多节点多回路交直流混联大电网探讨

李隽,申洪,刘耀  

全球能源互联网发展合作组织,北京市 西城区 100031

摘要

特高压柔性直流;多节点;多回路;交直流混联

关键词 : 特高压柔性直流;多节点;多回路;交直流混联

0 引言

从世界能源发展趋势和资源禀赋特征来看,实施以清洁替代和电能替代为主要内容的“两个替代”,是未来世界能源可持续发展的重要方向。全球清洁能源资源十分丰富,仅开发万分之五就可满足全球能源需求[1],但其地理分布不均衡,资源富集地区与负荷中心地区在空间上呈逆向分布,需要就地转化为电能,通过远距离输电在更大范围内实现优化配置。同时,风电、光伏发电等不确定性电源具有间歇性、波动性的特点,需要接入大电网以提高其消纳能力,实现跨时区互济,获得最大效益[2]

电网互联是世界电力工业的发展趋势,跨国、跨洲联网范围正在逐渐扩大,但受联网规模的限制,尚不具备全球清洁能源资源大范围、大规模配置的条件。近年来针对未来电网形态的研究逐渐成为学术界和工业界的热点。欧洲最早于2009年提出“超级电网”设想[3],将欧洲北海沿岸包括德国、荷兰、瑞典等9个国家的风电、太阳能发电和水电整合成多个大型清洁能源基地,通过多回直流输电网将这些基地接入欧洲电网,建成环网状或放射状的超级交直流混合电网。美国能源部电力输配电办公室于2003年发布了《Grid 2030》[4],利用超导技术、储能技术和先进直流输电技术,将美国原有的3个大区同步电网分成更多较小的同步网区,通过多端直流骨干网架进行互联,便于运行控制和事故支援。中国有研究提出,未来中国电网将以多回路特高压电网或超导电网为骨干,配以由数量众多的微电网和分布式电源构成的区域综合能源系统,形成坚强的交直流混合电网[5]

本文以实现全球清洁能源高效开发利用为目标,以洲际电网互联为出发点,分析了洲际电网的发展场景和形态特征,提出了洲际电网的一种形态设想。

1 电网发展影响因素

电网的发展往往受能源结构、输送距离以及技术路线的影响[6],不同场景下的电网形态特征各异。本节从能源结构变革、能源洲际配置以及技术条件三方面提出洲际电网功能需求。

1.1 能源结构及开发方式变革

截至2016年底,全球清洁能源发电装机容量累计达到约21.29 亿kW,占全球总装机容量(64.72 亿kW)的32.9%,发电量为6.08 万亿kWh,占全球总发电量(24.8 万亿kWh)的24.5%[7-8]。预计到2030年,清洁能源将占一次能源需求总量的1/3左右。随着世界各国持续加大清洁能源的开发力度,条件较好的水能资源将基本开发完毕,各种非水清洁能源持续快速发展。全球新增能源需求的2/3将来自于清洁能源,其中超过50%的新增需求由风能、太阳能等非水清洁能源满足。至2050年,全球清洁能源发电量将占总发电量的90%[1]。根据欧盟委员会发布的研究成果,2050年欧洲将实现发电的100%清洁替代。

未来电力系统在能源供给侧整体上将呈现大规模集中式与小规模分布式清洁能源并举的格局,但总体以前者为主。分布式发电作为大电网供电的有益补充,将成为能源供应的重要组成部分[9]

为解决风能和太阳能的不稳定性、不均衡性以及分散性等问题,需要电网加强互联,实现多类型电力的灵活互济支援,平抑风、光发电的波动性,以提高全系统能源利用效率。

1.2 能源洲际配置

全球清洁能源分布的不均衡性决定了未来跨洲送电、联网互济成为电网发展的必然趋势。水能资源主要分布在亚洲、非洲和南美洲,其水电理论装机容量分别为约11.8 亿kW、5.8 亿kW和4.6 亿kW。风能资源理论蕴藏量超过2000 万亿kWh/年,主要分布在非洲东、北部地区和亚洲、北美洲、欧洲的北极圈近区。太阳能资源理论蕴藏量超过150000 万亿kWh/年,主要分布在赤道附近的北非、东非、中东、澳大利亚、智利等地区[1]。这些清洁能源富集地区大多地广人稀,距离生产生活中心数百到数千公里,需要大范围配置才能充分开发和高效利用。

