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        新型電力系統格局下高壓直流輸電角色定位探討

        信息來源:南方電網報  發布時間2021-08-13

          實現碳達峰、碳中和目標,能源是“主戰場”,電力是“主力軍”。南方電網公司率先發布了建設新型電力系統行動方案白皮書,在社會各界引起了廣泛關注。構建以新能源為主體的新型電力系統,是推動能源革命、保障能源供應安全的重要戰略舉措,也是推動電力清潔低碳發展的必然選擇,對支持南方五省區及港澳地區實現碳達峰、碳中和目標,保障南方區域能源供應安全具有重要意義。

          新型電力系統的顯著特征是綠色高效、柔性開放、數字賦能,新能源在電源結構中占據主導地位,電網作為消納大規模新能源的核心樞紐作用將更加顯著。而高壓直流輸電在輸電距離、輸電容量、靈活性、成本等方面具有天然優勢,在構建新型電力系統格局下,其發展空間將更加廣闊,與此同時,也面臨著諸多新挑戰。

          新型電力系統格局下高壓直流輸電角色定位分析

          以高壓直流輸電為主形成的西電東送主網架,是南方區域能源資源跨省區高效優化配置的基礎平臺,在服務建設以新能源為主體的新型電力系統中將發揮關鍵性作用。高壓直流輸電將重點扮演遠距離零碳送電大通道、深遠海上風電并網首選技術方案、大電網安全穩定運行與電力交易堅強支撐等關鍵角色。

          (一)我國陸上大規模新能源基地和負荷中心的逆向分布格局,必然需要依托高壓直流輸電大通道實現新能源遠距離跨時空協同消納。

          從能源資源稟賦來看,西部12省(區、市)100米高度風能資源技術可開發量超過30億千瓦,在全國占比接近80%;西部太陽能資源年總輻射量也遠高于全國平均水平,大多處于太陽能最豐富與很豐富地帶,且地廣人稀,開發潛力巨大,僅西藏地區的太陽能技術可開發量就超過了1億千瓦。我國“十四五”發展規劃綱要中提出,在西部、北部等新能源資源富集地區,科學規劃、布局一批以新能源為主的清潔電源基地,充分發揮西部能源資源優勢。南方區域能源整體自給率低,兩廣地區尤為匱乏,區內新能源發展潛力有限,有必要引入區外清潔電力。

          從電力需求來看,“雙碳”目標下,終端能源消費“新電氣化”進程逐漸加快,并逐步推進電能替代。隨著“兩區一港”等國家戰略的深入實施,廣東等南方區域“十四五”及中長期電力需求增長空間巨大,而沿海海上風電容量替代效益僅為5%(即開發1000萬千瓦海上風電只能減少50萬千瓦的火電裝機需求),預計廣東2025年、2030年、2035年電力缺口將分別達950萬千瓦、2700萬千瓦、4300萬千瓦。

          總體來看,我國大規模新能源基地與負荷中心呈現出逆向分布的格局將長期存在,這就決定了構建新型電力系統必須依托新能源豐富地區,以“建設大基地、融入大電網”方式,堅持西電東送,促進區域協調發展。我國西藏、北方清潔能源基地等新能源開發外送潛力巨大,是潛在送電南方區域的重要電源,可依托特高壓柔性直流輸電大通道送至粵港澳大灣區負荷中心,在更大范圍內實現大規模新能源的跨時空協同消納。

          (二)在東部沿海地區深遠海風電大規模開發的發展趨勢下,高壓直流輸電成為高效并網的首選技術方案。

          中國東部海岸線長達1.8萬公里,可利用海域面積廣,海上風力資源儲備豐富,5~50米水深、100米高度海上風電開發潛力約5億千瓦。一般認為,在水深超過50米之后,風能密度約為近海的4倍??紤]資源潛力、消納能力以及近海海域用地日益緊張等因素,為獲取更多的風能,海上風電將逐漸向單機大容量、離岸遠距離的趨勢發展,預計2050年我國遠海風電裝機規模有望超過4000萬千瓦,深遠海風電并網技術路線成了關注的熱點。

          考慮到高壓交流海纜輸電距離和載荷能力的限制,無法滿足遠距離、大容量海上風電集中送出的要求,因此高壓柔性直流輸電將成為深遠海風電并網重要的技術方向。南方電網公司通過西電東送20多年的發展與實踐,高壓直流輸電技術不斷取得新突破,目前已擁有自主化的大容量特高壓多端柔性直流輸電技術,在全球高壓直流輸電領域處于領先地位。因此,綜合深遠海風電并網的經濟技術要求和工程實踐經驗來看,隨著大規模海上風電開發離岸距離越來越遠,高壓柔性直流輸電將成為其高效并網的首選技術方案。

          (三)新型電力系統大電網安全穩定運行與統一電力市場建設,需要高壓直流主網架提供堅強支撐。

          高壓柔性直流輸電不僅適用于送端大規模新能源弱系統、無源系統的電力外送,也適用于分區電網異步互聯運行,是構建柔性開放的新型電力系統的重要技術手段。同時,柔直換流站可主動為受端電網提供電壓、頻率支撐,進一步提升電網調節能力與靈活性,提高受端電網新能源接納能力,現有受端常規換流站柔直化升級改造將成為提高系統安全穩定運行的重要選擇。

          隨著統一電力市場的不斷實踐與完善,市場主體、交易手段、交易標的將日趨豐富,跨省區電力交易規則與電網運行方式將更加復雜,對電網的快速、靈活響應提出了更高的要求,而柔性直流具有天然的技術優勢,為電力市場交易可靠執行提供重要平臺支撐。

          新型電力系統格局下高壓直流輸電面臨的挑戰

          新能源隨機性、波動性、間歇性特點顯著,高比例新能源接入電網后將深刻改變傳統電力系統形態、特性和機理,為適應新型電力系統發展,高壓直流輸電也將面臨新挑戰。

          一是潛在送電區域新能源等電源建設時序與南方區域電力缺口不匹配對西電東送規劃帶來新挑戰。西藏、北方等清潔能源基地電源建設周期長,建設規模與時序短期內不能滿足南方區域加速發展的電力需求,且項目面臨著新的、更為復雜的外部環境,進一步增加了西電東送項目規劃難度。因此,需積極推動政府間簽訂送受電協議,爭取項目盡早納入國家規劃,同時要創新規劃思路,加強系統方案論證研究,比如考慮分期建設等。

          二是高寒山區、深遠海等新環境為高壓直流工程建設帶來新挑戰。隨著未來大規模新能源電源開發逐漸向高寒山區、深遠海發展,技術上還將面臨超高海拔、超大容量、多端控制、海上柔直平臺輕型化等一系列新的需求,工程建設難度大大提升。因此,需提前做好技術儲備,整合廠家、科研院所等內外部資源,加強核心技術攻關和主設備研制,確保高壓直流輸電工程如期投運。

          三是新型電力系統復雜的動態特性和運行方式為高壓直流主網架運維帶來新挑戰。高比例新能源和電力電子設備接入電網后,系統電壓穩定、頻率穩定、寬頻振蕩等問題進一步突出,直流運維需要適應越來越復雜的電網運行方式,尤其是突出的諧波諧振問題可能帶來直流閉鎖或停運風險,高壓直流主網架運維難度將加大。因此,需加強對換流站近區諧波的預測與分析,結合設備諧波耐受能力,開展柔直換流站諧波運行邊界、諧波諧振抑制技術等運維策略研究。(作者夏谷林 為超高壓輸電公司檢修試驗中心副總經理)

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