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傳統(tǒng)特高壓對(duì)新能源基地發(fā)展的影響

中國(guó)電力企業(yè)管理發(fā)布時(shí)間:2023-07-31 10:38:59  作者:肖玲娟 等

大力發(fā)展新能源是我國(guó)踐行“雙碳”目標(biāo),著力構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系的重要途徑。但我們必須清醒地意識(shí)到電力消納問題已逐步成為制約新能源進(jìn)一步發(fā)展的主要問題。“通過直流特高壓線路進(jìn)行電力外送”作為解決電力資源與負(fù)荷區(qū)域不平衡的主要路徑,從理論上來講,可以解決能源負(fù)荷分布失衡與新能源消納問題,但在實(shí)際運(yùn)行中還存在著諸多現(xiàn)實(shí)性的制約因素,無法從根本上解決外送消納的問題。本文從現(xiàn)有直流特高壓線路外送存在問題切入,結(jié)合擬規(guī)劃建設(shè)的新能源基地項(xiàng)目對(duì)外送電情況進(jìn)行系統(tǒng)推演分析,并提出針對(duì)性建議。

(來源:微信公眾號(hào)“中國(guó)電力企業(yè)管理” 作者:肖玲娟等)

傳統(tǒng)直流特高壓線路運(yùn)行

面臨的主要問題

無法滿足功率靈活調(diào)節(jié)的客觀需求,進(jìn)一步加劇受電端省份的調(diào)峰難度。受常規(guī)直流采用的晶閘管換流技術(shù)特性限制,常規(guī)直流特高壓不能實(shí)現(xiàn)功率靈活調(diào)節(jié),已投運(yùn)的直流特高壓線路基本采用兩段式或三段式功率曲線,與受電端省份的負(fù)荷曲線無法完全匹配,一定程度上甚至可能加劇受電端省份的峰谷差,增大其調(diào)峰難度。近期,山東、河南、江西、河北等多個(gè)省份自身的調(diào)峰壓力日漸增長(zhǎng),作為主要受電端省份如再消納外部直流輸電將面臨更為嚴(yán)峻的調(diào)峰挑戰(zhàn)。

多饋入受電端省份無法承受和消納多條直流特高壓線路電力電量。受電端省份交流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是制約特高壓線路輸送能力的關(guān)鍵因素,尤其是多饋入點(diǎn)的受電端省份更面臨巨大挑戰(zhàn)。如天中直流和青豫直流均落點(diǎn)河南省,在正常運(yùn)行中兩條直流之間存在耦合效應(yīng)。為保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行,兩者只能按照總送電功率不超過600萬千瓦控制,輸送功率此消彼長(zhǎng)、互為制約。同時(shí),天中直流、青豫直流與長(zhǎng)南線(華中華北交流特高壓聯(lián)絡(luò)線)也存在著耦合效應(yīng),當(dāng)兩個(gè)直流高負(fù)荷率運(yùn)行時(shí),會(huì)將特高壓長(zhǎng)南線調(diào)減出力。在“十四五”規(guī)劃中,存在兩條及以上直流特高壓線路落點(diǎn)的受電端省份(如山東、河南、浙江等省份)均將面臨此困境。

“水電大省”電力市場(chǎng)供需存在季節(jié)性波動(dòng),嚴(yán)重影響外送線路利用率。如果受電端省份為水電大?。ㄈ绾?、四川等省份),其電力需求則會(huì)存在較大的季節(jié)性波動(dòng),豐水期基本不需受入電量,需求主要在枯水期,特高壓線路的利用率因此受到嚴(yán)重影響。以四川為例,水電裝機(jī)容量占比高達(dá)80%。豐水期(6~10月),四川的水電機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行,屬于外送型電網(wǎng),尤其是日間平谷段水電大量富余??菟冢?1月~次年5月),四川的水電發(fā)電能力大幅下降,只占豐水期的40%左右,需要通過外購(gòu)電來滿足省內(nèi)的用電需求。該類季節(jié)性用電缺口從根本上對(duì)外送線路的利用率存在不可調(diào)和的限制,不利于新能源基地持續(xù)、穩(wěn)定的外送輸出。

大容量、高比例新能源接入

加劇對(duì)傳統(tǒng)直流特高壓的挑戰(zhàn)

