北極星輸配電網(wǎng)訊:核心提示近日,張北可再生能源柔性DC電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)示范工程建成投產(chǎn)。該工程是世界上第一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)特性的直流網(wǎng)絡(luò)工程。核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備世界第一。其中,高壓DC 斷路器作為項(xiàng)目的骨干設(shè)備之一,其設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造和應(yīng)用均取得了重大突破。
電力傳輸從簡(jiǎn)單的線(xiàn)路發(fā)展到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),需要依靠高壓斷路器形成可開(kāi)閉的節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)各部分的靈活組合或分離。一方面擴(kuò)大了電網(wǎng)規(guī)模,另一方面提高了電網(wǎng)對(duì)故障的冗余能力。無(wú)論是交流電網(wǎng)還是DC電網(wǎng),高壓斷路器都是輸電網(wǎng)絡(luò)中最基本、最關(guān)鍵的設(shè)備。
高壓斷路器是切斷DC電流的設(shè)備。DC輸電系統(tǒng)的兩個(gè)主要功能是切換運(yùn)行模式和清除線(xiàn)路故障。因此,高壓斷路器被稱(chēng)為DC電網(wǎng)的“網(wǎng)絡(luò)關(guān)節(jié)”和“安全衛(wèi)士”,對(duì)保證DC系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、靈活運(yùn)行具有重要意義。張北可再生能源柔性DC電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)示范工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)張北柔性DC電網(wǎng)工程)中高壓DC 斷路器的R&D和應(yīng)用,填補(bǔ)了500 kV高壓DC 斷路器產(chǎn)品和工程應(yīng)用的國(guó)際空白,也使DC向DC電網(wǎng)輸電的發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)。
從無(wú)到有,高壓DC 斷路器逐步升級(jí)
自20世紀(jì)50年代高壓直流技術(shù)應(yīng)用于工程以來(lái),世界上已有數(shù)百個(gè)高壓直流工程投入運(yùn)行,其中大部分采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)男问?。HVDC 斷路器的缺乏制約了HVDC向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。要形成DC電網(wǎng),迫切需要制造一種能快速切斷大電流的高壓DC 德力西斷路器。
2012年,全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司率先提出高電壓DC 斷路器的設(shè)想,并啟動(dòng)項(xiàng)目研究。聯(lián)合研究院通過(guò)科研攻關(guān),先后突破了高壓DC 斷路器基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵部件研制、樣機(jī)集成、等效試驗(yàn)等一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。
2014年底,聯(lián)合研究院自主研發(fā)了世界首臺(tái)±200千伏HVDC 斷路器樣機(jī)。2016年底,±200kV HVDC 斷路器成功應(yīng)用于舟山五端柔性直流輸電工程,標(biāo)志著國(guó)家電網(wǎng)公司在HVDC 斷路器領(lǐng)域向前邁進(jìn)了一大步,也填補(bǔ)了HVDC斷路器工程在國(guó)際上應(yīng)用的空白。200 kV高壓DC 斷路器自投運(yùn)以來(lái),已完成60余次系統(tǒng)切換,4次清除DC海底電纜單極、雙極接地短路故障,解決了故障后系統(tǒng)在線(xiàn)切換、快速隔離故障、快速恢復(fù)的問(wèn)題。該項(xiàng)目的可用率從87%提高到99%,共增加10.5億千瓦時(shí)。該項(xiàng)目的成果顯著提高了舟山五端柔性DC輸電工程的靈活性和可靠性。
高壓DC 斷路器的電壓等級(jí)能否提升至500 kV并應(yīng)用于真實(shí)的DC網(wǎng)絡(luò)環(huán)境?基于±200kV HVDC斷路器的R&D和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),聯(lián)合研究院持續(xù)帶領(lǐng)國(guó)內(nèi)設(shè)備制造商和高校開(kāi)展技術(shù)攻關(guān),在高效電磁供能、毫秒分?jǐn)喑咚贆C(jī)械開(kāi)關(guān)、數(shù)字電力電子器件驅(qū)動(dòng)、多模式切換控制和保護(hù)裝置等關(guān)鍵部件的工程研發(fā)上取得突破。
2017年,聯(lián)合研究院研制了±500千伏HVDC 斷路器樣機(jī),并完成了型式試驗(yàn),初步摸清了±500千伏HVDC 斷路器工程應(yīng)用的路徑,為建設(shè)世界首個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)特性的DC網(wǎng)絡(luò)奠定了設(shè)備基礎(chǔ)。張北軟直工程創(chuàng)造的12個(gè)“世界第一”中,包括目前世界上電壓等級(jí)最高、分?jǐn)嗄芰ψ畲蟮腄C 斷路器(535 kV,25 kA,3毫秒)。
創(chuàng)新解決±500kV HVDC斷路器的研發(fā)難題。
