特高压输电助推能源资源远距离、大规模优化配置功炳史册
中国的特高压输电网建设不到10年就具备了世界顶配水平,创造了一批世界纪录,未来中国还将在特高压骨干网的基础上建立全国智能电网。分布式能源、微电网应与特高压交直流输电同步发展,以优势互补、相得益彰。中国的特高压输电技术对世界输电技术是一种贡献,在世界电力发展史上也是一个里程碑式的事件。业界存在对特高压输电的争议是正常的、中肯的、有独到见地的,而中国特高压建设对推进我国能源资源远距离、大规模、低能耗优化配置和煤电替代,对实现全国电力互通互联保障大电网安全运作,对助推西北部地区变资源优势为经济优势,继而决胜全面建成小康社会都具有重大的现实和历史意义,必将功炳史册。
据不完全统计,迄今全球已发生过25次重大停电事故(损失负荷800万千瓦以上),其中美国6次,巴西和欧洲各2次,印度1次。2019年6月16日阿根廷发生大规模停电,波及4800万民众;最严重的2003年美加大停电持续29个小时,波及5000万民众,而这样的大面积停电在中国是零次。
纵观这些大面积停电事件的教训,交流电所供负荷越高、覆盖范围越大、越存在巨大安全隐患。因此一定要通过联系紧密的特高压交流电网提供较为充裕的备用容量。电网很容易遭遇台风、暴雨、雷击、冰凌、污闪、军事破坏等天灾人祸,若无足够的备用容量,会将电网事故迅速蔓延扩大。有鉴于此,要保证电网安全运作,必须在规划、设计、建设、运行中研究电网结构,按“分层分区”原则实行三道保护。国家电网公司和南方电网公司提出了建设特高压国家电网的目标,以实行我国能源资源优化配置,变远距离输煤为远距离输电,助推“西电东送”和煤电替代。
2004年以来,国家电网公司、南方电网公司在组织专业力量对特高压输电技术和输电模式进行广泛论证的基础上,联合国内外各方力量,在特高压理论、技术、标准、装备及工程建设、运行等方面取得全面创新突破,掌握了具有自主知识产权的特高压输电技术,实现了特高压输电技术的“中国创造”和“中国引领”。然而,从特高压试验工程开始、到中央高层表态支持特高压输电工程建设、并陆续建成投运一批特高压输电工程以来,业界对特高压工程建设争议不断,甚至抹黑特高压输电建设的声音也不绝于耳。近日,就中国特高压输电的有关问题,《电力设备管理》杂志记者对我国电力工业设施管理专业机构中国电力设备管理协会执行会长刘斯颉进行了专访。
在中国,特高压电网是指±800千伏及以上的直流电和1000千伏及以上交流电的电压等级的输电网络。据不完全统计,目前我囯已建成投运的特高压线条,其中国家电网已投运的特高压线条。通过特高压建设将使中国电网连成互通互联一张网,在保障电力供应、促进清洁能源发展、改善环境、助推“西电东送”和煤电替代、提升电网安全水平等方面发挥重要作用。
刘斯颉历数了特高压输电的独特优势:“特高压电网最大的一个特点是可以长距离、大容量、低损耗输送电力。一回路特高压直流电网可以送600万千瓦电量,相当于500千伏直流电网的五到六倍,而且送电距离也是后者的二到三倍,因此能源配置效率大幅度的提升。而输送同样功率的电量,如果采用特高压线千伏高压线%的煤炭资源在北部和西北部,80%的水能资源在西南部,而70%以上的能源需求在中东部,这样一个国情就决定着要实施西电东送战略,要把西部、北部的煤炭资源变成电力资源,然后把电力远距离、大容量送到中东部地区。但普通电网的传输距离只有500公里左右,不足以满足传输要求,而特高压的优势刚好这个符合国家能源资源禀赋开发的需求,这是我们一定要发展特高压的根本原因。同时,改变由过去的远距离运煤到东中部地区发电,变陆上输煤为空中输电。这也有效的实现西北部省份变资源优势为经济优势,解决各地区发展不平衡的问题。”
