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特高压交流研究课题20、21:特高压与超高压输电对可再生能
时间:2015-07-09 14:52:57来源: 点击:
《特高压与超高压输电对我国调整能源结构大力发展可再生能源支撑能力对比研究》

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来源:由于华鹏创立的“能源与环保”微信 公众号:imyuhuapeng

前言

我国应按科学发展又全面合理的策略大力发展可再生能源,第一必须有调峰蓄能设施配合,作为可行性的首要条件。第二发展可再生能源应以分散就地或近处消纳为主,多年来全世界实践证明这才是最安全又经济的发展策略;第三特别是远离负荷中心的大规模集中可再生能源开发工程首先必须从安全、经济上进行严格规划论证,是否具备当地调峰蓄能设施配合?除就地消纳外,应深入实际进行可性行研究,多余的电力怎样才能合理的安全又经济送出?应实事求是进行全 面规划设计,然后按其大小规模经相适应的的单位部门批准决定。

从世界发展可再生能源的经历,即使经可性行研究可以有远离负荷中心的大规模集中可再生能源开发,最安全又经济的办法是采用直流输电,根本不需要交流特高压线路为可再生能源输电。

一.弃风、弃光的主要问题是电网调峰能力不足,与交流特高压输电无关

上世纪八十年代以来,主要靠小煤电/油电每日开停作为主力调峰能力达25%,加上大煤电20%调峰(100~80%运行)和水电调峰,使大煤电年利用小时达6000~6500小时。但后来接近一亿千瓦的小煤电/油电逐步关停,长时以来没有重视和补偿因此而损失的调峰能力。结果多年来一直迫使20/30万千瓦煤电机组深度(有时强迫每天开/停)调峰,更迫使超临界和超超临界60~100万千瓦煤电机组非常规调峰,低谷时出力甚至压到40%亚临界运行,强迫使低碳机组高碳运行,极不合理的被迫超额调峰,使煤电年利用小时在2012/2013年跌落到5080/5012,2014年为4706小时,是1978年以来的最低水平。为了调峰估算要多装机1.2亿千瓦,至少相当多花1.2亿千瓦x 3700元/千瓦 = 4440亿元投资,除要多浪费装机投资外,还造成发电多耗煤、多排污、缩短煤电机组寿命和导致发电集团公司可能虧损。

发展风电也从不重视客观存在的调峰问题,夜间用电低谷时段往往是风电大发时段,特别是远离负荷中心的大型风电基地,太阳能发电基地,为什么在规划/批准时都不考虑影响其可行性的关键——调峰问题?结果造成严重弃电、严重浪费。我国风电装机居世界首位,太阳能发电增长速度也占世界首位,就因为缺乏调峰能力,结果“弃风”“弃光”严重程度也占世界首位,其发电年利用小时远低於世界水平。

南方电网公司比较重视调峰,广东电网2013年底有可调峰的燃气联合循环机组1098.9万千瓦和抽水蓄能电站2个合240万千瓦、调峰能力共1578.9万千瓦,占广东负荷约14%。2014到2015年分别增装442和128万千瓦,调峰能力共2148.9万千瓦,占广东负荷约16.2%;广东的做法值得借鉴。

祗有合理将目前抽水蓄能比例由1.76%提高到8~10%,燃气机组比例由3.5%提高到10%,两者调峰能力达总装机的22~25%(新增投资4194~4720亿元),煤电、核电皆应20%调峰,加上加大高水位可调峰的水电建设,并使原有水电5%调峰再尽量加大。这样全部调峰能力可达到总装机容量36.7~40%;才能使全部煤电、核电、风电、光电等安全又经济(基本不弃电)运行。
 

二.发展可再生能源应以分散就地消纳为主

欧洲的可再生能源发展较快,西班牙风电装机占总装机20%,发电量占8.7%;德国风电占总装机17%,电量占总7%;丹麦风电装机容量25%,发电量占16%。它们的风电皆以就地消纳为主,部分通过现有高低压线路传送,不需要超高压。这是最安全又经济的办法。太阳能发电皆以就地应用为主。

