在中國，14億人口大部分集中在東部和中東部地區(qū)，重要經(jīng)濟活動也主要分布在沿海地區(qū)。要保證東部地區(qū)正常用電，以往就只能從能源豐富的西部地區(qū)輸送電能到東部和南部。
但是現(xiàn)在，能源消耗還有另一個選擇——海上風電。
電能難以儲存，要遠距離輸送就需要建設(shè)“電力高速公路”。陸地上的“電力高速公路”技術(shù)早已不是難題，但“海上電力高速公路”則不然，如何在變化莫測的深遠海中，兼顧經(jīng)濟性和技術(shù)性，建設(shè)一條“深海電力高速公路”，讓大容量風電在環(huán)境惡劣的深海中“踏浪前行”并被準確輸送到負荷中心?
在廣東陽江三山島海上風電柔直輸電工程(以下簡稱“三山島工程”)建設(shè)中，南方電網(wǎng)給出的方案是——超大規(guī)模海上風電海陸一體直流輸電技術(shù)方案。
原創(chuàng)性技術(shù)開辟輸電模式新路徑
在廣東陽江，三山島工程陸上關(guān)鍵線路江門段施工現(xiàn)場，工程車輛往來穿梭，巨型吊臂如鋼鐵巨擘起起落落，施工正緊鑼密鼓地推進。
這一工程是全球首個±500千伏海上風電海陸一體、超遠距離的柔性直流輸電工程，它將實行一種新型的海上風電輸電方案，經(jīng)濟高效地破解千萬千瓦級海上風電開發(fā)送出瓶頸。
同樣是遠距離海上風電輸送，三山島工程的新型輸電方案主要“新”在哪?“我們在國內(nèi)首次提出的‘超大規(guī)模海陸一體柔性直流協(xié)同輸電技術(shù)’。”南網(wǎng)科研院直流輸電與電力電子技術(shù)研究所一級項目經(jīng)理鄒常躍說。
當前，我國現(xiàn)有大規(guī)模海上風電開發(fā)普遍采用“海上換流站+直流海纜+陸上換流站+交流架空線”的模式,將風電輸送至陸上負荷中心。海上風電送出工程各投資主體各自開展前期工作，容量相似、布局接近的海上風電廠項目采用多種輸電方式、多電壓等級送出。
專業(yè)人士坦言，在近海、小規(guī)模海上風電時期，這種模式是首選。但是，隨著海上風電送出規(guī)模持續(xù)增長，各種潛在問題便與日俱增。
“陸上換流站重復(fù)建設(shè)、交流輸電走廊占用土地資源大、負荷中心短路電流超標等問題日益突出，千萬千瓦級海上風電基地的規(guī)模化開發(fā)需求難以得到滿足。”鄒常躍介紹。
于是，自2018年開始，南網(wǎng)科研院持續(xù)開展技術(shù)攻關(guān)，研制了國內(nèi)首套緊湊型柔性直流換流閥子模塊和閥塔物理樣機，開創(chuàng)性提出66千伏無升壓站的千兆瓦級風機直接匯集組網(wǎng)方案，并提出“超大規(guī)模海陸一體柔性直流協(xié)同輸電技術(shù)”。
“該技術(shù)實現(xiàn)了海上與陸上輸電環(huán)節(jié)的全柔直化，大規(guī)模風電通過‘海上換流站+直流海纜+陸上直流架空線’直達負荷中心。”鄒常躍向記者解釋。區(qū)別于我國現(xiàn)有大規(guī)模海上風電開發(fā)普遍采用的方案，三山島工程不需要在登陸點建設(shè)大量換流站，也不需要在輸電通道上新建大量交流架空線，而是通過陸上直流架空線將海上風電輸送至負荷中心。“這就大大緩解了廣東沿海城市海岸線土地資源和輸電通道的緊張。”廣東電網(wǎng)電網(wǎng)規(guī)劃研究中心(廣東省電力規(guī)劃中心)副主任李峰說。
三山島工程的風電匯集規(guī)模相比世界最高水平將再提升200%，國土空間資源利用率提升100%，輸電成本降低15%，破解了城市中心輸電走廊無法支撐沿海千萬千瓦級海上風電開發(fā)的瓶頸，同時提升了受端電網(wǎng)無功支撐能力、緩解了短路電流超標問題。