刘斯颉认为,清洁能源的水电以及新能源未来的发展都将有赖于特高压电网。以风电为例,国家规划风电在2020年达到1.5亿千瓦以上的装机容量,但八大风电基地的装机容量占总装机容量的80%,且其中五大基地都在华北、西北、东北地区,仅新疆、甘肃、内蒙古、吉林等地的风电装机就有8000万千瓦。因此,风电消纳存在很大问题,只有借助特高压电网才可将如此集中和不稳定的电力传输到华北和华中等负荷中心。
据有关电力专家、院士介绍,特高压技术并非中国首创,早在二十世纪六十年代国外慢慢的开始建设,美国、苏联、日本和意大利都曾建成交流特高压试验线路,进行了大量的交流特高压输电技术探讨研究和试验,最终苏联和日本还建设了交流特高压线千伏级交流系统的标称电压1150千伏、最高电压1200千伏,在当时全球已有工程中最高,从1985年8月共建成2350公里1150千伏输电线年按系统额定电压1150千伏运行了5年之久。之后由于经济上的解体和政治原因,卡札克斯坦中央调度局将全线千伏电压等级运行,在整个运行期间,过电压保护系统的设计并不是特别需要进行修改,运行情况良好。
日本1000千伏电力系统集中在东京电力公司,1988年开始建设,1999年建成2条总长度430公里的1000千伏输电线千伏变电站。此外,还建成了1座新楱名1100千伏变电站,计划把福岛核电送到东京附近区域,但由于负荷增长停止不前,所有的1000千伏线路和变电站从建成后都一直降压为500千伏电压等级运行。
事实上,早在二十世纪八十年代中国慢慢的开始1000千伏特高压开发并初步做了试验,但底子毕竟太薄,因此始终没太大进展。进入到二十一世纪,中国、巴西、印度三个新兴经济体国家都有远距离、大规模输电的需求——巴西有水电送出的需求,印度因为地域较大也有远距离大规模输电需求,所以三国在本世纪初就分别开始了特高压输电技术的研究,而中国研究力度是最大的。
刘斯颉介绍说,从2004年开始,国家电网公司、南方电网公司都提出要发展特高压输电技术,南方电网企业主要是发展直流特高压技术,国家电网公司则直流、交流并重。这两个电网公司集合国内外力量——主要是国内的高校、科研院所等的力量来协同攻关,经过十多年的努力,特高压输电技术终于研发成功并得到了规模化应用。
聊起己建投运的一批特高压输电工程,刘斯颉如数家珍:在国家的全力支持下,2009年1月6日,我国自主研发、设计和建设的具有自主知识产权的晋东南-南阳-荆门1000千伏特高压交流试验示范工程顺利通过试运行,标志着中国在远距离、大容量、低损耗的特高压核心技术和设备国产化上取得重大突破。这条世界上首次投入运营的特高压交流线千伏电压等级是世界最高的,输送的电能是现有500千伏的5倍,输送过程的电能损耗和占地面积都可节省一半以上,整个工程的投资比500千伏的线路节省三分之一。线千伏晋东南变电站,经河南1000千伏南阳开关站,止于湖北1000千伏荆门变电站,纵跨晋豫鄂三省,其中还包含黄河和汉江两个大跨越段。
2010年四川向家坝—上海±800千伏特高压直流输电示范工程投入运行,这是规划建设的世界上电压等级最高、输送距离最远、容量最大、技术最先进的直流输电工程,被国际大电网组织称之为“世界电力工业发展史上的重要里程碑”;锦屏-苏南±800千伏特高压直流线日顺利通过竣工验收。
