21臺分布式調相機全部投產后，可直接提升青海海南州地區(qū)新能源外送能力350萬千瓦，預計年均增發(fā)新能源電量70.2億千瓦時，若全部輸送至華中地區(qū)，年均可替代當?shù)鼗痣娫?18.9萬噸，減排二氧化碳574.2萬噸，經濟效益良好，節(jié)能減排收益顯著。
截至2月15日，位于青海省共和縣新能源基地內的世界最大規(guī)模新能源調相機群累計增發(fā)新能源電量7.85億千瓦時，并且全部輸送至華中地區(qū)，相當于替代當?shù)鼗痣娫?5.66萬噸，減排二氧化碳64.21萬噸。
1月23日，青海海南新能源基地最后3臺50兆乏新能源調相機完成168小時正式運行，標志著世界最大規(guī)模新能源分布式調相機群在青海全面建成投運，這也對未來國內其他大型清潔能源基地的建設、運行及外送消納提供了成功示范。
被譽為電網“穩(wěn)壓器”的調相機在電網側早已大規(guī)模應用，且技術成熟、產品豐富。然而，國內外尚無調相機在新能源場站應用的先例。此次調相機與新能源發(fā)電場的首度“聯(lián)姻”，成為我國在電源側大規(guī)模分布式調相機技術創(chuàng)新方面的有益探索。在實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標背景下，我國正以清潔能源產業(yè)全力推動能源清潔低碳轉型。
新能源高占比帶來暫態(tài)過電壓問題
寒冬時節(jié)，共和縣晴空萬里，成片的光伏板熠熠生輝，風力發(fā)電機的巨大葉片迎風轉動……千萬千瓦級新能源基地正把豐富的太陽能和風能轉化為清潔電能。憑借得天獨厚的資源稟賦，青海電網已經成為全國清潔能源、新能源發(fā)電裝機占比最高的省域電網。
為實現(xiàn)青海新能源電力大規(guī)模外送消納，2018年11月7日，起于共和縣、連接青藏高原和中原大地的世界首個新能源遠距離輸送大通道——±800千伏青海至河南特高壓直流輸電工程(以下簡稱青豫直流工程)開工建設。這個新能源大通道額定容量為800萬千瓦，年滿負荷輸送電量達400億千瓦時。
國網青海省電力公司(以下簡稱國網青海電力)調控中心系統(tǒng)運行處處長陳春萌介紹，青豫直流工程新能源電源裝機規(guī)模大、占比高，電壓支撐能力相對薄弱，導致了較為嚴重的暫態(tài)過電壓問題，對電網設備設施的安全運行造成威脅，這也成為階段性制約青豫直流工程送出能力的主要因素。
解決系統(tǒng)暫態(tài)過電壓問題，需從電網側和新能源發(fā)電側兩頭發(fā)力。為此，國網青海電力在青豫直流工程的起點——±800千伏青南換流站配置了4臺30萬千乏調相機。調相機2020年建成投產后，電網側換流站的暫態(tài)過電壓問題得以有效解決。
暫態(tài)過電壓的最高點出現(xiàn)在新能源發(fā)電側，如何抑制新能源發(fā)電側的暫態(tài)過電壓問題，此前并無經驗可借鑒，亟待突破創(chuàng)新。
為新能源場站創(chuàng)新研究分布式調相機
調相機在電網側早已大規(guī)模應用，然而國內外尚無調相機在新能源場站應用的先例。
2019年，在國家電網有限公司(以下簡稱國家電網公司)的統(tǒng)籌指導下，國家電網公司西北分部、國網青海電力、中國電力科學研究院有限公司、國網經濟技術研究院有限公司等單位深入研究、科學論證，提出了在青海海南州地區(qū)4個新能源匯集站安裝21臺50兆乏分布式調相機的解決方案，并進一步明確了分布式調相機的具體性能指標。
“此次安裝的分布式調相機是一種布置在新能源發(fā)電站內，高度集成化的小容量同步調相設備，具備優(yōu)異的暫態(tài)穩(wěn)態(tài)特性和無功調節(jié)能力，對維持電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定起到了重要作用，同時可提高系統(tǒng)短路容量和短路比，從而支撐新能源電力大規(guī)模外送，為大電網安全穩(wěn)定運行保駕護航。”陳春萌說。
