核心提示：7月27日，張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)示范工程（以下簡(jiǎn)稱“張北柔直示范工程”）成套設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)方案通過專家評(píng)審。該工程由國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院承擔(dān)設(shè)計(jì)、國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司主導(dǎo)建設(shè)，將落地在國(guó)務(wù)院確定的張家口可再生能源示范區(qū)。該地區(qū)也是國(guó)家電網(wǎng)公司確定的全球能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)，到2020年，預(yù)計(jì)新能源裝機(jī)容量達(dá)到2000萬千瓦。以建設(shè)張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)工程為契機(jī)，國(guó)家電網(wǎng)公司正著力打造“柔性直流”新能源輸送示范工程。
開辟新能源：大規(guī)模送出新路徑
我國(guó)清潔能源開發(fā)重點(diǎn)集中在西部、北部地區(qū)、多處于電網(wǎng)末端，甚至電網(wǎng)空白區(qū)域，交流電網(wǎng)難以支撐大規(guī)模常規(guī)直流安全穩(wěn)定運(yùn)行。為解決這一難題，國(guó)家電網(wǎng)公司積極探索，規(guī)劃于2018年建成投產(chǎn)張北可再生能源四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng)示范工程。
張北工程是世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、技術(shù)最復(fù)雜的柔性直流電網(wǎng)工程，也是世界首個(gè)直流電網(wǎng)和首個(gè)應(yīng)用柔直技術(shù)進(jìn)行陸地新能源大規(guī)模并網(wǎng)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?？h、張北縣建設(shè)兩座±500千伏送端柔性直流換流站，承德市豐寧縣建設(shè)一座±500千伏調(diào)節(jié)換流站，在北京建設(shè)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(zhǎng)654.2千米，構(gòu)建起輸送大規(guī)模風(fēng)電、光伏、抽水蓄能等多種能源的四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng)。
國(guó)網(wǎng)冀北電力嚴(yán)格落實(shí)國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)一部署，積極履行“一保兩服務(wù)”職責(zé)使命，全力推進(jìn)以建設(shè)柔性直流輸電技術(shù)為核心的張北柔性直流電網(wǎng)示范工程。工程投運(yùn)后，既可對(duì)張家口地區(qū)新能源進(jìn)行可靠送出與消納，有力支撐低碳綠色冬奧，更可實(shí)現(xiàn)并示范在送端弱交流系統(tǒng)條件下大規(guī)模清潔能源外送的模式，對(duì)探索我國(guó)西部、北部地區(qū)新能源開發(fā)和利用模式具有重要示范意義。未來，在我國(guó)采用柔性直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模清潔能源發(fā)電并網(wǎng)和輸送，將具有廣闊的應(yīng)用前景。
實(shí)現(xiàn)新能源 友好接入電網(wǎng)
冀北地區(qū)新能源資源豐富，擁有風(fēng)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(bǔ)建設(shè)條件。由于新能源本身的波動(dòng)性，多種新能源的大規(guī)模集中并網(wǎng)，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的隱患，如何實(shí)現(xiàn)新能源與電網(wǎng)的共同長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，成為擺在張北工程建設(shè)面前的一道難題。
針對(duì)該問題，張北柔直示范工程將構(gòu)建輸送大規(guī)模風(fēng)電、光伏、抽蓄等多種能源的四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng)，將有效解決新能源友好并網(wǎng)的難題。該示范工程通過充分發(fā)揮柔性直流輸電在新能源開發(fā)、利用上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，大幅提高新能源并網(wǎng)的可靠性，若發(fā)生故障，可實(shí)現(xiàn)故障后的潮流轉(zhuǎn)移。該示范工程還具有良好的靈活性，可實(shí)現(xiàn)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(kuò)展性，易于在送、受端擴(kuò)展新落點(diǎn)。通過在張北構(gòu)建柔性直流環(huán)形電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光伏、風(fēng)能的晝夜互補(bǔ)，以及新能源與儲(chǔ)能電源的靈活能量交互，形成穩(wěn)定可控的電源送至受端電網(wǎng)，解決大規(guī)模新能源接入后的系統(tǒng)調(diào)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(guó)家核準(zhǔn)，投產(chǎn)后，將作為京津及冀北電網(wǎng)主要調(diào)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(diào)節(jié)端，以北京為受端，實(shí)現(xiàn)新能源和抽水蓄能互補(bǔ)，減小間歇性能源對(duì)交流電網(wǎng)的擾動(dòng)沖擊，實(shí)現(xiàn)新能源的“友好接入”。