電網(wǎng)平穩(wěn)調(diào)度、供需動(dòng)態(tài)平衡,與新能源發(fā)電“靠天吃飯”特性存在較大沖突。新能源發(fā)電出力受風(fēng)力、光照等氣候因素影響,難以實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定供電或根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)節(jié)發(fā)電出力。同時(shí),隨機(jī)性和波動(dòng)性也降低了發(fā)電曲線置信度。以風(fēng)電為例,單個(gè)場(chǎng)站的風(fēng)功率1分鐘波動(dòng)值最大約為20%,10分鐘波動(dòng)最大值可達(dá)100%甚至更大。日內(nèi)逆調(diào)峰特性加劇“鴨型曲線”現(xiàn)象。一般而言,風(fēng)電夜間大發(fā)時(shí)是用電低谷,用電高峰期風(fēng)電出力反而較?。还夥l(fā)電在晚高峰出力為零,大量的光伏接入電網(wǎng)、特別是分布式接入,導(dǎo)致“鴨型曲線”效應(yīng)越來越嚴(yán)重。

常規(guī)電源集中性好、單機(jī)容量大,設(shè)備性能穩(wěn)定,計(jì)劃性強(qiáng),調(diào)節(jié)主要以負(fù)荷側(cè)變化為主。反觀新能源裝機(jī),單體容量小、發(fā)電曲線變化多且快,電壓接入等級(jí)不同、源荷同為變量,對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度方式均形成巨大挑戰(zhàn)。隨著新能源裝機(jī)比例的逐步提升,電網(wǎng)功率實(shí)時(shí)平衡難度進(jìn)一步增大,電網(wǎng)潮流多變,可測(cè)、可控、可調(diào)難度呈指數(shù)型上升。

規(guī)?;履茉吹慕尤?,將導(dǎo)致電網(wǎng)抗干擾能力下降,系統(tǒng)的安全性穩(wěn)定性無法有效保證。系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大,電網(wǎng)穩(wěn)定性越強(qiáng)。旋轉(zhuǎn)設(shè)備被靜止設(shè)備替代,即新能源發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源發(fā)電方式,系統(tǒng)慣量不再隨規(guī)模增長(zhǎng)、甚至呈下降趨勢(shì)。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí),由于有效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小,系統(tǒng)整體波動(dòng)加劇,兼之新能源機(jī)組電壓、頻率耐受能力差,新能源可能出現(xiàn)大規(guī)模脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),并引發(fā)系統(tǒng)連鎖反應(yīng)。新能源機(jī)組動(dòng)態(tài)無功支撐能力較常規(guī)電源弱,且新能源發(fā)電逐級(jí)升壓接入電網(wǎng),與主網(wǎng)的電氣距離是常規(guī)機(jī)組的2~3倍。隨著新能源發(fā)電占比快速提高,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備及支撐能力急劇下降,系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題突出,高比例新能源接入地區(qū)的電壓控制困難,高比例受電地區(qū)的動(dòng)態(tài)無功支撐能力不足。

風(fēng)光變流器等大量電力電子設(shè)備接入,電能質(zhì)量問題日益突出,不僅傳統(tǒng)電網(wǎng)頻率、電壓和功角穩(wěn)定問題受到深度影響,而且出現(xiàn)新的次/超同步振蕩穩(wěn)定問題,造成火電機(jī)組連鎖跳閘,從而帶來新的電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

常規(guī)直流特高壓技術(shù)特性劣勢(shì)制約新能源高比例送出。常規(guī)直流特高壓采用半控晶閘管作為換流核心元件,在換流過程中,無論整流還是逆變,均需要吸收大量無功功率保證換流器運(yùn)行。一般無功消耗約為有功的40%~60%,因此傳統(tǒng)直流特高壓送受電端均需要能夠提供大量的無功功率的交流電網(wǎng)作為支撐。當(dāng)直流特高壓發(fā)生換相失敗、甩負(fù)荷或換流器閉鎖故障時(shí),系統(tǒng)輸送功率大量缺失甚至中斷,此時(shí)無功補(bǔ)償過剩,引發(fā)送端換流站母線暫態(tài)過電壓,而隨著新能源大規(guī)模接入送端電網(wǎng),使得交流系統(tǒng)強(qiáng)度進(jìn)一步降低,加劇過電壓嚴(yán)重程度,如果過電壓進(jìn)一步誘發(fā)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng),將導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大。因此,常規(guī)特高壓送電端需要配備滿足一定電氣距離的煤電機(jī)組作為解決暫態(tài)過電壓的措施,并且為了保障電網(wǎng)設(shè)備安全,現(xiàn)有直流特高壓會(huì)采取降功率運(yùn)行方式來滿足暫態(tài)過電壓安全裕度。