“多個2000兆瓦海上風電場經(jīng)直流海纜登陸匯集后，通過直流架空線直送粵港澳大灣區(qū)負荷中心，輸電系統(tǒng)成本可以節(jié)省約50億元。”鄒常躍給記者算了筆賬。
“陽江三山島海上風電直流輸電工程的建設(shè)，標志著我國海上風電輸電技術(shù)邁入全新階段。”李峰表示。
電力傳輸困境催生科技突圍
三山島工程提出的新型海上風電輸電方案必然經(jīng)過多輪論證，但是在實際落地的過程中依然會帶來很多新的挑戰(zhàn)，比如，直流架空線故障穿越的難題。
針對此難題，南網(wǎng)科研院研究團隊首次提出無直流斷路器、無集中耗能裝置技術(shù)方案。“因為在昆柳龍直流已經(jīng)驗證了柔性直流架空線路故障自清除功能的可靠性，所以不依賴直流斷路器實現(xiàn)直流故障穿越，我們有一定的經(jīng)驗。”鄒常躍說。
不過，新的挑戰(zhàn)依然存在。與昆柳龍直流工程主要采用網(wǎng)對網(wǎng)輸送模式、送端有電網(wǎng)承擔盈余功率不同，在三山島項目中，由于海上風機都是獨立的，一旦陸上電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障，海上風機功率調(diào)節(jié)速度過慢，就可能導(dǎo)致直流海纜能量堆積、電壓升高，造成設(shè)備損壞和系統(tǒng)停運。
所以三山島工程不能只考慮清除故障，還需要解決與風機協(xié)同及盈余功率等問題。“對于這一問題，以往有企業(yè)考慮采用直流耗能裝置+直流斷路器的方案，但大多因直流斷路器體重大、成本高而被放棄。”南網(wǎng)科研院研究直流所技術(shù)總監(jiān)趙曉斌介紹，三山島海上風電柔直工程推出了無直流斷路器、無集中耗能裝置的創(chuàng)新技術(shù)方案，“其核心是借助風機全功率變流器自帶的耗能裝置，實現(xiàn)盈余功率的分散式就地耗散，充分發(fā)揮每個風機自身具備的耗能能力，配合電網(wǎng)進行協(xié)調(diào)。”趙曉斌說。
但是，新的問題又出現(xiàn)了——無直流斷路器、無集中耗能裝置的方案對通訊速度的要求極高。
正常來說，一次協(xié)調(diào)指令的傳遞需要600毫秒，但是如果線路發(fā)生故障，風機的盈余能量會在10毫秒以內(nèi)讓柔直閥過壓跳閘，再加上故障檢測等時間，最終留給協(xié)調(diào)的時間只有——1毫秒。
科學研究往往如此，當提出一個解題方案，就會引出另一個新問題，科研人員又需要提出另一個解題方案。
此次科研團隊的解題方案是：利用低成本的專用通訊裝置，實現(xiàn)柔直與風機的快速協(xié)同。“我們設(shè)置了光纖傳輸?shù)膶＞W(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)，和幾百臺風機直接聯(lián)通進行指令下達，把協(xié)調(diào)的時間控制在1毫秒內(nèi)。”鄒常躍說，他們已在廣東臨海風電試驗基地開展了快速調(diào)用風機耗能裝置的模擬試驗，結(jié)果顯示“大約0.6毫秒就能完成協(xié)調(diào)”，這有力地驗證了該技術(shù)方案的可行性。
“建設(shè)過程中，還會不斷出現(xiàn)新的科研難題需要我們?nèi)ソ忸}，但是，我們善于用‘創(chuàng)新’突破難題，這也正是電力科技工作者的價值所在。”鄒常躍說。
南網(wǎng)報記者 黃璐 通訊員 金南汐 黃一洪
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