2015年7月24日,在江苏省东台市1000千伏淮南-南京-上海线千伏特高压主变器系统在苏州完成安装。此举标志着全球在建顶级规模、变电容量最高、单体供电能力最强的1000千伏特高压变电站核心工程建竣。1000千伏淮南-南京-上海特高压交流工程是国家大气污染防治行动计划12条重点输电通道之一,变电容量1200万千伏安,线公里,新建输电线亿元。该工程是迄今顶级规模、建设难度最大的特高压交流工程,建成后可增强长三角地区电网相互连通、相互支援的能力。
2017年10月世界首条千万千瓦级的特高压直流输电工程锡盟-泰州±800千伏特高压直流输电工程投入商业运行,该工程是世界上首个额定容量达到1000万千伏、受端分层接入500千伏/1000千伏交流电网的±800千伏特高压直流工程,输电容量、最高接入系统电压创造了新的世界纪录,是国家大气污染防治行动计划“四交四直”特高压工程的重要组成部分,也是我国乃至世界特高压直流输电领域的又一里程碑工程。
2019年9月26日,±1100千伏昌吉-古泉特高压直流输电工程正式建成投运,该线万千瓦,是目前世界上电压等级最高、输电容量最大、输电距离最长、技术水平最先进的特高压直流输电工程,刷新了世界电网技术新高度,开启了特高压输电技术发展新纪元。
目前,我国特高压输电技术已走出了国门。巴西美丽山水电项目一期和二期都是国家电网公司研发的技术,设备也都是国内厂家研制生产的。2019年提前投运巴西美丽山二期特高压直流、特里斯皮尔斯输电特许权二期项目,带动了超过70亿元的国产电工装备和工程承包服务出口。
“过去巴西是世界电压等级最高的,在二十世纪80年代末就已经运行了±600千伏,应该说直流输电我们还曾经向人家学习,但是现在中国的技术和设备输出到了巴西。”刘斯颉说:“这是一个跨越式的发展。”
中国特高压技术的成功,得到了全球同行的高度认同和赞赏,全球三大权威电力组织国际电工委员会(Iec)、国际大电网委员会(CIGRE)、国际电气与电子工程师协会(IEEE)对中国研制成功特高压输电技术都给予了极高的评价,而有鉴于中国在电力领域所取得的巨大成就,中国在国际专业领域的话语权也得以大幅度的提高,目前世界三大电力权威机构都各自成立了特高压领域的工作组或技术委员会。
其中Iec专门成立了交流和直流特高压两个技术委员会,其中直流技术委员会主席、秘书长,交流技术委员会主席都是国家电网公司专家,另有10多位中国专家担任IEC工作组召集人,150余位专家参加了IEC工作组的标准编制工作。原国家电网公司董事长、现任中国华能集团公司董事长舒印彪担任IEC第35届副主席并当选第36届主席,IEC主席任期为2020～2022年。这是该组织成立100多年来首次由中国专家担任最高领导职务。
在CIGRE也设立了相应的工作组,大部分也是中国专家主导;IEEE成立的特高压工作组并由国家电网公司副总工程师陈维江院士担任主席,与各国专家一起共同制定了三个特高压国际标准。可以说特高压技术改变了中国在国际电气工程领域一直落后的历史,由追赶者成为了引领人。
以采用±800千伏直流输电方案的溪洛渡、向家坝、乌东德、白鹤滩水电站送出工程为例,与采用±620千伏级直流相比,输电线亿元。据有关电力专业的人介绍,与±600千伏级及600千伏以下超高压直流相比,特高压直流输电的主要技术和经济优势可归纳为六个方面:
输送容量大。采用4000安培晶闸管阀,±800千伏直流特高压输电能力可达到640万千瓦,是±500千伏、300万千瓦高压直流方式的2.1倍,是±600千伏级、380万千瓦高压直流方式的1.7倍,能够充分的发挥规模输电优势。
送电距离长。采用±800千伏直流输电技术使得超远距离的送电成为可能,经济输电距离能够达到2500公里甚至更远,为西南大水电基地以及新能源的开发提供了输电保障。