受暫態(tài)過電壓限制,嚴(yán)重制約了直流輸電能力,天中、吉泉、祁韶、魯固、錫泰等線路均因此受限,同時(shí)直流特高壓輸送功率與新能源送電功率還存在反向制約關(guān)系。如青豫直流輸送功率提高到400萬千瓦,則新能源上網(wǎng)功率必須小于260萬千瓦;吉泉直流輸送功率由600萬千瓦提升至1000萬千瓦,近區(qū)風(fēng)電接納能力則由450萬千瓦下降至300萬千瓦。從運(yùn)行情況看已投運(yùn)的風(fēng)光火為主力電源的直流特高壓線路可再生能源電量占比均不足40%。

直流特高壓外送對(duì)沙戈荒

新能源基地制約的案例分析

以寧夏騰格里沙漠基地項(xiàng)目為例,其配套電源裝機(jī)1764萬千瓦,其中煤電464萬千瓦,風(fēng)電400萬千瓦,光伏900萬千瓦。通過寧夏-湖南±800千伏直流特高壓外送,設(shè)計(jì)輸送能力800萬千瓦。

近電氣距離的煤電機(jī)組建設(shè)條件差。受暫態(tài)過電壓影響,需配套煤電機(jī)組直接接入換流站,滿足一定電氣距離,提高對(duì)直流的支撐能力。煤電廠廠址調(diào)整后,煤炭運(yùn)輸距離增大,導(dǎo)致到廠煤價(jià)上漲,當(dāng)入爐煤價(jià)提高140元/噸時(shí),度電成本增加0.042元/千瓦時(shí)。

煤電提供可靠支持,但擠占新能源發(fā)電空間。為保證對(duì)直流特高壓線路的無功支撐,配套煤電機(jī)組需常態(tài)保持開機(jī)方式。按照煤電機(jī)組最小出力30%考慮,午間光伏大發(fā)時(shí),即使線路滿送,不考慮風(fēng)電發(fā)電量,僅光伏棄電功率將達(dá)到約240萬~300萬千瓦,此時(shí)段棄電率達(dá)到27%。

大量?jī)?chǔ)能緩解限電情況但降低項(xiàng)目收益率。為保證外送輸電通道可再生能源電量比例原則上不低于50%,需要配置高冗余新能源裝機(jī),同時(shí)為解決午間光伏大發(fā)高棄電率和晚高峰頂峰需求的問題,要同步配置高比例儲(chǔ)能,投資大幅增加,進(jìn)一步降低項(xiàng)目收益率。當(dāng)儲(chǔ)能容量由20%,2小時(shí)調(diào)整至20%,4小時(shí)時(shí),投資增加導(dǎo)致資本金收益率降低0.6個(gè)百分點(diǎn)。

兩省發(fā)受曲線匹配困難。湖南省的用電曲線和寧夏新能源基地的發(fā)電曲線存在季節(jié)性和日間錯(cuò)配現(xiàn)象。從受電端省份湖南省的用電曲線看(見圖1、圖2),湖南省用電負(fù)荷呈現(xiàn)工作日內(nèi)日峰谷差明顯,最大峰谷差達(dá)40%以上,用電高峰時(shí)段為9:00~11:00、18:00~21:00,且節(jié)假日負(fù)荷曲線較工作日下降最大可達(dá)40%左右,與光伏發(fā)電曲線匹配性差;年際最高負(fù)荷變化幅度大,3~6月最高負(fù)荷明顯降低,年際變化幅度超50%,而寧夏風(fēng)電則呈現(xiàn)夏季發(fā)電量低的特點(diǎn),尤其是7、8月。如果湖南省根據(jù)用電負(fù)荷情況修改送電功率曲線,將會(huì)造成更高的棄風(fēng)、棄光率。如受電端需求減少,通道送電功率400萬千瓦,除去煤電最低運(yùn)行負(fù)荷,午間僅棄光率就超過70%,晚間風(fēng)電大發(fā)時(shí),棄風(fēng)率達(dá)到20%左右。

