大湾区直流背靠背广州工程正式投运

来源:南方电网报 作者:刘杰 郭冬冬 发布时间:2022-03-30 11:13 关键词: 柔性直流技术输电
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3月29日,大湾区直流背靠背广州工程(以下简称广州工程)正式投运,它与正在建设的大湾区直流背靠背东莞工程(以下简称为东莞工程)同为广东目标网架建设的重要组成部分。此系列工程建成后,将从根本上化解广东电网短路电流超标、多直流落点风险、大面积停电三大问题,显著提升广东电网电力供应和配置能力。预计2022年将支撑西电东送电量不低于1883亿千瓦时,广东省东西部电力交换能力由410万提升至1000万千瓦。


“这是世界上第一个把柔性直流用到解决系统安全稳定运行方面的项目。广州、东莞工程建成以后,可以系统性地解决短路电流超标的问题,给电网的安全稳定提供支持。”中国工程院院士、南方电网公司专家委员会名誉主任委员李立浧表示。这也标志着,南方电网公司在柔直技术领域继实现并掌握其在主电网应用、特高压多端柔性直流技术后,再次在控制系统方面实现长足进步。“广东电网将成为一个异同步电网,这是世界上第一次用这个名字,对世界电网的发展都很有意义。”李立浧说。


广州工程位于广州市增城区,毗邻居民小区,工程建设中首次采用柔直变压器水冷却、户内布置的设计方案,降低能耗的同时,也实现了全站噪声小于48.5分贝。“一台柔直变压器相当于两只霸王龙那么大,我们运行的有12台,发出的声音仅相当于人正常交谈的音量,与空调开机时的声音相当。”广州工程项目经理朱博介绍。工程建筑主体外观由广州白云机场设计师陈雄设计,与周边环境自然融为一体。


“大湾区直流背靠背工程有非常多的创新,它是世界上最先进的新一代柔性直流背靠背工程。实现了具备异同步联络、容量最大并在直流多馈入负荷中心分区互联等多项世界领先技术。同时,广州工程首次实现了绝缘栅双极型晶体管(以下简称IGBT)国产化比例至50%。我们还通过建设三维数字化应用及智能巡检系统,让工程变得更智能。”南方电网广东电网基建部副总经理谢榕昌表示。


目前东莞工程仍在建设中,预计5月底投产。除了与广州工程享有同样先进的柔直技术外,东莞工程还首次在冲积三角洲地区实现直流输电与水运河道跨行业建设技术融合,是国内地基处理最复杂、桩基使用类型最多的柔性直流背靠背换流站。


保障大湾区能源安全,提升新能源消纳能力,助力“双碳”目标


广州工程与东莞工程统称为大湾区直流背靠背工程,是广东目标网架建设的重要组成部分。这一系列工程建设正是南方电网保障粤港澳大湾区能源安全的重要行动。


随着广东产业结构优化调整和居民生活水平不断提高,广东未来较长一段时期电力需求将保持中速发展。南方电网公司预测,2025年广东全社会用电量将达9000亿千瓦时,最大负荷达1.65亿千瓦,“十四五”期间年均增长分别为5.2%和4.6%。到2035年,广东全社会用电量将达10100亿千瓦时,最大负荷将达1.93亿千瓦。


面对如此巨大的用电需求,广东省在增加电源装机规模方面加紧提速。预计2025年省内电源装机规模约1.95亿千瓦,其中风电和光伏2800万千瓦。2035年广东省内电源装机规模将达到2.46亿千瓦,清洁能源装机占比达到74%。庞大的清洁能源发展目标,尤其是大规模间歇性的海上风电发展,必然需要更坚强的电网来保障送电。


与此同时,电网自身也有改造需求。近几年的数据显示,珠三角地区负荷占广东省70%以上。广东电网通过“八交十一直”输电通道受入西电,占供电负荷的三分之一。高负荷密度、多直流馈入等特征,使得珠三角电网自然形成了高强度联结的网架结构。这是系统具备一定充裕度、满足稳定约束、安全接受外区电力的客观要求。


但是过于紧密、复杂的网架结构也是导致短路电流超标、交直流交互影响大、事故大范围扩散、运行特性复杂、“第三道防线”设置困难等问题的核心原因。国内外多次大面积停电事故的经验教训更让人们对这样规模庞大、联系紧密、结构复杂电网的安全性表示出担忧。