2014年我国风电并网容量达8805万千瓦,居世界首位,占全国装机的6.9%,主要集中在东北、华北和西北,约共占88%。但其主要问题是远离负荷中心,过於集中,又缺调峰电源配合,所以弃风严重,年利用小时居世界末位。因此,将小容量、分布式风电(甚至是单台风电机组),采取低电压等级,靠近负荷点,就近(可以T接方式)接入配电网,对充分利用风能资源,对有效降低线损,对加强配电、农电网,都是十分有利的,应给予足够的重视。

利用太阳能的光伏发电,主要也应优先开发分散/分布型,在城镇住宅、工业、经济、公共设施等建筑屋顶建设分布式光伏发电自用,也可供热自用,我国计划到2015/2020年建设共1000/2700万千瓦分布式光伏发电,在建设地点排序上,要优先近负荷中心。

三.发展远离负荷中心的可再生能源必须从安全、经济上严格规划论证

如果远离负荷中心发展大规模的再生能源,又无适当的调峰设施配合,由於风电、太阳能发电出力频繁大幅度变化,不旦使输送有功电力不受控制的时大时小,也引起的无功平衡与电压稳定问题。

为将风电基地电力外送,苛求当地须建设大于风电容量的火电采取打捆送出的做法是不合理的。让远离负荷中心的大规模火电为当地的风电进行深度调峰,既不符合电源结构及运行的优化,也不符合整个电网的资源优化配置,不利于整体能源的最大优化利用。

如果在水电站附近建设风电、太阳能发电是合理的,因其间隙性、波动性可由水电补偿,风电、水电年度分布特性:冬春季雨少风多,水电为枯水期,水电少而风电为大发期;汛期雨多风少,正是水电大发,而风电少发正可检修,二者能量互补。龙羊峡水电站就近20公里内光伏总装机85万千瓦,是目前最大的水光互补的光伏电站,水光互补不弃电、安全并网。

常规水电年利用小时低,南方的约4000小时左右,东北、西北水电主要用于调峰,利用小时数2000—3000,故水电线路送电年利用小时低,如果水电送出线路沿途有风电接入,风水打捆风主水从最为有利,不但少建风电输电专线;而水电调峰机可作压水调相运行,其调峰水量存入水库备用。特别是调相机组可作风电间隙补偿,或缓冲风电波动性冲击。还可输出无功作风电励磁电源。
 

内蒙是我国远离负荷中心集中安装大量风电的地区,2012年内蒙总装机4235万千瓦,其中风电967万千瓦占22.8%,光伏发电23万千瓦占0.54%,最高负荷1820万千瓦。预计2015年蒙西风电达1300万千瓦,其中本地消纳1000万千瓦,其中300万千瓦以“风火打掴”外送。内蒙发展风电由於没有合理的为调峰建设相应的抽水蓄能和燃气联合循环机组,结果出现严重的风电“弃风”问题;风电本应从安全、经济和可行性研究靠近负荷中心建设,但内蒙接入电网负荷中心距离少则几十公里,多则一、二百公里以上,出现消纳能力与风电开发能力存在较大差距的卡脖子问题。

四.大力发展可再生能源根本不需要交流特高压输电

2014年全国风电近一亿千瓦,因缺乏必要的储能设施而弃风严重。其年利用小时仅为1893,即使远离负荷中心集中安装大量风电的地区,如内蒙都是以“风火打掴”通过超高压北电南送,其中大部都是煤电,其风电因年利用小时低,大部已本地消纳,北电南送也祗占小部分风电。所以以大力发展可再生能源根本不需要交流特高压输电,即使将来发展远距离又大规模的可再生能源则采用直流输电更为经济又可靠。