线路损耗低。在导线总截面、输送容量均相同的情况下,电阻损耗是±500千伏直流线千伏级直流线%,提高输电效率,节省运行费用。
工程投资省。根据有关设计部门的计算,对于超长距离、超大容量输电需求,其单位输送容量综合造价约为±500千伏直流输电方案的72%,节省工程投资效益显著。
走廊利用率高。±800千伏、640万千瓦直流输电方案的线米,单位走廊宽度输送容量为8.4万千瓦/米,是±500千伏、300万千瓦方案和±620千伏、380万千瓦方案的1.3倍左右,提高输电走廊利用效率,节省宝贵的土地资源;由于单回线路输送容量大,显著节省山谷、江河跨越点的有限资源。
运行方式灵活。国家电网公司特高压直流输电采用400+400千伏双十二脉动换流器串联的接线方案,运行方式灵活,系统可靠性大幅度的提升。任何一个换流阀模块出现故障,系统仍能确保75%额定功率的送出。
特高压交流项目建设最重要的包含线路建设和变电站的建设,其中变电站的建设对上游设备的需求效果较为显著。特高压交流项目需求的主要设备包括组合电器开关GIS、变压器、电抗器、无功补偿设备等,根据示范路线数据估计,其占设备投资额的比重分别为24%、18%、16%、5%。
特高压直流项目建设最重要的包含线路建设和换流站的建设,其中换流站的建设对上游设备的需求效果较为显著。根据两条特高压示范路线项目的数据,换流站的主要设备投资占项目总投资的55%。
刘斯颉就此强调,在输电技术里设备是基础。在囯家电网公司的主导下,联合国内设备制造商攻关克难硬是把全套的交、直流特高压设备都研制出来了。在研究过程中难度还是挺大,因为容量大、电压高,诸如电场控制、磁场控制、热场控制等这样一些多物理场的控制问题都要解决,都需要优化来解决。
在整个电力行业的共同努力下,国产特高压全套设备全部研制出来并经过各种试验与考核,总体而言运行良好,意味着中国在特高压输电技术经过十多年的努力已经处于世界领先水平。在2013年、2017年,晋东南-南阳-荆门1000千伏特高压交流试验示范工程、向家坝—上海±800千伏特高压直流输电示范工程分别被授予了中国最高科技奖项——国家科技进步奖特等奖。
刘斯颉也特别指出,特高压技术虽然研发成功了,一批特高压输电工程建成投运了,但毕竟运行时间还是不足够长,特别是建造时间集中,所以有一些问题在研发当中没有暴露出来,但在运行当中就可能会陆续出现——因为随着运行时间的增长,某些设备的性能也将产生一些变化。以特高压直流换流站设备为例,综合相关特高压专家院士的论述,当前特高压输电设备技术所面临的核心问题就有以下几类:
因电压等级升高,换流变压器阀侧绕组、出线结构和套管的内绝缘问题,将是要解决的主要难题之一。阀侧绕组承受较高的交直流混合场强,需使用大量的绝缘成型件等在允许电压下不导电的材料。±800千伏换流变压器阀侧引线绝缘成型件的研制和试验,阀绕组主绝缘、匝绝缘的场强设计和试验是设备研制中需重点解决的难题。
因换流站污秽等级较高而造成的直流场设备绝缘问题。直流设备的污闪在直流场事故中占很大比重,依据工程经验和试验研究,由于直流场的吸污特性,直流设备的爬电距离约为同等污秽条件下交流设备爬距的2倍。随着大气污染问题日渐严重,特高压直流换流站污秽已达Ⅱ级甚至Ⅲ级水平,按此要求爬距需达到70毫米/千伏或更高的要求。在特高压电压下,按规定要求的爬电比距设计,设备已超过现有制造或运行能承受的高度。在重污秽地区,户内场或设备合成化是解决耐污问题的两个可行途径。国家电网公司已将此问题作为重点研究项目,在换流站址进行直流场强下的污秽实测,确定合理、客观的直流污秽水平,通过实际尺寸试验等深入研究,确保设备具备了安全、合理的外绝缘水平,以保障特高压直流安全稳定运行。