从全球范围来看,独特的自然地理气候条件和跨大洲时区差异可以使不同地区获得较好的资源和负荷互补效益。以中国(西北地区)和德国为例,中国与德国有6~7个小时的时差,从两国负荷特性来看,中国午高峰时段对应德国日低谷时段,中国早低谷时段对应德国午高峰时段,如图1所示;从两国光伏电站出力曲线来看,中国光伏出力下降的下午至傍晚时段,正是德国光伏出力上升的上午至中午时段,如图2所示。考虑两国通过±1100 kV、1100 万kW直流联网的情况下,利用负荷特性互补,中国午高峰时段(10点前后)接受德国来电,早低谷时段(3点前后)送电德国,可获得直流容量2倍的双向调峰能力;利用光伏电站出力互补性,中国晚高峰时段(19点前后)接受德国光伏电力,最大可获得1100 万kW的替代装机效益。

可见,为提高清洁能源开发利用率、实现跨时区资源和需求互补效益,未来电网应具备超大容量、超远距离输电能力和功率灵活调节能力。

图1 2016年中德平均日负荷曲线
Fig. 1 Monthly average of daily load in China and Germany in 2016

图2 2016年中德平均光伏电站出力特性
Fig. 2 Monthly average of daily PV output in China and Germany in 2016

1.3 技术条件

为实现清洁能源的大规模开发和大范围配置,洲际电网将连接大型能源基地与各大洲主要负荷中心,应具有灵活、可靠及多方向控制全球电力潮流的功能,以满足负荷需求和电力时空互济需求。交流电网具有电力接入、传输和消纳灵活的特点,但超远距离输电能力有限,适用于构建受端电网。直流输电技术适用于大容量远距离输电,目前特高压直流输电技术最高电压等级达到±1100 kV,输电距离最远可达6000 km,是构建洲际电网的可用技术之一。特高压柔性直流输电在输送能力、功率调节以及对交流系统强度的低依赖度等方面均具有显著的优势[9],且在局部走廊紧张地区更能凸显出走廊占用少的优势,是构建洲际电网骨干网架的一种选择。随着关键设备技术水平和制造工艺的进步,特高压柔直输电技术在洲际互联中将发挥更大作用。

此外,洲际电网的运行方式复杂、设备数量多、信息量大,需要协调全部可用资源,提高整体运行效率。同时,由于其电力电子化程度高[10],交、直流系统耦合性强[11],仿真分析和控制难度大,电网对计算性能和通信网络的依赖程度将明显增大。伴随着大数据、云计算[12]、移动互联网和人工智能等先进技术的广泛应用,洲际电网将成为信息系统和物理系统紧密融合的高度智能化复杂网络。

2 多节点多回路交直流混合大电网

2.1 功能定位

基于电网发展影响因素分析,洲际电网结构应具备以下特点:

(1)具有包容性、互济性。电网各节点内部层级设定灵活,可以方便地接入各种可再生能源基地、负荷中心或电网。

(2)规模大、效率高。电网结构容易扩展,便于构建特大规模电网,节点间可以实现灵活的双向功率交换。

(3)坚强、智能。电网结构坚强,节点间潮流可控性强,电网抵御故障能力强,自我恢复能力强。

2.2 形态设想和特征

本文提出一种电网形态设想:依托现有各大洲交流电网,以特高压柔性直流构建洲际、洲内骨干网架,多方式、多回路灵活连接电源、负荷、枢纽等交直流混联功能节点,全球范围内优化配置集中式和分布式清洁能源,形成实现远距离、大容量、多端功率交换、跨洲能源互联互济的交直流混联大电网。

特高压柔性直流主要用于构建骨干网架,实现大型能源基地以及洲际电力远距离、大容量、低损耗输送到负荷中心,不同区域的交直流混联可有效平滑负荷与可再生能源出力,提高输电效率。柔性直流各节点间用功率控制装置实现互联,各节点区域内部主要通过交流构建网络,以实现国家或区域范围内电力互济,具有多节点、多回路、交直流混合的形态特征。图3为本文提出的洲际电网在不同层面形态的示意图。

图3 洲际电网多层面形态设想
Fig. 3 The assumption of intercontinental power grid

多节点,指多种节点类型,根据负荷落点、电源基地接入、潮流调节控制需求,形成特高压交直流混合大电网节点。主要包括:负荷节点、大型清洁能源基地并网节点、超级母线节点、关键枢纽节点等。

(1)负荷节点:直流落点与本地交流主网架互联,形成大功率送电落点,接纳洲际外来电力,满足负荷中心电力需求。传输功率量级大,传输效率高,可以实现有功功率和无功功率的灵活控制。例如欧洲中部的法国东部、比利时及其北部、德国南部和意大利等地区的直流落点与当地交流主网架互联,形成负荷节点和大功率送电落点,消纳不同区域的外来电力。

