、控制能力强的优势,减小新能源间歇性波动与无惯量特性的负面影响。在欧洲风能资源丰富的北海地区,德国已经开始建设用于海上风电并网的多端柔性直流输电系统,E-highway 2050研究中也提出,在欧洲大陆的北欧与西欧、北海之间需要加强6~8个10 GW级的输电通道,将柔性直流与现有交流电网有机结合,形成多节点、多回路的交直流混合电网,可以充分发挥直流电网的技术优势[18]。在北非,用电负荷和交流电网集中在地中海沿岸地区,而丰富的太阳能资源分布在撒哈拉沙漠边缘地区,利用直流电网技术不仅可以实现大规模太阳能发电的汇集和外送,而且有利于清晰划分外送网络与本地供电网,减少不必要的影响,提高系统灵活性和安全性。

3)技术标准、安全水平和发展水平差异巨大的电网互联。直流电网通过换流站与各国电网连接,从技术上实现了不同电网技术标准(包括额定电压、电压和频率的暂态变化等)和安全水平的隔离,没有交流同步联网存在的“短板”效应,各国电网的运行控制也相对独立,能够避免发展水平差距过大的不同电网,采用交流互联后产生的安全隐患。地中海北岸的欧洲国家电网与南岸北非国家电网,在亚洲中南半岛的泰国、马来西亚和缅甸、柬埔寨电网,它们在发展水平、安全水平等方面差距较大,后者电网的结构也相对薄弱,采用直流电网互联的技术路线,可以避免联网后随之产生的交流电网安全问题,降低运行风险。

4)过境电网结构薄弱、大容量功率穿越的联网场景。在大容量交流输电通道中间接入一个供电规模小、结构薄弱的小电网,由于小电网无法承受大通道故障后产生的巨大功率冲击,系统整体稳定水平将随之下降。直流电网通过对柔性换流站与过境小电网相连,不仅可以与小电网实现功率交换,同时巨大的过境功率通过直流线路穿越,隔绝了对小电网安全的影响。在中南半岛,缅甸和老挝本国供电负荷小,除了自身水电资源外,中国西南地区水电向东南亚和南亚输送,必须经过缅甸和老挝,在地理区位上它们也是重要的互联枢纽,交流联网方案巨大穿越电力带来的安全性风险大。

5)超远距离、双向灵活互联互济。交流联网可满足双向灵活输电要求,但联网距离受稳定水平限制,大电网间互联通道功率控制能力也相对复杂;采用直流电网方案,能够远距离互联,又能够发挥潮流反转方便、多通道间灵活调剂的特点,实现互联电网间的电力双向互济。在欧亚大陆,西欧、东亚国家间时差约9h,两地气候也存在较大差异,通过9000 km的输电通道连接欧亚电网,可以获得双向灵活互济的跨时区和跨季节互补效益。

构建全球能源互联网,要面对的是世界上众多不同政治经济社会环境、不同电网结构和发展水平、不同自然环境的多维复合场景,考虑到数以亿计新能源并网外送、跨时区超远距离灵活互济等现实需要,直流电网技术方案应作为构建全球跨洲能源互联网的一种重要技术方案认真研究。

图1 中南半岛直流电网地理接线示意图
Fig. 1 Schematic diagram of geographical connection of DC power grid in Indochina Peninsula

2 中南半岛直流电网案例研究

目前,中南半岛最高交流电压为500 kV,构建500 kV或更高电压等级的统一交流电网,可以实现区域内可再生能源电力的优化配置。结合中南半岛各国电网实际情况,互联互通方面具有以下特征:一是泰国、越南、马来西亚用电负荷大,电网发展水平相对较高,而老挝、柬埔寨、缅甸、孟加拉负荷较小,电网电压等级低,发展水平相对落后,安全水平也差异大;二是老挝和缅甸地处中南半岛“联接东西、起承南北”的要地,来自中国送往泰国、马来西亚和南亚的大量电力,将穿越电网薄弱的国家;三是中南半岛水电资源与负荷中心一般相距在500 km以上,甚至超过1000 km。基于以上分析,本文将对直流电网技术路线构建统一中南半岛电网的方案进行分析和计算,研究方案的初步技术可行性。

2.1 方案设计

中南半岛及周边地区资源分布不均,水电、风电资源主要集中在云南、老挝和缅甸北部。而该区域当前的负荷中心或电力短缺的地区主要是泰国、越南、马来西亚和孟加拉南部的沿海城市。结合区域供需形势和各国经济带战略,提出中南半岛直流电网的总体方案如下:中部围绕主要负荷中心构建含有冗余的直流环网,送端采用单通道多回路连接,形成以“中”字型环网为主干结构,向北延伸到云南、向西延伸到孟加拉、向南延伸到马来西亚的直流电网,如图1所示。综合考虑输电距离和输送容量,宜采用±500 kV;结合直流落点的功能定位和接入交流电网的特点,云南、马来西亚和曼谷可以采用常规直流技术,其余应采用柔性直流技术;直流输电线按输送需要选择单回、双回或三回。中南半岛直流电网规模见表2。