为了避免这种情况,南方电网公司加快广东目标网架整体建设,通过对电网合理分层分区,全面构建容量充足、结构清晰、运行高效、事故可控的主网架结构。


根据“基于500千伏湾区外环的柔性直流互联方案”,南方电网公司将广东电网大概分为东西片区。在粤港澳大湾区外围构建500千伏外环线路,中心处通过柔直背靠背工程实现东西柔性互联;湾区内部大致以珠江口为界,东西两侧利用500千伏柔性直流线路背靠背互联。其中,广州工程,联接珠西北区、珠东北区域电网;东莞工程,联接珠西南与珠东南区域电网。


基于湾区外环为支撑,广东电网将形成东西区电网。其中东区电网为珠东北、珠东南两个供电分区和粤东电源送出分区,西区电网为珠西北、珠西南两个供电分区和粤西电源送出分区。各分区通过2-3个通道与外环相连。


网架实现了合理的分层分区,区域间进行负荷交换,化解电网短路电流超标、多直流落点风险、大面积停电三大问题,显著提升广东电网电力供应和配置能力。“分层分区可以避免‘把鸡蛋放进同一个篮子’,当某一区域电网故障时,不会波及另外区域,避免大规模事故发生。”广东电网公司基建部项目管理科高级经理凌怡珍称。


广州工程投产后,按照计划5月30日连接珠西南、珠东南的大湾区直流背靠背东莞工程也将投产,届时,珠三角负荷中心通过两个直流背靠背工程实现合理分区。


“到2023年底,广东目标网架工程将基本建成,初步具备方案最初设想化解三大问题、合理分区等功能。”凌怡珍说。工程全部建成后,广东省电力供应能力可升至3亿千瓦,是原来的2倍以上。


首次将柔直技术用来解决系统安全稳定运行问题,实现国产IGBT应用率超50%,柔性直流技术继昆柳龙直流工程后再突破


“广东电网建设柔性直流背靠背工程,是世界上第一个把柔性直流用到解决系统安全稳定运行方面的项目。广州、东莞工程建成以后,可以系统性地解决短路电流超标的问题,给电网的安全稳定提供支持。”李立浧表示。


自2013年在广东电网做南澳柔性直流开始,南方电网公司通过鲁西混合直流背靠背工程、昆柳龙多端柔性直流工程实现了柔直技术在主电网应用、掌握了特高压多端柔性直流技术,现在,广东电网建设的直流背靠背工程在控制系统方面比昆柳龙直流工程又进了一步。


通过控制系统的进步,广东电网形成了异同步电网格局。李立浧提出,不同于以前的纯交流电网,也不同于以往通过直流背靠背将两个电网隔开的异步电网,“我们是世界上第一次用异同步电网这个名字,广东电网变成一个异同步电网格局很有意义,对世界电网的发展都很有意义”。


异同步电网听起来像一个悖论,即使一个词汇也很难同时兼具异步、同步,何况一张电网。广东电网有限责任公司基建部项目管理科经理王流火解释道:“异同步指的是电网在不同运行状态下呈现的形态。简单说,直流异同步控制功能兼顾了交直流输电的优点。出现故障时,它自动识别故障,实现电网异步,起到‘防火墙’作用。常态运行时,可以模拟成交流线路,保留原有交流通道的紧急支援能力,实现两侧交流电网的功率自动互济,无需调度人员下发功率指令,电网潮流自动可控。这背后正是控制保护策略起作用。”


广州工程还拥有世界上控制链路延时最短的柔性直流换流站。与交流电网发生高频谐振是柔性直流的重要运行风险,广州工程把链路延时控制在200微秒以内,是世界领先水平,结合控制策略优化,能够有效消除工程面临的谐振风险。


李立浧曾说:“技术引领要有一定的判断能力,中国发展柔性直流技术大有可为。”南方电网公司通过系列工程推动柔性直流技术的深一步发展,是中国电力人对世界电力技术发展作出的贡献。


装备方面,广州工程首次实现工程应用绝缘栅双极型晶体管(以下简称IGBT)器件国产化比例大幅提升至50%。IGBT是能源变换与传输的核心器件,被誉为电力电子装置的“CPU”。作为国家战略性新兴产业,IGBT在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。


广州工程协调管理员薛云涛介绍:“在昆柳龙直流工程中,国产的IGBT器件得到了全场景的应用,但是比例在个位数,在广州工程中,已实现国产IGBT应用率超50%,其中一个完整的换流单元100%使用国产IGBT器件,彻底解决以往工程中IGBT进口依赖的难题。”


