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新基建丨“十四五”柔性直流滲透,成就直流輸電黃金時代

2021-12-22
來源:Ai芯天下

目前已經暴露的不足

①受端電網動態無功支撐不足:直流大量替代本地電源開機,面對電壓擾動,直流系統暫態響應與常規機組相反,惡化電壓穩定性。

②送端短路容量不足:未來多能互補基地以風、光電力電子裝置并網為主,無法提供短路容量支撐,在無功擾動下電壓波動巨大。

③高比例受電地區電壓支撐不足:隨著大城市等負荷中心火電逐步關停,對外來電依賴加大,負荷高峰期電壓穩定問題突出。

以上可通過配置調相機、SVG等動態無功補償設備予以部分解決,但成本高、運維難度大。

直流輸電是新型結構性機會

南方電網日前發布“十四五”電網規劃,總投資額約6700億元,較“十三五”總投資增長約22%。

目前國家電網預計總投資較“十三五”增長約10%,兩網合計增長約15%左右。

由于我國電網網架日趨完善,供電可靠性普遍較高,電力供應呈現整體寬松態勢。

從投資額總量看,重現兩位數的年化增長率已無可能。

在此前提下,應放棄總量仍將大幅度增長的幻想,重視新型電力系統背景下的結構性機會。

[多能互補電源體系+特高壓直流輸電送出通道],是新型電力系統針對新能源的主流解決方案,國內新一輪特高壓項目建設將大規模開展。

柔性直流+常規直流]優勢互補

柔性直流技術是直流輸電的升級和進化,該技術在保持傳統直流輸電技術機床上,并依靠基于IGBT器件能關斷特性的脈寬調制技術,能實現有功、無功功率的獨立控制。

通過采用基于全控型電力電子器件(如IGBT、GTO)的電壓源型換流器(VSC),柔性直流輸電克服了常規直流技術的缺陷:

可向孤島供電;無換相失敗問題;不需要無功支撐;有功、無功可獨立控制;可實現多端直流電網。

因此,柔性直流特別適合海島供電、海上風電送出等場景。

若采用柔性直流技術建設特高壓直流受端換流站,或對存量換流站行改造,便可降低對受端電網電壓支撐能力的需求,減小換相失敗的概率,提升電網安全穩定性。

國家電網規劃“十四五”期間特高壓交直流工程總投資3002億元,新增特高壓交流線路1.26萬公里、變電容量1.74億千伏安,新增直流線路1.72萬公里、換流容量1.63億千瓦。

相對傳統的直流輸電,柔性直流輸電以IGBT等高頻率、可控性電力電子器件為核心。

在集成傳統常規直流幾乎全部優點的同時兼具無功率補償、無換相失敗、可向孤島供電及能進行多端系統構建等特點,更加契合清潔能源的輸送。

而從市場空間看,在柔性直流技術加持下,直流輸電能夠解決風電、光伏大規模送出和并網問題。

柔性直流輸電有望依托自身接近火電同步發電機組的性能特質成為未來電網升級方向之一。

柔性直流技術加持下,直流輸電不再存在技術限制,使用范圍得到擴展。柔性直流技術是直流輸電的升級和進化。

直流輸電不但可用于遠距離(特高壓)輸電,還可用于柔直背靠背以及深遠海上風電送出。

但通過柔直,兩個電網可以不同步,完全隔離開。不管各自出什么事故,雙方都互不干擾,最好的辦法就是柔性直流。

如此,未來依托風光大基地和海上風電,柔性直流必然快速發展。

高比例可再生能源+柔直滲透

根據目前國網、南網“十四五”規劃況,預計2021-2025年將有10條左右的特高壓直流線路開工。

南網正在積極推進的中通道、南通道柔性互聯工程將成為一批柔直背靠背工程的樣板,在南網其他區域和國網中得到推進。

結構性變化核心在于直流輸電將大規模起量,在柔性直流技術加持下,直流輸電能夠解決風電、光伏大規模送出和并網問題。

在特高壓混合直流、柔直背靠背以及深遠海上風電送出三大應用場景共同驅動下,預計“十四五”期間直流輸電工程總投資規模將達4000億以上。

其中換流閥、IGBT、晶閘管等五年市場總需求在450億元,為相關產業鏈公司帶來充足彈性。

能夠將多個大型新能源基地接入直流系統,也能夠接入常規直流系統,通過改造完成新能源接入,以利用傳統的直流系統資產,提升系統效益。

面臨成本與技術制約

與特高壓直流輸電工程相類似,柔性直流工程的建設需要諸如IGBT換流閥、直流斷路器等核心設備,是工程的關鍵所在。

其中,柔性換流閥在總工程成本中的占比在25—30%左右,而換流閥中功率半導體組件又是換流閥中價值量占比最高的部分,由大量晶閘管、IGBT組成。

不過,當下柔性直流技術依舊面臨成本和技術雙重制約,一方面,相對傳統直流,柔性輸電的成本是其1.8倍左右;

另一方面,柔性直流技術端雖已有多個示范項目投運,但前期項目效果差強人意,整體仍有待進一步認證。

結尾:

可預見在未來清潔能源裝機容量不斷增加、多場景開展應用的背景下,發電側和用電側的改變,柔性直流將是電網未來升級的必然趨勢。

部分資料參考:未來智庫:《直流輸電行業專題研究:“十四五”開啟直流輸電黃金時代》,機器之能:《「海風」撲面,化解凜冬之中的能源危機》

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