開辟新能源大規模送出新路徑

 

我國清潔能源開發重點集中在西部、北部地區、多處于電網末端，甚至電網空白區域， 交流電網難以支撐大規模常規直流安全穩定運行。為解決這一難題，國家電網公司積極探索，規劃于2018年建成投產張北可再生能源四端環形柔性直流電網示范工程。

 

張北工程是世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術最復雜的柔性直流電網工程，也是世界首個直流電網和首個應用柔直技術進行陸地新能源大規模并網的示范工程。該工程由四座柔性直流換流站和四條直流架空線路組成，其中分別在張家口市康保縣、張北縣建設兩座±500千伏送端柔性直流換流站，承德市豐寧縣建設一座±500千伏調節換流站，在北京建設一座±500千伏受端柔性直流換流站，四條直流架空線路分別為張北—康保、康保—豐寧、豐寧—北京和北京—張北±500千伏直流架空線路，總長654.2千米，構建起輸送大規模風電、光伏、抽水蓄能等多種能源的四端環形柔性直流電網。

 

國網冀北電力嚴格落實國家電網公司統一部署，積極履行“一保兩服務”職責使命，全力推進以建設柔性直流輸電技術為核心的張北柔性直流電網示范工程。工程投運后，既可對張家口地區新能源進行可靠送出與消納，有力支撐低碳綠色冬奧，更可實現并示范在送端弱交流系統條件下大規模清潔能源外送的模式，對探索我國西部、北部地區新能源開發和利用模式具有重要示范意義。未來，在我國采用柔性直流輸電技術實現大規模清潔能源發電并網和輸送，將具有廣闊的應用前景。

 

實現新能源友好接入電網

 

冀北地區新能源資源豐富，擁有風電、光伏、抽水蓄能等多種典型能源要素，具備良好的多能互補建設條件。由于新能源本身的波動性，多種新能源的大規模集中并網，給電網安全穩定運行帶來一定的隱患，如何實現新能源與電網的共同長遠發展，成為擺在張北工程建設面前的一道難題。

 

針對該問題，張北柔直示范工程將構建輸送大規模風電、光伏、抽蓄等多種能源的四端環形柔性直流電網，將有效解決新能源友好并網的難題。該示范工程通過充分發揮柔性直流輸電在新能源開發、利用上的技術優勢，大幅提高新能源并網的可靠性，若發生故障，可實現故障后的潮流轉移。該示范工程還具有良好的靈活性，可實現多種能源靈活交互，提升新能源利用效率。

 

此外，張北柔直示范工程具有良好的擴展性，易于在送、受端擴展新落點。通過在張北構建柔性直流環形電網，可以實現大規模光伏、風能的晝夜互補，以及新能源與儲能電源的靈活能量交互，形成穩定可控的電源送至受端電網，解決大規模新能源接入后的系統調峰問題。位于河北省承德市的豐寧抽水蓄能電站一期、二期工程均已獲得國家核準，投產后，將作為京津及冀北電網主要調峰電站之一。該示范工程將以張北、康保為新能源送端，以豐寧為調節端，以北京為受端，實現新能源和抽水蓄能互補，減小間歇性能源對交流電網的擾動沖擊，實現新能源的“友好接入”。

 

通過技術創新實現成套設計

 

目前，國際上圍繞可再生能源匯集、消納開展了大量研究，其中柔性直流輸電是被重點關注的技術領域。柔性直流輸電送、受端均可與弱電網或無源電網聯系，可對有功功率和無功功率進行獨立快速控制，實現輸電功率動態連續調節，運行方式靈活，具備構建直流電網的條件，可以大規模匯集和送出新能源。

 

成套設計作為張北柔直示范工程的頂層設計和核心技術方案，貫穿于工程全過程，面臨眾多技術難題和理論創新。國網經研院作為成套設計承擔單位，首次完成柔性直流電網的成套設計，其創新引領和科技示范作用重大。

 

大規模新能源孤島接入柔性直流電網的功率盈余問題是工程成套設計中的一大突出技術難題。新能源孤島接入后，由于新能源功率不可控制，容易引起柔直電網功率盈余等問題，甚至大面積停運。面對這一公認技術難題，國網經研院柔直技術攻關團隊攻堅克難，針對新能源電場和柔直電網的穩態及暫態特性開展了大量的理論研究和軟、硬件建模仿真，深入研究了風電、光伏、抽蓄及交直流系統的相互影響，最終首次提出解決功率盈余問題的完整技術方案。這一技術創新，有效避免了柔直電網因單一元件故障而導致大面積停運，從根本上解決了大規模新能源孤島接入柔直電網的功率盈余問題，為風電、光伏等可再生能源大規模可靠并網提供了解決方案。

 

高壓大容量柔性直流電網故障發展速度快、換流閥等核心設備難以同時滿足高安全裕度要求和故障穿越要求是張北柔直示范工程成套設計面臨的另一大技術難題。國網經研院在無任何國內外經驗可借鑒的情況下，潛心鉆研，開展了大量的理論分析、仿真計算和測試驗證工作，利用電流解析的方法完成了柔性直流電網暫態電流計算，在此基礎上提出了限流電抗器全局最優配置方案及關鍵設備暫態電流應力抑制方法，極大地降低了高壓大容量柔直電網的故障發展速度，在滿足故障穿越要求的前提下將換流閥等核心設備的安全裕度提高了近40%，保證了張北柔直電網長期安全可靠運行，實現了我國柔性直流輸電技術的創新和引領。

 

為負荷中心輸送更多清潔電能

 

京津及冀北電網為典型的多方向、多通道、多落點的受端電網，預計2018年京津及冀北電網最大負荷將達到69650兆瓦，2020年京津及冀北電網最大負荷將達到78990兆瓦，“十三五” 期間增速約7.8% 。

 

為滿足北京用電需求，提高非化石能源消費比例，根據國家能源局《關于貫徹落實北京市大氣污染防治工作座談會會議精神有關工作安排》，張北柔直示范工程已列入增加北京外來電能力“七大通道”工程。

 

近年來，冀北地區新能源發展迅猛，但新能源資源富集的張家口地區電能消費總量小，新能源就地消納能力受限。目前，張家口地區新能源主要由500千伏“三站四線”工程和沽源、萬全兩個500千伏變電站匯集送出，現有的新能源送出通道已不能滿足外送需求。預計張北柔直示范工程建成后,到2020年可以滿足4900兆瓦新能源的送出需求，遠期可以滿足7600兆瓦新能源的送出需求，實現了張家口新能源直送入華北地區負荷中心，滿足了新能源送出需要，也為首都注入更多綠色能源。

 

張北柔直示范工程還利用柔性直流環形電網實現了新能源的“友好接入”，有利于滿足張家口可再生能源示范區新能源送出需求和滿足首都重要負荷中心用電需求，將大力促進張家口地區新能源的有序開發、高效送出、靈活消納，并對探索未來電網形態、推動能源革命起到科技引領示范作用。