500 kV張北柔性DC電網(wǎng)要求高壓DC 斷路器作為主保護(hù)裝置在3毫秒內(nèi)遮斷故障電流,并能快速可靠地實(shí)現(xiàn)故障線(xiàn)路的隔離和重合閘。同時(shí),張北柔枝項(xiàng)目的高壓DC 斷路器也需要具備帶電切換能力,以實(shí)現(xiàn)DC電網(wǎng)換流站的靈活切換。
與AC 斷路器交流周期電流零點(diǎn)分?jǐn)嗖煌珼C電流沒(méi)有零點(diǎn),用常規(guī)的機(jī)械力無(wú)法切斷DC電弧,必須另辟蹊徑。
±500kV HVDC斷路器R&D面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自三個(gè)方面:一是需要人工構(gòu)建電流零點(diǎn)來(lái)強(qiáng)行扭轉(zhuǎn)數(shù)萬(wàn)安培的發(fā)展趨勢(shì);其次,需要耗散數(shù)百兆焦耳的能量,同時(shí)承受數(shù)十萬(wàn)伏的高壓。這種強(qiáng)度的電磁沖擊在電力系統(tǒng)中極為罕見(jiàn),相當(dāng)于讓一輛以100 km/h速度行駛的列車(chē)在8 cm內(nèi)剎車(chē);最后,也是最重要的,要快速關(guān)閉,比眨眼快一萬(wàn)倍。
科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)采用“三步走”策略,一步步突破這三大難題——充分挖掘高壓大容量DC開(kāi)斷機(jī)理,首個(gè)級(jí)聯(lián)全橋混合高壓DC 斷路器拓?fù)浣鉀Q了25 kA電流的人工零點(diǎn)構(gòu)建問(wèn)題;揭示深度與多物理量的相互作用路徑,在多時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)分層分段的應(yīng)力解耦,解決阻擋100兆焦耳能量的電磁沖擊問(wèn)題。拓展可控電力電子器件和超高速機(jī)械開(kāi)關(guān)的操作邊界,通過(guò)智能協(xié)調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分?jǐn)鄷r(shí)間小于2.5毫秒。
基于這些科學(xué)理論和工程技術(shù)成果,在各科研院所和工業(yè)單位的共同努力下,500 kV高壓DC 斷路器在工程上得以實(shí)現(xiàn),技術(shù)成果由5家設(shè)備制造商進(jìn)行了轉(zhuǎn)化。
該系統(tǒng)的成功應(yīng)用推動(dòng)了DC輸電向DC電網(wǎng)的發(fā)展。
張柔直工程是典型的雙極四端“口”形柔性DC網(wǎng),每條DC輸電線(xiàn)路兩側(cè)都有高壓DC 斷路器。本項(xiàng)目共有8條DC輸電線(xiàn)路,每條DC輸電線(xiàn)路兩端各需要1臺(tái)高壓DC 斷路器16條HVDC 斷路器安裝在DC輸電線(xiàn)路兩端換流站的閥廳內(nèi)。在張北、康保、豐寧和北京的四個(gè)換流站安裝了四個(gè)HVDC 斷路器。
為了保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,500 kV HVDC 斷路器從到達(dá)工程現(xiàn)場(chǎng)到正式投入運(yùn)行,經(jīng)歷了兩個(gè)階段的測(cè)試。
當(dāng)組裝完成且柔性DC網(wǎng)絡(luò)未連接時(shí),技術(shù)人員進(jìn)行了高壓DC 斷路器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是簡(jiǎn)化版的型式試驗(yàn),相當(dāng)于高壓DC 斷路器工作前的最后一次全面“體檢”,主要是排除長(zhǎng)途運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝可能對(duì)設(shè)備造成的損害。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中,技術(shù)人員進(jìn)行了各種模擬DC 斷路器運(yùn)行條件的測(cè)試項(xiàng)目,以確保DC 斷路器在接入電網(wǎng)之前功能齊全。
HVDC 斷路器接入柔性DC網(wǎng)絡(luò)并與整個(gè)DC系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成聯(lián)調(diào)后,需要進(jìn)行人工短路試驗(yàn)。此時(shí),整個(gè)柔性DC系統(tǒng)的所有設(shè)備都已準(zhǔn)備就緒,柔性DC系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行與正常運(yùn)行無(wú)異。人工短路試驗(yàn)相當(dāng)于HVDC 斷路器正式運(yùn)行前的一次“軍事演習(xí)”,即在真實(shí)運(yùn)行條件下,通過(guò)人工操作模擬自然環(huán)境下HVDC線(xiàn)路可能發(fā)生的短路故障,來(lái)檢驗(yàn)HVDC 斷路器能否達(dá)到真實(shí)電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境中所要求的保護(hù)功能。6月9日,張北柔枝工程康保換流站人工短路試驗(yàn)順利完成,500 kV HVDC 斷路器在3毫秒內(nèi)開(kāi)、重合閘。測(cè)試的成功為項(xiàng)目的正式投產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
作為電力系統(tǒng)中的全新設(shè)備,張北輸變電工程500 kV HVDC 斷路器突破了DC輸電向更加靈活、經(jīng)濟(jì)的DC電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)瓶頸,極大地提升了我國(guó)電力電子設(shè)備的國(guó)際影響力。
(圖片由魏、張、肖提供,作者單位:環(huán)球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司)