(2)大型清洁能源基地并网节点:能源基地汇集电力,根据不同基地电力容量选择不同电压等级直流输电通道汇集外送,接入特高压直流骨干网架,实现洲际电力外送,能够自适应新能源的波动性,协调各新能源基地出力,实现大规模电力的平滑输出。例如波罗的海国家、撒哈拉沙漠以及北海北部等区域的清洁能源基地,将通过这种类型节点接入洲际电网。

(3)超级母线节点:是一定范围内连接清洁能源电源、负荷、规模化储能所形成的区域母线节点。通常在既有多重能源资源又有电力需求的地区,应用超导技术,具备接纳、转移本地和外来大规模能源的能力,能够有效平抑功率波动。例如在欧洲中部、北非以及东亚等区域,将出现超级母线节点。超级母线节点示意图如图4所示。

图4 超级母线节点示意图
Fig. 4 Schematic diagram of hyper bus

(4)关键枢纽节点:根据网架或控制需求,设置关键枢纽节点,不与本地电网相连,在洲际互联中起控制调节作用,类似于电力系统调度中心,进行本区域的电力调度。同时与其他区域关键枢纽节点相配合,实现跨区域电力输送控制。例如欧洲的意大利南部、土耳其区域,亚洲的中国等区域,可以设置关键枢纽节点。

多回路,指同一方向的多直流回路、交直流回路。交直流多节点间依托电力送出线路、负荷线路并列或形成回路,通过双向功率交换以充分利用不同能源资源的时空互补性,平抑波动性和随机性,满足广域范围的功率平衡。在受端大负荷中心之间,多回路直流可有效解决大区间交流输电能力限制问题,提高负荷中心电力交换能力。

根据前述定义,本文提出的多节点多回路骨干网架示意图如图5所示。

图5 多节点多回路大电网骨干网架示意图
Fig. 5 Schematic diagram of multi-bus multi-loop backbone power grid

3 关键技术研究

洲际电网重点技术研究方向主要包括以下3个方面。

3.1 大规模清洁能源并网及消纳技术

清洁能源具有波动性、间歇性和低惯性等特点。为实现大规模清洁能源协调优化配置和灵活多样控制,需将其功率预测精度提高到接近负荷预测的精度水平,实现与常规电源接近的可调度性。储能技术不仅能改善清洁能源发电自身的特性,还可以从系统角度解决清洁能源发电的调峰调频等问题,并有助于实现多种类型能源的有效融合和综合利用,同时还可提高电能在终端能源中的消费比例,为实现“电能替代”提供技术支撑。虚拟同步机技术[13]使并网逆变器能够模拟同步发电机的运行机理、有功调频以及无功调压等特性,使并网逆变器从外部运行特性上与传统同步发电机一样,提高风电、光伏发电对大电网稳定、可靠运行的支撑。综上,超大规模清洁能源并网与消纳关键技术需重点研究功率预测技术、大规模储能技术和虚拟同步机技术。

3.2 大容量远距离输电技术

(1)特高压柔性直流输电技术

以全控型绝缘栅双极性晶体管(IGBT)技术为基础的柔性直流输电技术,可实现对有功功率和无功功率的快速、灵活控制,同时对于送端清洁能源以及受端弱交流系统、孤岛系统均可实现较好的输送和运行效果,克服了传统输电技术存在的一些固有缺陷,是构建全球特高压直流骨干网架的重要输电技术。目前柔性直流输电技术整体还处在500 kV、300 万kW级水平,在输送能力方面还无法与传统直流输电相提并论,更无法满足未来全球大规模能源配置的需要,亟待发展更高电压等级、更大输送容量的±800~±1100 kV、1000~1500 万kW级特高压柔性直流输电技术,进一步突破特高压大容量换流阀、直流断路器以及特高压直流电缆等核心技术瓶颈,以满足全球大规模、大容量清洁能源的高效开发、配置。

(2)超导输电技术

超导输电技术具有占地面积小、质量轻、容量大等基本特点,应用超导技术建立超级母线节点,可以方便接入多种形式的资源与负荷,同时配备储能功能后,可以实时对量级巨大的功率进行平衡,有效平抑功率波动;另一方面,超导输电技术也适用于输电走廊受限时的电力输送,或在现有输电网升级改造中用以取代部分受空间、容量等限制的常规线路。超导输电技术目前主要受超导材料性能、成本以及低温制冷手段制约,难以大规模推广应用,未来需要进一步研发更具经济性的高温超导材料。