能源局特高压交流研究课题21

《电力规划的基础方法研究》

前言

【电力规划的基础方法研究】是能源局特高压交流研究的第21课题,因此其基础研究方法应主要针对交流特高压的电力规划。上世纪世界上欧美俄日为了电力远距离输电有过交流特高压规划研究和工程运行实践,但同时研究和实践了直流远距离输电则更为安全、更为经济,远距离输电祗采用直流就完全满足可行性要求,所以交流特高压就被淘汰了。

上世纪七十年代中国文革期间发生210次大停电事故,电力部针对国内外大停电事故组织生产、规划、科研人员研究,於1981年颁发《电力系统安全稳定导则》和有针对性的实施直接防止事故的全国《继电保护四统一》,通过电力规划使全国电网实施了六大(分区)(分层)和(分散外接电源)结构,30多年结果中国成为世界电网最安全的国家。

由电力规划设计总院和西南、中南、广东等院联合研究华南电网根本不采用交流特高压,而正确按《稳定导则》以直流将南网分2 - 3大区,广东也分2个东、西小区,解决了交直流并列的不安全问题,将长距离的500kV线路缩短为中、短距离,从长远解决广东的短路电流超标和多回直流馈入的安全问题。但对国家电网、电力规划设计总院却听从国家电网指令,违反《稳定导则》将所管辖的五大区,以世界已淘汰的交流特高压,联成一个极其浪费又特别不安全的世界最庞大的交流网,必将走上世界重大停电的危险道路。
 

一.中国电力规划的历史成就

中国电力容量近年来占世界首位,除台湾一次外,为甚么从不发生重大停电?因为30多年电力规划按《稳定导则》规定:“合理分区, 以受端系统为核心,将外部电源连接到受端系统, 形成一个供需基本平衡的区域, 并经联络线与相邻区域相连。” 采用直流联网将庞大的交流系统分为若干分区,它不仅达到正常联网效益, 还可控制联网潮流;防止一个区的故障/频率崩溃/电压崩溃/失稳振荡波及相邻区;更将大区范围固有的动态和暂态稳定、低频振荡或“连锁跳闸”等一系列复杂问题彻底解决。华北与东北电网初期采用交流联网时稳定问题突出,曾引起低频振荡,限制了东北网北电南送降低50万千瓦,2008年重新规划改为直流背靠背联网方式,彻底分区,问题就彻底消除了。

电网规划还贯彻分层和各层分区规定,分层指不同电压的线路不应经变压器併列运行,是消除不同电压的电磁环网,中国过去曾因电磁环网中高压线跳闸,负荷转移到低压线而发生过大量失稳事故。中国最严重的2006年华中电网失稳事故就因电磁环网造成。这是过去国内停电事故的主要原因,不按分层解决电磁环网将隐藏重大隐患。分层后规划下面各级电压也分区,如220kV再分区,下面110/35kV又分区, 再下面20/10kV更分区,各级分区都按实际条件具备一定支撑电源、自动备用/保安电源。

电网规划还要分散外接电源,任一远方电源/线路出问题或失稳,形成单机对无穷大系统的振荡,仅此单机处於送端,其他送端电源皆成为受端,作为受端电源的后盾,使电网更可靠/快速恢复正常运行。不超过600公里的外接电源规划采用现有500kV线路的点对负荷中心输送;超过600公里采用直流输电。

一个500kV网区的东西/南北距离大约不大於1000公里比较合适。预想将 来我国有的大区还宜再分区, 既满足发展需要,将会解决短路电流过大和适应多回直流安全馈入等一系列问题,更为安全可靠;由於实践证明区域不应过大,有的还将缩小其范围,所以现有的500kV电压完全满足发展需求。