此外,诸如环境的交汇等诸多的演化规律,过去可能还不认知的、或者说还没做到的,在运行当中会逐渐的暴露出一些问题,未来就要不断的解决这样一些问题,提高可靠性;另一方面是提高这些工程的效用,把这些特高压工程的作用要充分的发挥出来。
对于特高压电网未来的发展刘斯颉坦承,目前,中国已经完全自主的掌握了特高压技术,未来主要是看国家的经济发展需要来针对性的进行具体工程建设——因为交流特高压和直流特高压还是各有自身特点和区别的。未来一段时期内,特高压技术的发展主要是对自身的逐渐完备,把质量、工程、乃至设备的可靠性都稳定下来,使其发挥更大的效益。具体而言,除技术方面的逐渐完备提升外,最重要的就是对相关设备的升级换代。如果说特高压还有什么显而易见的短板存在,那必然就是设备,还是在它的可靠性提升上。
刘斯颉进而表示,现在的特高压设备都在正常工作,但其可靠性还是有提升的空间,有些是工艺问题,有些是还没有考虑到的问题。任何一项新技术的出现也都是这个规律,研发出来后需要经过一段时间的运行积累和暴露问题,然后再提升,最后趋向稳定。未来特高压技术还是会不断进行进步,关键的技术、关键的设备材料等还是会不断的发展。与此同时,他也精确指出,当前特高压并没有很明显的技术方面短板,虽然从技术上来看其电压等级还有提升的空间,但从需求的角度来看并没有这方面的需要。换句话说,目前特高压技术的电压等级不会再做进一步的提升,因为其已足以满足国家未来一段时期发展的需求。
事实上,受我国电网投资额整体减速影响,特高压投资额增速也已陷入瓶颈期,截至2019年底只核准了交、直流各3条共6条线月国家能源局《关于快速推进一批输变电重点工程规划建设工作的通知》规划了12条特高压工程,包括5条直流特高压项目,7条交流特高压项目,预期有望拉动2000～2200亿元投资规模,其中核心设备具备了超过500亿元的投资机会。
就此刘斯颉认为,特高压电网的建设完全是服务于中国经济的发展,随国家经济的变化,其建设速度做出相应调整是顺理成章的,但相信未来将会加快特高压的建设步伐。
他欣慰地说,中国的特高压输电网建设不到10年就具备了世界顶配水平,创造了一批世界纪录。发展特高压输电,不仅为我国后备能源基地如西藏水电和新疆煤电开发提供经济的输电方式,也为加强与俄罗斯、蒙古、哈萨克斯坦等国的电力合作提供了技术保障。未来中国将在特高压骨干网的基础上建立全国智能电网,而且在这一方面的投入也已超越了美国。
“国网公司和南方电网都很看重特高压设备可靠性的提升工作,我觉得经过三、五年的沉淀与发展后会有一个大的提升,届时总系统以及设备方面应该会更稳定,可靠性将得到更有效的保障。”刘斯颉说:“特高压输电技术对世界输电技术是一种贡献,在世界电力发展史上也是一个里程碑式的重大事件,”
当记者提到,这些年来伴随着特高压建设,业界对发展特高压输电技术争议不断的话题时,刘斯颉认为,业界存在对特高压输电的争议是正常的、中肯的、有独到见地的。但显而易见,特高压输电对推进我国能源资源远距离、大规模、低损耗优化配置,对实现全国电力互通互联保证大电网安全运作,对西部地区变资源优势为经济优势,助推东中部地区与西部地区平衡发展,继而决胜全面建成小康社会都具有重大的现实和历史意义,必将功炳史册。分布式能源、微电网应与特高压交直流输电同步发展,以优势互补、相得益彰。
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