3.3 超大交直流混联电网运行控制技术

(1)洲际智能调度技术

未来电网是电力规模化集中汇集、远距离跨洲传输、大范围灵活配置的基础平台,具有接入电源类型多元、设备类型多样、地域覆盖广泛等结构特征,以及输送容量大、潮流波动频繁、扰动行为复杂等运行特性,对电网运行全局态势感知能力、快速精确分析能力、新型电力设备的灵活控制能力、大规模可再生能源接纳能力提出了更高的要求和挑战。因此,需要采用包含电网运行多源数据智能采集、电网理想运行方式智能生成以及电网调度控制智能诊断与评估的智能调度技术。

(2)洲际安全稳定控制技术

随着未来电网跨国跨洲互联的推进,电网动态行为时间尺度跨度大、动态特性交互影响显著,区域电网之间故障传导范围增大,高比例新能源对电网运行控制影响加剧,且外部环境多变,极端灾害天气频发,电网运行特性将更为复杂。因此,需要加强未来电网安全稳定防御体系的构建,包括安全稳定在线评估、智能电网裕度在线评估、广域自适应系统保护以及基于响应的系统稳定性判别等技术。

(3)洲际电力交易技术

洲际电网电力市场需要洲际市场、跨国市场、国家市场等多级协调,涵盖容量、电能、辅助服务以及输电权等多种交易品种,年度、日前、实时等多周期耦合电力交易方式。为了保障市场成员利益、维护电力市场规范运营、规避市场风险、提升市场运行效率,未来需要研究并构建电力市场运营监管机制及体系,研究洲际电力交易模拟推演等技术。

4 结论

本文结合未来清洁能源和电网技术的应用场景,提出了跨洲大电网发展的一种可能形式,并进一步分析了相应的关键技术需求,为跨洲大电网发展提供支撑。

(1)清洁能源将成为能源利用的主要形式,清洁能源发电将呈现大规模集中式与分布式并举的格局。为充分发挥全球资源的跨区域互补性,提高清洁能源开发利用和电网运行的稳定性,需要构建具备超大容量、超远距离输电能力且能实现功率灵活调节的洲际电网。随着特高压柔性直流技术和关键设备技术的进步,直流输电技术在洲际互联中将发挥更大作用。

(2)本文提出的洲际电网形态是以特高压柔性直流构建洲际互联骨干网架,现有洲内交流电网以不同功能节点的形式接入到特高压柔性直流骨干网架,集中式清洁能源为主、分布式清洁能源为辅接入,呈现为多节点、多回路的交直流混联电网结构。

(3)构建跨洲大电网需要在更大规模清洁能源并网及消纳技术、特高压柔性直流输电技术、超大交直流混联电网运行控制技术等方面开展探索和研究。

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Discussion on Multi-Node Multi-Circuit AC/DC Hybrid Grid

LI Jun, SHEN Hong, LIU Yao
(Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization, Xicheng District, Beijing 100031, China)

Abstract: Since the industrial revolution, fossil fuels have been extensively developed and used. While promoting economic and social development, it also brings prominent problems such as shortage of resources, environmental pollution and climate change. The global clean energy reserves are abundant. Since the 21st century, the energy structure adjustment featuring electricity as the center and cleaning as the characteristics is accelerating, and it has gradually become the important direction for the sustainable development of energy. The unbalanced distribution of clean energy resources and energy consumption,the intermittent, volatility of wind and solar power generation,put forward higher requirements for future development of the grid. This paper aims to achieve the goal of efficient development and utilization of clean energy worldwide, combines with clean energy and power grid technology development scene, explores the future development of power grids, proposes to use UHVDCVSC transmission as the backbone of intercontinental network and AC/DC hybrid pattern with multi-node and multi-loop as the assumed structure, and puts forward the key technology research direction.

Keywords: UHV flexible DC; multi-node; multi-loop; AC/DC hybrid


作者简介:

李隽

李隽(1971),女,硕士,高级工程师,全球能源互联网发展合作组织经济技术研究院副院长,国际大电网组织(CIGRE)中国委员会委员,主要从事能源发展战略、电力系统规划、电网规划与设计等相关领域研究工作,E-mail: jun-li@geidco.org。

申洪(1971),男,博士,教授级高工,主要研究方向为电力系统分析、电网新技术应用及新能源并网分析。

刘耀(1983),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为直流输电技术。

(责任编辑 夏雪)

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