電網(wǎng)需配備大量集中式或分布式調(diào)相機(jī)。根據(jù)相關(guān)測(cè)算,夏腰方式下直流滿送,新能源大發(fā),火電保持開一半方式下,直流特高壓三次換相失敗閉鎖情況下,暫態(tài)過電壓標(biāo)幺值超過1.3,還需加裝20臺(tái)分布式調(diào)相機(jī)。

結(jié)論及建議

多維度綜合考慮基地項(xiàng)目選址論證?;仨?xiàng)目規(guī)劃論證要綜合考慮消納、電力市場(chǎng)、場(chǎng)址、資源、技術(shù)方案等多方面因素,加強(qiáng)源網(wǎng)合作力度,延伸源網(wǎng)合作工作周期。抓住目前項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)中的主要矛盾,即在優(yōu)先解決外部條件的情況下進(jìn)行內(nèi)部?jī)?yōu)化,減少項(xiàng)目不可控因素,將電源端投資經(jīng)營(yíng)壓力與電網(wǎng)企業(yè)在特高壓線路的投資經(jīng)營(yíng)壓力實(shí)現(xiàn)捆綁,促使源網(wǎng)同時(shí)發(fā)力,更好地解決消納問題。

加快柔性直流技術(shù)的研究和試點(diǎn)應(yīng)用?;谌嵝灾绷骶邆淙缦录夹g(shù)優(yōu)勢(shì):可實(shí)現(xiàn)無源孤島送電、在受電端電網(wǎng)不存在換相失敗,具備電壓支撐能力、不需要火電等常規(guī)電源為其電壓支持,可改善受電端電壓穩(wěn)定性,功率調(diào)節(jié)靈活,送電曲線可以靈活調(diào)節(jié)、不需采用常規(guī)直流的臺(tái)階式曲線,在送受電端之間分擔(dān)新能源的調(diào)峰需求的技術(shù)優(yōu)勢(shì),建議大力推進(jìn)柔性直流研發(fā)應(yīng)用,著力推進(jìn)柔性直流在設(shè)備成本、輸送容量、輸送距離、單站損耗等瓶頸技術(shù)的研發(fā)力度,建議把遠(yuǎn)海風(fēng)電基地送出作為示范應(yīng)用場(chǎng)景,推動(dòng)在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)試點(diǎn)工程,充分發(fā)揮柔性直流在新能源消納方面靈活性和安全性的優(yōu)勢(shì)。

合理設(shè)置傳統(tǒng)直流特高壓可再生能源電量占比。細(xì)化可再生能源基地分類。結(jié)合基地項(xiàng)目資源情況、電源裝機(jī)類型及消納路徑,匹配不同類型的特高壓線路建設(shè)型式,并分類合理設(shè)置電量占比,避免“大撥轟、一刀切”現(xiàn)象,建議將風(fēng)光火儲(chǔ)等基地外送項(xiàng)目可再生能源電量占比由50%調(diào)整為40%左右,水風(fēng)光儲(chǔ)或水火風(fēng)光等基地項(xiàng)目可再生能源電量占比可酌情提高的合理化建議。

合理設(shè)置裝機(jī)方案,豐富拓展集團(tuán)“一體化調(diào)度”內(nèi)涵。結(jié)合受電省份的實(shí)際消納情況合理配置新能源裝機(jī),合理控制光伏超配比率和儲(chǔ)能設(shè)備的配置規(guī)模,爭(zhēng)取較優(yōu)的送電曲線,進(jìn)一步拓展豐富“一體化調(diào)度”內(nèi)涵,綜合考慮送電端、受電端相關(guān)省區(qū)煤電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等各電源點(diǎn)的機(jī)組容量、電價(jià)、市場(chǎng)需求等因素,統(tǒng)一研究售電營(yíng)銷策略、發(fā)電調(diào)度計(jì)劃、機(jī)組檢修計(jì)劃等,統(tǒng)籌開展風(fēng)光火、跨省區(qū)的統(tǒng)籌調(diào)度。

(本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn))

本文刊載于《中國(guó)電力企業(yè)管理》2023年06期,作者肖玲娟、蔣海波、劉長(zhǎng)棟供職于國(guó)家能源集團(tuán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院

 


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