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      與新能源發電場“聯姻” 調相機為大電網安全運行保駕

      2022-02-15 11:42  來源:科技日報   瀏覽:  

      21臺分布式調相機全部投產后,可直接提升青海海南州地區新能源外送能力350萬千瓦,預計年均增發新能源電量70.2億千瓦時,若全部輸送至華中地區,年均可替代當地火電原煤318.9萬噸,減排二氧化碳574.2萬噸,經濟效益良好,節能減排收益顯著。

      截至2月15日,位于青海省共和縣新能源基地內的世界最大規模新能源調相機群累計增發新能源電量7.85億千瓦時,并且全部輸送至華中地區,相當于替代當地火電原煤35.66萬噸,減排二氧化碳64.21萬噸。

      1月23日,青海海南新能源基地最后3臺50兆乏新能源調相機完成168小時正式運行,標志著世界最大規模新能源分布式調相機群在青海全面建成投運,這也對未來國內其他大型清潔能源基地的建設、運行及外送消納提供了成功示范。

      被譽為電網“穩壓器”的調相機在電網側早已大規模應用,且技術成熟、產品豐富。然而,國內外尚無調相機在新能源場站應用的先例。此次調相機與新能源發電場的首度“聯姻”,成為我國在電源側大規模分布式調相機技術創新方面的有益探索。在實現碳達峰、碳中和目標背景下,我國正以清潔能源產業全力推動能源清潔低碳轉型。

      新能源高占比帶來暫態過電壓問題

      為實現青海新能源電力大規模外送消納,2018年11月7日,起于共和縣、連接青藏高原和中原大地的世界首個新能源遠距離輸送大通道——±800千伏青海至河南特高壓直流輸電工程(以下簡稱青豫直流工程)開工建設。這個新能源大通道額定容量為800萬千瓦,年滿負荷輸送電量達400億千瓦時。

      國網青海省電力公司(以下簡稱國網青海電力)調控中心系統運行處處長陳春萌介紹,青豫直流工程新能源電源裝機規模大、占比高,電壓支撐能力相對薄弱,導致了較為嚴重的暫態過電壓問題,對電網設備設施的安全運行造成威脅,這也成為階段性制約青豫直流工程送出能力的主要因素。

      解決系統暫態過電壓問題,需從電網側和新能源發電側兩頭發力。為此,國網青海電力在青豫直流工程的起點——±800千伏青南換流站配置了4臺30萬千乏調相機。調相機2020年建成投產后,電網側換流站的暫態過電壓問題得以有效解決。

      暫態過電壓的最高點出現在新能源發電側,如何抑制新能源發電側的暫態過電壓問題,此前并無經驗可借鑒,亟待突破創新。

      為新能源場站創新研究分布式調相機

      調相機在電網側早已大規模應用,然而國內外尚無調相機在新能源場站應用的先例。

      2019年,在國家電網有限公司(以下簡稱國家電網公司)的統籌指導下,國家電網公司西北分部、國網青海電力、中國電力科學研究院有限公司、國網經濟技術研究院有限公司等單位深入研究、科學論證,提出了在青海海南州地區4個新能源匯集站安裝21臺50兆乏分布式調相機的解決方案,并進一步明確了分布式調相機的具體性能指標。

      “此次安裝的分布式調相機是一種布置在新能源發電站內,高度集成化的小容量同步調相設備,具備優異的暫態穩態特性和無功調節能力,對維持電力系統電壓穩定起到了重要作用,同時可提高系統短路容量和短路比,從而支撐新能源電力大規模外送,為大電網安全穩定運行保駕護航。”陳春萌說。

      新能源分布式調相機具有系統簡單、集成度高、調節性能好等優點,既能發揮系統動態無功儲備的作用,又能為新能源電站提供次暫態、暫態、穩態的全過程無功補償與電壓支撐,極大地提升了青豫特高壓直流通道的新能源電力輸送能力。

      哈爾濱電氣集團有限公司(以下簡稱哈電集團)哈爾濱電機廠有限責任公司副總經理李春廷介紹:“盡管大型調相機技術已相對成熟,但用于新能源發電側的分布式調相機從設計數據上看,在性能上較常規調相機需提升30%以上,而機組損耗需下降20%。”

      為此,哈電集團、上海電氣集團股份有限公司、東方電氣集團東方電機有限公司三家研發制造企業抽調技術骨干組成專項攻關團隊,打造出了滿足要求、兼具性能和經濟性的新型分布式調相機。專家介紹,新型調相機動態性能好,過載能力強,與傳統調相機相比其動態電壓支撐能力提升了1倍,溫升降低50%,過載能力提升至4.5倍,工頻過電壓耐受能力提升至1.3倍,且具備4000米高海拔運行能力。此外,其高性能控制保護系統首次實現大容量靜止變頻器的國產化大規模工程應用,極大促進了電氣二次設備的技術進步。

      2021年5月,青海電網21臺分布式調相機正式啟動安裝,不久之后,調相機群順利并網。專家表示,這是世界上首次在新能源發電側探索大規模安裝分布式調相機的實踐,可以助力解決新能源高占比帶來的暫態過電壓問題,大幅提升新能源電力送出水平。

      電源側“穩壓器”助力新能源消納

      2021年9月2日12時,在青海海南州千萬千瓦級新能源基地,隨著330千伏旭明變電站1號調相機投入試運行,世界首臺新能源分布式調相機正式落戶青海。同年11月8日,首批11臺新能源分布式調相機全部投入使用,世界首個新能源分布式調相機群形成,使青海海南州地區新能源消納能力提升185萬千瓦。

      “這是世界上首次在電源側大規模安裝分布式調相機,對于推動新能源大規模開發利用,構建清潔低碳、安全高效的能源體系具有重要的示范引領意義。”國家電力調度控制中心系統處專責張怡介紹,與傳統的無功補償裝置相比,分布式調相機具有故障瞬間電壓支撐能力強、暫態響應速度快等優點,可作為電力系統電源側的“穩壓器”,未來將是新型電力系統的重要組成部分。

      得益于分布式調相機的投運,2021年11月16日、17日,青海電網新能源發電出力連續兩日突破千萬千瓦,達到1045萬千瓦和1061萬千瓦,較歷史峰值994萬千瓦分別提升了5.1%和6.7%。此后,新能源發電出力及發電量屢創新高。

      “世界最大規模新能源分布式調相機群,首批11臺調相機經實際運行驗證效果顯著。”國網青海電力調度控制中心主任方保民介紹,這對青海新能源發電出力連續兩日創新高有直接推動作用,大幅緩解了新能源消納壓力。

      “在電源側大規模安裝分布式調相機的探索實踐,將有效解決跨區直流輸電和新能源大規模接入電網帶來的電壓穩定問題,對于加快推動能源轉型發展具有重大意義。”國家電投黃河上游水電開發有限責任公司工程技術部主管薛寧說。

      2021年,青海電網新能源總發電量達到341億千瓦時,新能源發電量占全省總發電量的比例達34.48%。按照解決方案,此次21臺分布式調相機全部投產后,可直接提升青海海南州地區新能源外送能力350萬千瓦,預計年均增發新能源電量70.2億千瓦時,若全部輸送至華中地區,年均可替代當地火電原煤318.9萬噸,減排二氧化碳574.2萬噸,經濟效益良好,節能減排收益顯著。

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