目前大区内有再分区的需要,如南方电网已决定还要以直流隔离分2 - 3个大区并已经能源局批准,规划广东再以直流隔离分东西两个小区。为适应华东电网发展的需要,采用直流隔离再分四个大区, 既解决短路电流超标、保证多回直流密集安全馈入, 又缩短交流输电距离,确比已批准的交流特高压联网更为安全, 投资仅为交特联网工程的十二分之一。

开放以来,通过电网规划建立了可靠的交/直流分层分区的电网结构,分散外接电源结构和三道防线,系统失稳可能偶而发生,但不能造成重大停电;而且由於区间为直流联网,任一区故障/失稳都不会波及邻区。

二.从世界重大停电论证其电力规划的发展

有史以来世界共发生25次重大停电(每次损失大於800万千瓦),其中最严重的20次系统稳定破坏是重大停电的关键, 一是交流电网过於庞大, 自由联网, 又不分散外接电源, 一旦一回线路因故障或保护误动断开, 即使其负荷转移到并列的相邻线路上, 又因其线路应用不当的继电保护因过负荷误动跳闸, 连锁反应同样使更多相邻线路跳闸, 直至全部负荷转移到个别线路上(相当大增系统的综合联系阻抗)而发生失稳振荡。二是当系统发生失稳振荡时,陆续涉及振荡的线路也因应用不当的距离保护原理误动跳闸,同时发电机的失步保护也因整定不当(振荡中心落在线路上不应跳闸)也大量跳闸,结果系统瓦解大停电。
 

输电线路偶而发生故障/跳闸是正常现象,关键是电网结构是否合理,将带来不同的风险,如美国交流区庞大又自由联网,难以分散外接电源,又不分层,一旦故障即连锁反应波及交流全网;且因距离保护设计/应用不当,因故障造成负荷转移到相邻线路时将不断连锁反应跳闸,直至失稳振荡;涉及振荡的线路距离保护和发电机保护又错误的不断连锁跳闸,直至全网瓦解大停电。又如巴西不分区,交流区域比美国还大,东西/南北距离长达3200公里,以复杂电压级230/345/440/500/750kV自由联网,更易故障连锁反应,不仅会失稳瓦解,又会电压崩溃使直流输电全停。

美国电科院和直流联网(DC Interconnect)公司在2008年1-2月IEEE Power & Energy期刊发表报告,为防止美欧多次重大停电,建议在电网结构上将美国东部网(EI–7.55亿千瓦)应用直流隔离分为四个交流区,同时也适用于美国西部网(WI - 2亿千瓦)和西欧(5.3亿千瓦)电网,这可以说是美欧在电网结构上解决重大停电的起步策略。2007年国际大电网CIGRE在日本大阪召开会议时,美国电科院Dr.Ram Adaba 听到我国系统发展策略报告后,主动问及我国电网结构经验并得到有关资料,可能对它们有关的分区结构建议有所帮助。他们报告提出美国再分区的建议至今末能执行,但值得注意的近年具备世界上最宠大交流电网的欧洲却接受了改造电力系统结构经验,采用直流分区;目前已应用42套直流作隔离设施,将欧洲分很多“分区”以提高电力系统的可靠性和防止系统大停电。这说明中国电网结构的安全经验已得到世界的重视。

日本面积小,37.8万平方公里,近3亿千瓦负荷,用直流或单(个别双)回交流500kV联网分为9大区,结构安全,就不会发生失稳大停电。

三.今后中国发展的电力规划原则

1. 输电电压和交直流方式的采用超过600公里输电应用直流;600公里以内输电的最高一级交流电压应用目前

的500kV和750kV, 永远不需要再升压。

2. 坚持<分区>, 各大区应按电源/负荷发展,再按南方电网以直流再分多个区,华东再以直流分四个区将更安全,更经济。

3. 坚持<分层>, 坚决解除电磁环网。

4. 坚持<分散外接电源>的点对网输电原则。

5. 坚持<近输电、远输煤> 并大力减低煤电。

6. 坚持无功功率分层分区就地平衡。


 


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