浅谈直流输电和无电区可再生能源电力建设

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2018-04-17
简介
直流输电由整流站、直流线路和逆变站三部分组成,随着技术的发展,不仅会使直流输电的可靠性有所提高,而且交直流输电的等价距离会不断缩短。利用可再生能源技术发电,达到经济且环保资源优势,对直流输电与高压直流输电进行详细阐述。详细内容,阅读文章!

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1 直流输电与高压直流输电 1.1直流输电的发展现况和趋势 我国一次能源地理分布不均,传统电源建设所需的煤和水力资源主要分布在西部,然而主要负荷分布在东部沿海,因此需要远距离输电。直流输电在远距离输电中有其独特的优点而受到研究和应用。直流输电先后经历了三个时期:汞弧阀换流时期、晶闸管阀换流时期、新型半导体换流设备的应用。20世纪90年代,新型氧化物半导体器件IGBT首先在工业驱动装置上得到广泛应用。1997年,世界上第一个采用IGBT组成电压源换流器件的直流输电试验工程在瑞典的中部投入应用,输送功率为3MW,电压为10kV,距离为10km。此后这种直流输电工程的技术逐渐成熟,并走向工程应用。此外,随着IGBT、IGCT等具有关断能力的新型半导体器件的不断发展,用PWM脉宽调制技术换流取代晶闸管的自然换流,会给直流输电领域带来一场革命。我国直流输电起步比较晚,但是它跨越了汞弧阀换流时期,在20世纪70年代直接从晶闸管换流阀时期开始发展。我国已经先后建设成了十几条高压直流电,例如2008年投运的贵州——广东Ⅱ回直流输电工程。工程规模为双极电压±500kV,3000A,3000MW,全长1225km。未来我国还要再建许多高电压大电流的直流输电工程,实现“全国联网,西电东送,南北互供”的电力发展基本国策。下图1是世界首个±800千伏直流输电工程——云广直流输电线路,穗东换流站人员在进行电气安装。图2是宁东-山东±660kv直流输电工程即将投运。1.2直流输电的基本原理 直流输电由整流站、直流线路和逆变站三部分组成,整流站和逆变站统称为换流站。换流站的主要设备是换流器,换流器作用是实现交流电与直流电的互换。直流输电系统的工作过程:由交流系统Ⅰ(送电端)送出交流功率给整流站和交流母线,经换流变压器送到整流器,整流器将交流功率变化成直流功率,然后由直流线路把直流功率送给逆变站内的逆变器,逆变器将直流功率逆变成交流功率,再经换流变压器,把交流功率送入到受电端的交流系统Ⅱ。从上述分析,通过调节直流输电系统两端的直流电压,就可以调节直流电流,进而调节直流线路输送的功率。1.3 高压直流输电系统高压直流输电技术是由将交流电变化为直流电的整流器、高压直流输电线路以及将直流电变化为交流电的逆变器三部分组成。从结构上看,高压直流输电是交流—直流—交流形式的电力电子换流电路。高压直流输电的分类有:(1)长距离直流输电(2)背靠背方式直流输电(3)交、直流并列方式直流输电(4)交直流叠加输电(5)三级直流输电。1.4高压直流输电系统的类型直流输电系统按照它和交流输电系统的接触点可分为:多端输电系统和两端输电系统。目前世界上主要用的是直流两端输电系统,只有少数工程是多端系统。多端直流输电系统是指与交流电力系统有三个或三个以上连接口的直流输电系统,它有三个或三个以上的换流站。多端直流输电系统可以解决多电源供电或多落点受电的输电问题,它可以连接多个交流系统或者将交流系统分为多个孤立的运行电网。两端直流输电系统是指具有一个整流站和一个逆变站的直流输电系统。两端直流输电系统可分为单极系统(正极或负击)、双极系统(正负两极)和背靠背直流系统(无直流输电线路)三种类型。1.5 高压直流输电系统应用电网的发展和大区域之间联网已经成为电网发展规划中的热门课题,采用交直流混合输电成为必然趋势。以下是已经采用的高压直流输电的类型① 超过30km的水下电缆由于电缆的大电容需要中间补偿站,对于这么长的距离来说,交流输电是不切实际的。瑞典FENNO-芬兰SKAN,横跨海峡,采用220km长的电缆。② 两个交流系统之间的链接由于交流系统稳定性问题或两系统的额定频率不同,在这种情况下也不适宜采用交流连接。这种情况在美国最多见。③ 大容量远距离架空线输电当距离超过800km时,采用高压直流输电代替交流输电极具竞争力。1.6直流输电与交流输电的比较直流输电与交流输电的比较中有个等价距离的概念。直流输电线路的成本和运行费用比交流输电低,但是换流站的造价和运行费用比交流变电站的高。