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汤广福先进输电技术创新与实践

发布时间:2019-08-15 18:37:53

  一、先进输电技术概述

  人们对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,交流输电电压由初的1 .8kV逐步发展到 5、66、110、220、 0、400、500、750、1000kV等水平。

  但是,随着广域交流大的形成,交流电的技术问题也不断涌现,世界范围内大电事故不断发生: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 ~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、复杂的电,可再生能源的大规模开发利用将进一步加剧电的复杂性和控制难度,亟需提高电的安全性、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)超灵活交流输电技术,提高交流线路输送容量、提升电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;

  )柔性直流输电技术,可控度灵活的新型输电方式;

  4)直流,新一代电架构方式,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,向电输出或从电输入可控的无功,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、串补量的500kV可控串补装置(黑龙江冯屯)。

  )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)。

  、我国灵活交流输电整体技术水平国际。

  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。串补装置研制成功使国内工程招标价格下降 0%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。

  三、特高压直流输电技术

  与交流输电技术相比,在进行大规模远距离功率传输时,直流输电的输送容量更大、输送距离更远、单位容量造价和损耗更低,但技术水平要求也更高。

  特高压直流输电是实现未来 西电东送 和大规模远距离 洲际联 的有效手段。目前特高压直流输电主要包括 800kV/5000A、 800kV/6250A和 1100kV/5000A几个等级。

  1、特高压直流输电现状与挑战。

  特高压直流输电中的核心装备包括直流换流阀、换流变压器、直流场设备等,大都为国外跨国公司所垄断。尤其是其中实现交、直流电能转换的核心的换流阀装备,此前只有ABB、SIMENSE和Alstom三家跨国公司具备自主研发能力。

  特高压换流阀研发关键技术包括换流阀系统宽频建模及分布参数提取、换流阀非线性组件协调配合及其优化设计技术、特高压直流换流阀多物理场建模及其数值分析技术、晶闸管智能化触发与监控技术、换流阀系统绝缘配合与过电压保护策略、特高压换流阀均压与屏蔽设计技术、换流阀多源复合等效试验方法等。

  2、试验技术奠定研发基础。

  大功率等效试验技术是先进输电装备研究开发的核心手段,被跨国公司长期封锁。我国经过努力,打破了直流换流阀20年 国内组装,国外试验 的被动局面,提出基于相似理论的试验评价方法和多源复合试验方法,研制出成套试验装备,建成了大功率电力电子北京市重点实验室,获得省部级科技进步一等奖(2007年)和发明二等奖(2014年)各1项。

  、 800kVUHVDC标志性成果。

  1)直流输电技术诞生以来,换流阀核心技术被跨国公司垄断近50年。我国经过努力,研制出世界 800kV/5000A特高压直流换流阀及阀控。提出了换流阀分布参数提取、多物理场数值分析、非线性组件协调配合等方法,解决了换流阀运行特性分析及优化设计难题;突破了 800kV换流阀电压、容量提升带来的重大技术挑战。

  2)项目成果应用于多个特高压直流工程,并实现了产业化。2012年7月,世界 800kV/7200MW锦屏至苏南特高压直流工程;2014年1月,世界 800kV/8000MW哈密至郑州特高压直流工程。此后,相继在溪洛渡至浙西和灵州至绍兴 800kV/8000MW特高压直流输电工程中推广应用,年产值超10亿元。

  ) 800kVUHVDC通过了新产品技术和重大成果两次技术鉴定,鉴定委员会综合评价认为,该成果具有完全自主知识产权,总体技术性能处于国际水平。

  2010年8月15日,国家能源局组织了包括卢强、杨奇逊、郑健超、程时杰、雷清泉等5位院士在内的专家,完成了 800kV/4750A特高压直流换流阀 的新产品技术鉴定。2015年 月11日,中国电机工程学会组织了包括周孝信、郑健超、韩英铎、薛禹胜、李立浧、丁荣军等6位院士在内的专家,完成了 800kV/5000A特高压直流换流阀关键技术研究、产品研制及工程应用 项目成果鉴定。

  4)西门子技术路线换流阀存在的问题:局部温度高( 100℃)、火灾风险大;电磁兼容性差、误动作频繁;阻尼电阻冷却容量小,保护延迟时间短;逻辑接口不标准、设备兼容性差。这些问题威胁特高压直流输电工程的安全稳定运行,迫切需要对其改造,而难度不亚于研制新一代换流阀。

  5)基于自主技术,我国成功改造西门子技术路线换流阀。直流均压电阻运行温度降低至62℃以内;阀控系统无误触发、无误报;低流量时保护延时从4s提高到10s;实现了换流阀阀控系统接口的标准化。改造后工程换流阀投运后,运行状态良好,提高了工程可靠性。

  4、 800kV/6250A换流阀研制。

  完成了 800kV/6250A换流阀的可行性研究;在现有A5000换流阀基础上,攻克大电流工作条件下带来的系列难题;201 年底完成样机研制,并通过试验验证,具备工程应用条件。

  5、 1100kV换流阀关键技术研究。

  在国家 86 计划和国公司重大科技项目的支撑下,全面突破了 1100kV特高压直流换流阀系列关键技术。如:更高电压等级下的大杂散参数复杂系统非线性特征综合指标优化设计方法;更高电压等级下的换流阀系统强电磁骚扰特性分析计算及安全防护设计技术;更高电压等级下的换流阀大电流、多物理场耦合严酷应力分析设计方法和关键零部件研制。

  6、 1100kV换流阀样机研制。

  2014年,成功研制出世界 1100kV特高压直流换流阀样机,并通过型式试验。 1100kV换流阀样机试验:恢复期正向暂态电压试验66. kV;暂态运行电压55.8kV;长期过负荷电流5 67A;故障电流峰值50kA;单阀操作冲击试验电压6 2kV;二重阀操作冲击试验电压2100kV。

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