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伯明翰大学智能电网中心主任张小平:IGBT助力特高压实现技术突破

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“新基建”的能源互联互通,主要是指能源的大范围互联互通,即基于特高压直流输电技术和特高压交流输电技术的能源大范围互联互通。IEEE会士,伯明翰大学教授、智能电网中心主任张小平在接受《中国电子报》记者采访时表示,特高压作为“新基建”的重点领域之一,为大规模可再生能源、大水电基地和大煤电基地的大范围资源有效配置,带来了技术创新和产业发展的新机遇。

从特高压产业链来看,特高压可以分为特高压直流输电线路和特高压交流输电线路。前者涉及的关键技术和设备包括绝缘材料、电力电子材料、电力电子器件以及换流阀、换流变、控制保护、直流场设备及数字化技术等;后者涉及的主要设备包括组合电器、变压器、电抗器等。

应用方面,特高压主要定位于中国西南大水电基地、西北大煤电基地等超远距离、超大容量外送输电工程。特高压直流技术除在中国得到广泛应用外,巴西、印度也正在应用。随着越来越多的国家实现2050年净零排放目标,特高压直流技术在中国、印度、巴西等国家将有更广泛的应用需求。

第一条±1100kV特高压直流输电系统在中国建成可谓是一个新的里程碑。这标志着特高压直流输电技术可用于洲际能源互联互通。

近年来,洲内、洲际能源互联互通逐步成为全球关注的焦点。美国可再生能源国家实验室在美国能源部的资助下,进行北美地区,包括美国、加拿大、墨西哥的互联互通研究。欧洲国家也在进行欧洲超级电网互联研究,包括北海超级海上风电网、欧洲、北非和中东的电网互联。

全球能源互联网发展与合作组织以及国家电网在这方面做了大量的研究工作,已发表了若干重要报告,比如全球能源互联互通的9横9纵方案、非洲互联方案、亚洲互联方案、美洲互联方案等。

特高压输电技术可实现与周边国家的能源互联,与各个大洲内能源互联,乃至与洲际能源互联。从而实现可再生能源在更大范围的有效配置,并与基于时差负荷特性的互补相适应,实现源-网-荷在更大范围智能、高效地运行,已成为应对全球气候变化的中国方案。

中国在特高压直流技术的研发、制造、工程设计与安装、系统运行与维护形成了较完整的产业链,并且与国际制造企业有着很好的合作。许多技术不依赖单一供应商,这样不仅促进了市场竞争,同时也有利于促进技术进步和产品的不断升级换代。

中国特高压直流技术发展的优势在于:一是形成了较完整的产业链;二是从研发、示范到实际应用的周期短,因而降低了成本;三是有实际的需求,而实际的需求又能推动技术创新,从而实现产业链的良性发展和国际竞争力。

目前,特高压直流输电系统主要有两大类,即传统的基于晶闸管的直流输电系统(LCC HVDC)和基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)技术的电压源型直流输电技术(VSC HVDC、MMC VSC HVDC)。

传统直流输电系统的优点包括低损耗、大功率及超大功率应用、低投资费用、直流侧短路可有效控制等。因其技术成熟,成为特高压直流输电的关键技术。其缺点包括逆变侧交流故障引起的换相失败、换流器的大量无功消耗、无法提供快速无功与电压控制等。

近年来,传统直流输电系统已实现理论上的重大突破,即在传统直流输电系统中引入柔性控制,并实现同时控制有功、无功,可完全克服换相失败。需指出,这种柔性控制投资在传统直流输电系统的总投资所占比例很小,由于采用模块式架构,因而可靠性高,易于工程实现。该项技术有望实现特高压传统直流输电系统的升级换代,实现从“0”到“1”的突破。

基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)技术的电压源型直流输电技术今年已开始用于特高压项目,目前需克服以下不足:高损耗;受IGBT芯片最大电流限制,超大功率应用(特高压直流)尚有困难;投资费用高;直流侧短路控制有挑战;技术上有待积累更多运行经验。

技术瓶颈主要是低能耗、低成本、大功率全控电力电子器件技术的开发,实现IGBT器件的升级换代,以实现从“0”到“1”的突破。

此外,多端特高压直流电网的设计、控制、保护与装备技术是未来技术创新的重大课题。而多端特高压直流电网的运行与安全是另一个具有重大挑战的课题。

借“新基建”的发展机遇,建议加强国际国内产学研合作,建立多种形式的科研攻关联合体,实现原创性突破,为全球的能源互联互通提供中国方案,助力联合国全球低碳乃至实现2050年能源净零排放目标做出重要贡献。

目前,我们需要在能源系统中形成抵御气候变化的免疫能力——即基于全球互联互通可再生能源的共享系统。“新基建”基于特高压输电技术能源互联互通的中国方案,将支持技术创新、工作机会和经济复苏,推动全球采取联合行动,应对气候变化的巨大威胁。

责任编辑:赵强


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