除此之外,南方电网公司的技术攻关团队在直流电容器、二次板卡芯片等其他核心部件上狠下工夫,在国内首次研制出了全国产柔性直流换流阀阀段,实现了柔性直流换流阀核心组件包括IGBT、电容器、IGBT驱动板、二次板卡芯片的完全自主可控,并将在大湾区中通道直流背靠背工程实现首次试用。该产品的成功研制及创新应用,解决了柔性直流换流阀关键元器件、零部件依赖进口的“卡脖子”难题,实现“0到1”的突破,推动柔性直流技术自主可控的跨越式发展,提高了我国电工装备制造业的核心竞争力。


三维数字化应用及智能巡检系统、“低噪音”、水冷变压器,南方电网用科技+诚心打造这个大湾区直流背靠背工程


朱博这两天终于可以松一口气,属于他的绝大多数工作终于完成。提起广州工程,朱博就停不下来。最让他引以为傲的不仅仅是工程中的技术创新,以及工程在保障能源安全中的积极意义,更有工程建设中新概念、以及概念背后的人。


“我们这个工程所在地很特殊,换流站东北85米处就是居民小区。居民对身边建设这样一个大型的电网工程有很大顾虑,比如可能的噪音。最终,我们通过多种技术实现全站噪声小于48.5分贝,相当于人正常交谈的音量。”朱博说。


柔直变压器是背靠背工程中体积最大的核心设备。一台变压器长12米、宽4米、高5.1米,大概相当于两只霸王龙并排行走的体积,运输重量却高达360吨,远远高于两只霸王龙的重量。现场平日运行的有12台这样的“巨兽”,却只发出了人正常说话的声量。


这主要源于变压器水冷却方式以及全户内布置方案。相对于常规风冷变压器,水冷变压器整体噪音仅来自油泵和变压器运行中的震动,结合变压器全户内的布置,便可实现对外界基本无噪音影响。而且水冷变压器入口油温较风冷却器更加恒定,冷却效率相对更高,并且无需使用大量风机,极大减少了日常能耗。


在占地方面,由于广州工程采用基于柔性直流技术的背靠背直流输电系统,换流站比常规直流占地更小,该工程总占地面积仅13万平方米。


大湾区直流背靠背工程在数字化方面也做了一些有益的探索。基建过程中运用三维可视化技术进行施工过程管理,后续将以三维模型为纽带,与运行业务深度融合,打造国内首个贯穿全生命周期的三维场景智能运维换流站,系统将融合基建关键数据及换流站站端实时运维数据,实现三维空间场景的智能操作、智能巡视、智能安全、智能检修等应用。项目部成员罗新介绍:“三维数字化应用及智能巡检系统可以简单理解为现实世界的事物镜像到虚拟系统,可以微观到元部件级,并具有智能操作等功能。”


工程建设中,广州工程也多有创新。作为世界电网行业尺寸最大的钢结构建筑,钢结构总长度209米,总宽度146米,总用钢量达6200吨,阀厅为最大跨度达73米的无立柱结构空间。整体钢结构用量达6200吨,有3306个焊接球焊接点,共12380根杆件。要将这样“超大份量”的网架安装至设计标高位置,并不容易。常见的“高空滑移法”施工占用场地大,“分件高空散装”或“分块高空安装”需要大量的高空作业,而网架的下部空间被长时间占用,难以适应阀厅地面多沟道、多设备基础、地面施工周期长的特点,而且存在一定的安全、质量风险。


项目副经理谢剑翔带领技术骨干到广州白云机场取经,使用“大型构件液压同步提升技术”完成网架提升,并对提升过程进行计算机仿真模拟,计算各提升吊点反力值为依据,对网架钢结构单元进行分级加载,从而对各吊点处的液压提升系统伸缸压力进行逐步的分级增加,最终保证了提升的安全可靠。


东莞工程同样如是。今年3月广东雨水非常多,东莞工程的项目经理吴轲却没了往年的担心。原来,为了适应环境变化,工程团队将“海绵城市”的理念用在了背靠背工程上。“我们通过应用雨水分散排放方案,一下雨就可以快速排涝,像海绵吸水一样,减轻了排水管网压力。”


朱博的记录本上还有广州工程创下的许多个“第一”,有些第一随着时间的推移可能成为过往,但是为了这些“第一”走过的日子将永远闪闪发光。“广州工程还有后续要投产的东莞工程,我们终究要做的是为了点亮万家灯火。”


原标题:南方电网助力清洁能源优化配置,柔直技术再获突破


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