通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)成套設(shè)計(jì)
目前，國(guó)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(diǎn)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。柔性直流輸電送、受端均可與弱電網(wǎng)或無源電網(wǎng)聯(lián)系，可對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行獨(dú)立快速控制，實(shí)現(xiàn)輸電功率動(dòng)態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)，運(yùn)行方式靈活，具備構(gòu)建直流電網(wǎng)的條件，可以大規(guī)模匯集和送出新能源。
成套設(shè)計(jì)作為張北柔直示范工程的頂層設(shè)計(jì)和核心技術(shù)方案，貫穿于工程全過程，面臨眾多技術(shù)難題和理論創(chuàng)新。國(guó)網(wǎng)經(jīng)研院作為成套設(shè)計(jì)承擔(dān)單位，首次完成柔性直流電網(wǎng)的成套設(shè)計(jì)，其創(chuàng)新引領(lǐng)和科技示范作用重大。
大規(guī)模新能源孤島接入柔性直流電網(wǎng)的功率盈余問題是工程成套設(shè)計(jì)中的一大突出技術(shù)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(wǎng)功率盈余等問題，甚至大面積停運(yùn)。面對(duì)這一公認(rèn)技術(shù)難題，國(guó)網(wǎng)經(jīng)研院柔直技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，針對(duì)新能源電場(chǎng)和柔直電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)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(fēng)電、光伏、抽蓄及交直流系統(tǒng)的相互影響，最終首次提出解決功率盈余問題的完整技術(shù)方案。這一技術(shù)創(chuàng)新，有效避免了柔直電網(wǎng)因單一元件故障而導(dǎo)致大面積停運(yùn)，從根本上解決了大規(guī)模新能源孤島接入柔直電網(wǎng)的功率盈余問題，為風(fēng)電、光伏等可再生能源大規(guī)模可靠并網(wǎng)提供了解決方案。
高壓大容量柔性直流電網(wǎng)故障發(fā)展速度快、換流閥等核心設(shè)備難以同時(shí)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(shè)計(jì)面臨的另一大技術(shù)難題。國(guó)網(wǎng)經(jīng)研院在無任何國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，潛心鉆研，開展了大量的理論分析、仿真計(jì)算和測(cè)試驗(yàn)證工作，利用電流解析的方法完成了柔性直流電網(wǎng)暫態(tài)電流計(jì)算，在此基礎(chǔ)上提出了限流電抗器全局最優(yōu)配置方案及關(guān)鍵設(shè)備暫態(tài)電流應(yīng)力抑制方法，極大地降低了高壓大容量柔直電網(wǎng)的故障發(fā)展速度，在滿足故障穿越要求的前提下將換流閥等核心設(shè)備的安全裕度提高了近40%，保證了張北柔直電網(wǎng)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)柔性直流輸電技術(shù)的創(chuàng)新和引領(lǐng)。
為負(fù)荷中心輸送更多清潔電能
京津及冀北電網(wǎng)為典型的多方向、多通道、多落點(diǎn)的受端電網(wǎng)，預(yù)計(jì)2018年京津及冀北電網(wǎng)最大負(fù)荷將達(dá)到69650兆瓦，2020年京津及冀北電網(wǎng)最大負(fù)荷將達(dá)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(fèi)比例，根據(jù)國(guó)家能源局《關(guān)于貫徹落實(shí)北京市大氣污染防治工作座談會(huì)會(huì)議精神有關(guān)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(qū)新能源發(fā)展迅猛，但新能源資源富集的張家口地區(qū)電能消費(fèi)總量小，新能源就地消納能力受限。目前，張家口地區(qū)新能源主要由500千伏“三站四線”工程和沽源、萬全兩個(gè)500千伏變電站匯集送出，現(xiàn)有的新能源送出通道已不能滿足外送需求。預(yù)計(jì)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(yuǎn)期可以滿足7600兆瓦新能源的送出需求，實(shí)現(xiàn)了張家口新能源直送入華北地區(qū)負(fù)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(huán)形電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)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(qū)新能源送出需求和滿足首都重要負(fù)荷中心用電需求，將大力促進(jìn)張家口地區(qū)新能源的有序開發(fā)、高效送出、靈活消納，并對(duì)探索未來電網(wǎng)形態(tài)、推動(dòng)能源革命起到科技引領(lǐng)示范作用。