表2 中南半岛直流电网规模
Table 2 The scale of DC grid in Indochina

2.2 仿真分析

2014年,中南半岛区域内总装机容量约120 GW,远期预计将达到200 GW。目前,跨国电力互联和交易最为活跃的欧洲大陆电网,跨国交易规模约为系统容量的5%,欧盟计划2030年提高到10%~15%。按照10%测算,远期中南半岛直流电网的跨国输电规模按照20 GW考虑。在此基础上,结合电源基地和用电负荷中心需求,规划中南半岛跨国电力流向,以此确定的直流电网各落点容量规模如表3所示。其中,云南、曼德勒、琅勃拉邦、金边为送端,吉大港、曼谷、胡志明、吉隆坡和仰光为受端。

表3 中南半岛九端直流电网系统条件
Table 3 Boundary conditions for the DC grid calculation单位:MW

续表

基于中国电科院的PSASP仿真软件搭建了九端直流网络及对应的交流电网。计算了直流电网正常方式和个别重载线路N-1方式的潮流,表4列出了重载线路在3个方式下的稳态潮流,其中正常方式的潮流分布如图2所示。

1)正常方式:直流电网输送容量20 GW,全接线。

2)故障一:曼谷—吉隆坡双回线路L58永久故障后直流断路器断开。

3)故障二:仰光—曼谷线路L59永久故障后直流断路器断开。直流电网在正常和故障后的线路潮流分布如表4所示。

表4 中南半岛直流电网线路潮流分布
Table 4 Power flow distribution of DC grid in Indochina Peninsula单位:MW

从暂态过程来看,在故障一情况下,曼谷—吉隆坡的双回L58故障后直流断路器断开,直流电网故障有效隔离。故障后,直流电网各直流母线电压普遍升高,其中曼谷换流站的动态电压最高达到1.224 pu;同时,直流电网下网功率减少了约6 GW,导致云南、曼德勒、老挝、金边等送端交流电网频率上升,其中云南电网暂态频率最高达到51.5 Hz,需采取切机措施来保持系统稳定;吉隆坡交流电网存在6 GW电力缺额,交流暂态频率最低49.2 Hz,稳态频率49.6 Hz,系统可保持稳定。故障一发生后系统各直流母线电压和各交流电网频率变化如图3和图4所示。故障二发生后,仰光—曼谷线路潮流转移至金边、琅勃拉邦—曼谷线路,暂态过程各交流电网可维持系统稳定,直流电网无过载线路。

图2 正常运行方式下的潮流分布
Fig. 2 Power flow distribution in normal operation mode

图3 故障一各直流母线电压变化曲线
Fig. 3 DC bus voltage curve in case 1

2.3 分期实施

与交流电网类似,直流电网也具有很好的扩展性,该特性使得直流工程可以分期实施,避免前期一次投资过大。初期以建设主干输电通道为主,后期适时成网。与交流电网增加变压器台数满足两个电压等级间交换功率上升需求类似,直流电网可通过增加换流阀台数以满足交流电网和直流电网间交换功率的需求。

对于中南半岛直流电网,一期建设中—缅—孟和中—老—泰两个输电工程,解决孟加拉、仰光和曼谷的急迫的缺电问题;二期建设曼德勒—胡志明的输电工程,向越南送电;三期成网,建设仰光—胡志明、曼谷—吉隆坡的“T”字电网,形成“中”字型直流环网,分期实施过程如图5所示。

图4 故障一后各交流系统频率变化曲线
Fig. 4 AC bus frequency curve in case 1

3 结论与展望

总体来看,中南半岛跨国电网互联符合直流电网应用的功能定位。经过对设计方案的分析和仿真计算,说明直流电网技术路线具备技术可行性和分阶段实施的优越性。

直流电网的技术和装备仍在发展中,一次设备层面的高压直流断路器、DC/DC变压器等,二次层面的超高速测量、故障检测、系统级保护、多站协调控制等方面仍有待完善。深入研究并掌握直流电网运行特性,识别关键影响因素,将有助于提升对大型广域跨国直流电网运行与控制的驾驭能力,切实推动全球能源互联网发展。

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图5 中南半岛直流电网分期实施示意图
Fig. 5 Schematic diagram of staged implementation of DC power grid in Indochina Peninsula

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Application of DC Grid in Global Energy Interconnection and Case Study

XIAO Jin-yu1, ZHANG Yu1, WAN Lei1, LI Hui-ling2
(1. Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization, Xicheng District, Beijing 100031, China;2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China)

Abstract: This paper gives the application scenarios of DC grid in the global energy interconnection, considering the features of clean energy and power grid integration in the global energy interconnection. Secondly, based on the Indochina Peninsula,the main structure of a trans-national DC power grid is designed,and the steady-state power flow, electrical-mechanical transient are simulated respectively. Simulation results show that transnational DC power grid and AC power grids of all countries can maintain stableility in post fault condition. Therefore, DC power grid technique provides another solution for the international connection planning and related research in the future.

Key words: global energy interconnection; DC grid; flexible DC; Indochina Peninsula


作者简介:

肖晋宇

肖晋宇(1977),男,博士,教授级高级工程师,研究方向为电力系统规划设计和电力系统分析。

张宇(1990),男,博士,研究方向为电力系统规划设计,E-mail:zhangyu@geidco.org。

万磊(1984),男,硕士,研究方向为电力系统仿真计算。李惠玲(1978),女,博士,研究方向为智能电网。

(责任编辑 张鹏)

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