因此,对同样的输送容量,输送距离越远,直流输电比交流输电的经济性能越好。等价距离是指在输送功率相同和输电可靠性相当的情况下,直流输电方式和交流输电方式相比较,当输电距离达到某一定的长度时,直流线路(或电缆)节省的那部分建设费用,刚好抵偿直流换流站比交流变电站增加的那部分费用,即交、直流输电线路和两端设备的总费用相等,这个距离就叫做交直流输电比较的等价距离(BreakevenDistance)。图5 给出了交流和直流输电成本随输电距离的变化曲线。当输电距离小于等价距离时,交流输电比直流输电经济;当输电距离超过等价距离后,交流输电的成本就高于直流输电。等价距离与交流输电线路和直流输电线路的造价、交流变电站和直流换流站的造价等一系列经济指标有关。目前,国外架空线路的等价距离约为600~800km,而电缆线路约为20~40km。我国的架空线路的等价距离约为1000km。随着技术的发展,不仅会使直流输电的可靠性有所提高,而且交直流输电的等价距离会不断缩短。1.7直流输电的缺点虽然直流输电存在许多的优点,但也有不可忽略的缺点。直流输电换流站设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高、可靠性也差。换流器在工作时会产生大量的谐波,处理不当,流入交流系统后,谐波就会对交流电网系统的运行造成一系列问题。其次,传统的电网换相设备,使得直流输电在传输有功功率同时,会吸收大量无功功率,可达有功功率的50%~60%。因此需要大量的无功功率补偿设备及其相应的控制策略。另外,直流输电的接地极问题、直流断路器问题,都还存在些没有很好解决的技术难点。2 中国无电地区可再生能源电力建设我觉得电力系统的发展,既要注重规模效应,如把全国主要的大型电网连接组网,另一方面,也要着手于小规模,例如在偏远地区、孤岛、人口稀少的山区等建立自给自足的用电系统。这个想法是受上《风电的原理及发展》的老师说的一个事例的影响。他说,政府要推广电力,送电到乡。在一些山区,那里的老乡住在山上,又不愿意移居下来,没有办法,政府架设电线上山。可问题也出来,老乡一年的用电量也才几度电,这从经济上来说,电力公司即使把几度电的所有利润都赚取,也补不上铺设线路、派遣人员抄电表的费用。显然,在这些地区不适宜靠延伸电网来解决用电问题。在中国偏远地区,电力的使用还有待发展。截至2009年,中国还有约5%的人口没能用上电,而且从经济可行性的角度看,这些地区大多数无法通过电网延伸来解决用电问题。通常情况下,这些地区大多拥有非常丰富的可再生能源资源。在这些区域,我们可以依靠当地的资源优势,建立小区域小规模的发电、配电系统。如此既经济又环保。利用可再生能源技术发电,而不是电网的延伸,为解决边远农村社区的电力建设开创了新路子。可以被用来发电的能源技术有:小水电(10~25MW),微水电(0.1~10kW),柴油发电局域网,风能和太阳能社区供电系统,风能户用系统(WHS)和太阳能户用系统(SHS)。2.1小水电和微水电其实,小水电和微水电技术在中国早有推广。在中国,小水电是指装机容量小于25WM的水力发电站。小水电已经为中国1/3的县城和约占中国人口1/4的3亿人提供了电力。微水电是指装机容量在0.1~10kW的水力发电站。微水电利用河流15~30m的落差和每小时15~500m3的流量来发电。这些设备通常为分散的住户和小村庄提供电力,主要用于照明和家用电器,也用于一些小规模的农业和机械加工等。流量(L/s)和净落差(m)决定了水力发电设备的发电能力。中国的许多南部和西部的省份,有许许多多能用于水力发电的几米到几十米落差的水力资源。2.2柴油、汽油独立发电站系统矿物燃料独立发电系统早已经被用于那些电网尚未布及的区域。随着风能、太阳能和风光互补的供电系统发展,为了保证在枯风和阴雨天继续供电,很多这样的可再生能源系统用柴油发电机做后备。但是随着油价的飙升,几乎没有人们愿意启动柴油发电机了。2.3风能社区供电系统一个典型的风能系统由以下几个部分组成:① 一台或若干台风力发电机组② 充电控制器③ 储能蓄电池组④ 直流交流逆变系统⑤ 低压配电网2.4太阳能社区光伏独立发电系统中国有非常丰富的太阳能资源,在西藏、青海、甘肃宁夏等地区,拥有及其丰富的太阳能资源。太阳能光伏发电系统结构比较简单。用太阳能电池组件组成的方阵通过控制器向电池组充电。然后,蓄电池的电能通过逆变器转换成220V交流电供使用。太阳能光伏独立发电系统一般由太阳能电池组件、太阳能充电控制器、蓄电池组和逆变器构成。
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