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| 柔性低頻交流輸電從技術創新走向工程應用 |
| （時間:2023/8/10 16:23:04） |
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核心提示 柔性低頻交流輸電技術能讓新能源發電設備直接輸出低頻電能，實現廣域組網與電力遠距離送出。國網智研院牽頭組建產學研用聯合攻關團隊，歷經9年研發，掌握了柔性低頻交流輸電系統成套設計、低頻裝備研發與試驗等核心技術，并在我國首批柔性低頻輸電示范工程中應用。
再過一個多月，杭州亞運會即將開幕。6月底投運的杭州220千伏柔性低頻交流輸電示范工程實現了杭州富陽、蕭山兩大負荷中心互聯互通，為杭州亞運會主場館所在區域提供30萬千瓦的靈活電能支撐。這是當前我國電壓等級最高、輸送容量最大的柔性低頻輸電工程。
該工程采用的柔性低頻交流輸電技術是我國原創的輸電技術，能夠支撐中遠距離海上風電和陸上邊遠地區新能源電量大規模高效匯集送出，保障國家能源安全供應，助力能源轉型與“雙碳”目標實現。該項技術還能促進西部新能源產業與區域經濟發展，實現東西部平衡協同發展，推動形成低頻輸變電裝備新產業，帶來顯著的經濟與社會效益。
國網智能電網研究院有限公司作為國內最早從事柔性低頻交流輸電技術研究的科研單位，組建了由中國科學院院士陳維江擔任首席科學家，西安交通大學、中國電科院、南瑞集團、國網浙江電力等單位技術骨干組成的產學研用聯合攻關團隊。攻關團隊依托1項國家重點研發計劃項目、4項國家自然基金項目、13項國家電網有限公司重點項目，歷經9年研發，掌握了柔性低頻交流輸電系統-裝備-試驗核心技術，并成功應用于我國首批柔性低頻輸電示范工程。
勇闖技術無人區，創立柔性低頻交流輸電系統構建理論
“柔性低頻交流輸電借助電力電子技術，可以靈活選擇0～50赫茲范圍內的合適頻率，頻率低于工頻，線路阻抗減小，線路壓降和充電功率小，電纜載流量提高，可顯著提升輸電能力，同時具備電流過零開斷、易組網的優勢，并且新能源發電設備可直接輸出低頻電能，無須增加變頻站。”國網智研院電力電子研究所柔性交流輸電裝備技術研究室主任陸振綱介紹道。
柔性低頻交流輸電通常采用電壓源型換流器，實現交交換流，有功、無功可四象限運行，具備類似柔性直流輸電的柔性調控能力，如潮流靈活調節、無功補償、電壓動態支撐等。
國網智研院牽頭組建的柔性低頻交流輸電技術攻關團隊創立了柔性低頻交流輸電系統構建理論，提出了計及系統運行方式最優、建設經濟性最優的柔性低頻交流輸電頻率優選方法，以及新能源組網形態與系統構建方法。團隊還提出，柔性低頻交流輸電在70～250千米的海上風電送出場景中技術經濟優勢明顯，并可實現“沙戈荒”大型風電光伏基地100千米半徑廣域組網以及500千米內優選并網點位置。
團隊牽頭承擔了杭州220千伏柔性低頻交流輸電示范工程的成套設計和交交換流器、可控避雷器等核心裝備研發，為工程成功投運打下了堅實基礎。
研制高壓大容量低頻設備，實現柔性低頻交流輸電設備升級
交交換流器作為柔性低頻交流輸電系統的“心臟”，對柔性低頻交流輸電技術的推廣應用有著至關重要的影響。國網智研院研制高壓大容量模塊化多電平交交換流閥，揭示了交流到交流的異頻能量交互作用機理，并應用于杭州220千伏柔性低頻交流輸電示范工程，形成了核心裝備的全自主知識產權體系。
同時，國網智研院攻克了低頻電氣設備關鍵技術，掌握了低頻下外絕緣放電規律；攻克了低頻電流長燃弧開斷方法，解決了長燃弧燒蝕觸頭難題，大幅延長了低頻斷路器壽命；提出低頻變壓器等線圈類設備輕型化、緊湊化方案，滿足了具有高溫、高濕、高鹽霧、高維護成本特點的海上風電場景應用需求；研制了低頻可控避雷器，有效降低了系統操作過電壓水平，為將來研制用于海上風電場景的耗能限壓裝置打下基礎。
國網智研院電力電子研究所所長趙國亮介紹，依托國家重點研發計劃“柔性低頻輸電關鍵技術”項目，攻關團隊攻克了高壓大容量柔性低頻交流輸電系統成套設計、關鍵設備設計及優化、控制保護等核心技術。在此基礎上，團隊形成了220千伏柔性交交換流器、低頻變壓器、低頻快速斷路器等一系列世界首臺首套設備成果，搶占了全球柔性低頻交流輸電領域核心裝備和關鍵技術制高點，為后續技術推廣應用奠定了基礎。
建設柔性低頻交流輸電工程，為實現大規模推廣應用積累經驗
目前，國網智研院已構建了柔性低頻交流輸電系統與裝備試驗檢驗體系，具有一流的設備試驗、系統調試能力，可為柔性低頻交流輸電工程成功投運提供技術支撐。近年來，國網智研院參與建設了浙江臺州海島風電35千伏、杭州220千伏柔性低頻輸電示范工程，實現柔性低頻交流輸電系統與設備的實證驗證。
臺州海島風電35千伏柔性低頻交流輸電示范工程于2022年6月投運。該工程改造了3臺低頻風機，通過全功率變流器直接輸出20赫茲的低頻交流電，滿足柔性低頻交流輸電技術的電源側要求；在低頻變流器控制、低頻并網技術、低頻整機系統控制保護策略、低頻建模與仿真技術、低頻測試技術等方面取得重大突破，為海上風電柔性低頻交流輸電研發了關鍵技術裝備，探索了實施路徑。
杭州220千伏柔性低頻交流輸電示范工程實現了500千伏富陽和昇光變電站供區30萬千瓦的柔性潮流互濟，提升了電網事故支援能力，提高了亞運會場館靈活供電能力。單站換流閥可在靜止同步補償器模式下運行，提供30萬千乏的動態可調無功，穩定工頻交流母線電壓，降低交流系統故障誘發浙北、紹興換流站換相失敗的風險，提升區域電網安全穩定性。該工程的成功投運為將來建設更高電壓等級、更遠輸送距離、更大傳輸容量的柔性低頻交流輸電系統積累了經驗。
中國工程院院士湯廣福近日在接受央視采訪時表示，柔性低頻交流輸電技術除了應用于城市內部電網互聯外，在中遠距離海上風電送出、多島嶼互聯等場景也有著明顯的經濟優勢，無須建設和運維大型海上平臺，整體施工時間更短、成本更低、效率更高。除此之外，該技術還可應用于“沙戈荒”大型風電光伏基地送出與西部廣域弱電網等場景，實現并網點電壓的靈活調控及對工頻交流弱系統的主動支撐，提升電網穩定性。
預計到2030年，我國海上風電開發規模將達9000萬千瓦，“沙戈荒”大型風電光伏基地總體規劃規模將達4.55億千瓦。隨著新能源開發規模的持續擴大，柔性低頻交流輸電技術有望得到更廣泛的應用，為推動我國能源轉型、實現“雙碳”目標提供技術支撐。
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