新能源分布式調相機具有系統(tǒng)簡單、集成度高、調節(jié)性能好等優(yōu)點，既能發(fā)揮系統(tǒng)動態(tài)無功儲備的作用，又能為新能源電站提供次暫態(tài)、暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)的全過程無功補償與電壓支撐，極大地提升了青豫特高壓直流通道的新能源電力輸送能力。
哈爾濱電氣集團有限公司(以下簡稱哈電集團)哈爾濱電機廠有限責任公司副總經理李春廷介紹：“盡管大型調相機技術已相對成熟，但用于新能源發(fā)電側的分布式調相機從設計數(shù)據(jù)上看，在性能上較常規(guī)調相機需提升30%以上，而機組損耗需下降20%。”
為此，哈電集團、上海電氣集團股份有限公司、東方電氣集團東方電機有限公司三家研發(fā)制造企業(yè)抽調技術骨干組成專項攻關團隊，打造出了滿足要求、兼具性能和經濟性的新型分布式調相機。專家介紹，新型調相機動態(tài)性能好，過載能力強，與傳統(tǒng)調相機相比其動態(tài)電壓支撐能力提升了1倍，溫升降低50%，過載能力提升至4.5倍，工頻過電壓耐受能力提升至1.3倍，且具備4000米高海拔運行能力。此外，其高性能控制保護系統(tǒng)首次實現(xiàn)大容量靜止變頻器的國產化大規(guī)模工程應用，極大促進了電氣二次設備的技術進步。
2021年5月，青海電網21臺分布式調相機正式啟動安裝，不久之后，調相機群順利并網。專家表示，這是世界上首次在新能源發(fā)電側探索大規(guī)模安裝分布式調相機的實踐，可以助力解決新能源高占比帶來的暫態(tài)過電壓問題，大幅提升新能源電力送出水平。
電源側“穩(wěn)壓器”助力新能源消納
2021年9月2日12時，在青海海南州千萬千瓦級新能源基地，隨著330千伏旭明變電站1號調相機投入試運行，世界首臺新能源分布式調相機正式落戶青海。同年11月8日，首批11臺新能源分布式調相機全部投入使用，世界首個新能源分布式調相機群形成，使青海海南州地區(qū)新能源消納能力提升185萬千瓦。
“這是世界上首次在電源側大規(guī)模安裝分布式調相機，對于推動新能源大規(guī)模開發(fā)利用，構建清潔低碳、安全高效的能源體系具有重要的示范引領意義。”國家電力調度控制中心系統(tǒng)處專責張怡介紹，與傳統(tǒng)的無功補償裝置相比，分布式調相機具有故障瞬間電壓支撐能力強、暫態(tài)響應速度快等優(yōu)點，可作為電力系統(tǒng)電源側的“穩(wěn)壓器”，未來將是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分。
得益于分布式調相機的投運，2021年11月16日、17日，青海電網新能源發(fā)電出力連續(xù)兩日突破千萬千瓦，達到1045萬千瓦和1061萬千瓦，較歷史峰值994萬千瓦分別提升了5.1%和6.7%。此后，新能源發(fā)電出力及發(fā)電量屢創(chuàng)新高。
“世界最大規(guī)模新能源分布式調相機群，首批11臺調相機經實際運行驗證效果顯著。”國網青海電力調度控制中心主任方保民介紹，這對青海新能源發(fā)電出力連續(xù)兩日創(chuàng)新高有直接推動作用，大幅緩解了新能源消納壓力。
“在電源側大規(guī)模安裝分布式調相機的探索實踐，將有效解決跨區(qū)直流輸電和新能源大規(guī)模接入電網帶來的電壓穩(wěn)定問題，對于加快推動能源轉型發(fā)展具有重大意義。”國家電投黃河上游水電開發(fā)有限責任公司工程技術部主管薛寧說。
2021年，青海電網新能源總發(fā)電量達到341億千瓦時，新能源發(fā)電量占全省總發(fā)電量的比例達34.48%。按照解決方案，此次21臺分布式調相機全部投產后，可直接提升青海海南州地區(qū)新能源外送能力350萬千瓦，預計年均增發(fā)新能源電量70.2億千瓦時，若全部輸送至華中地區(qū)，年均可替代當?shù)鼗痣娫?18.9萬噸，減排二氧化碳574.2萬噸，經濟效益良好，節(jié)能減排收益顯著。
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