中国特高压国外首秀,这条“电力高速路”让1600万人受益

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 一安电流,电力从业人员

  在谷歌地图上俯瞰巴西,广袤的热带雨林中会发现一条起伏隐现的银色巨龙穿梭其中,那就是巴西美丽山±800千伏特高压直流输电工程。

  

  

  它是目前世界距离最长的±800千伏特高压直流输电工程,途经巴西帕拉、托坎廷斯、戈亚斯、米纳斯吉拉斯和里约热内卢5个州、78个城市,项目共分两期,一期工程已于2017年12月全面投运,二期工程预计2019年9月建成投运(较合同工期提前两个月完成,创造了巴西特大型电力建设项目“新纪录”)。

  

  

  该项目是拉美首条、全球第四条使用±800千伏特高压直流输变电技术的线路,也是中国首个在海外的特高压直流项目,这条贯穿巴西南北的“电力高速公路”可将美丽山水电站超过三分之一的电能输送至巴西东南部的负荷中心,构建巴西电网南北互联的大通道,满足1600万人口的年用电需求。

  

  

  巴西美丽山特高压直流输电示意图(实线为一期,虚线为二期)

  今天我们就来聊聊这个由中国承建的海外输电工程。

  (一)巴西的能源分布需要一条“电力快车道”

  在巴西,80%用电负荷分布在南部和东南部发达地区,而发电中心则位于巴西北部水力资源最为丰富的亚马孙河流域,南北跨度超过2000公里。

  根据巴西电力调度中心公布的数据,巴西大部分输电线路集中在东南和东北部重要城市,南北网架的联络很松散,这对电网的整体安全运行是不利的,需要尽快完成特高压的组网与环网建设。

  

  

  巴西电网线路图(巴西全国电力调度中心2015公布)

  值得一提的是,巴西水力发电占到总发电量的71.1%,可再生能源发电占到了76.0%(水力、风力、生物能源等),因此巴西电网是以水力发电为主的能源结构,水能资源具有固定性,在国家经济快速发展、电力负荷快速增加的情况下,巴西迫切需要一条“电力高速路”把美丽山水电站等的丰沛电力送往负荷中心。

  (二)2500公里的超远距离选用特高压直流输电更好

  以往对于特高压线路,我们谈的比较多的是特高压交流,很少提到直流,但实际上中国在特高压主干网规划上一直强调的是“交直结合”,特高压直流线路和交流线路一样都是大电网不可缺少的“骨干成员”。

  中国目前已建成“八交十四直”共22个特高压工程,在建“六交三直”9个特高压工程,是当之无愧的特高压技术及相关设备制造的“引领者”。

  

  

  已建成“八交十直”、在建“四交两直”(2018年)

  刚提出特高压直流输电的时候,科学家和工程师们已经测算比较过直流和交流两种输电方式,二者各有所长,宜互补使用。

  交流与直流是截然不同的两种电能流转形式,根据法拉第电磁感应原理,所有旋转装置的发电机产生的电均为交流,这符合科学规律,至于直流则是经过换流产生的。

  

  

  交流发电机原理(左)光生伏特发电原理(右)

  交流最大的优点就是使用经验丰富,自人类开始用电以来一直都是用交流输电,而且交流可以在合适的位置建立支线,就像高速公路上每隔一段距离有一个出口一样。

  而直流这个“长跑运动员”,对动辄上千公里的远距离输电,在电能损耗上要小很多,而且电磁辐射程度也低得多。不过,直流输电中途不能“下车”,只能“直达”,这既是优点也是不足,优点是输送容量全面掌控,缺点是一旦故障会全线“受阻”。

  生活中我们既离不开直流,也离不开交流。

  目前旋转发电占主流的情况下,交流电在生产和使用中具有明显的优势,交流的变压技术十分成熟(请看随处可见的变压器),而且生活中所有牵扯到旋转运动的电器,如空调、风扇、吸尘器等,其驱动原理大致也可归于交流。

  但是,以电子产品为代表的电器,以及化学电池,其驱动原理在于带电粒子(电子、离子)的定向运动,因此需要的是稳定不变的直流。可以说它们原本应是没有“血缘关系”的,但是能源使用让它们走到了一起,成了“伙伴”,而连接它们的羁绊就是转换装置,也称为换流阀,这不仅是直流输电的关键核心技术,也在我们日常生活的方方面面中发挥着不可或缺作用。

  换流阀根据转换类型分为四类,今天我们只说两类,交流转换为直流(AC-DC)称为整流,直流转换为交流(DC-AC)称为逆变。我们日常生活中随处可见这两类转换,比如手机、电脑等电子产品的充电器就是整流装置,而电动车的电池输出部分则含有逆变装置。

  言归正传,那为什么两千五百公里就该选用特高压直流呢?首先,选用特高压是为了通过升高电压降低电流损耗,这一点想必大家都知道了;至于选用直流呢,则是综合考虑线路费用、换流费用、维护费用、电能损耗等各方面后作出的最优选择。

  

  

  交直流投资与损耗大致对比

  (三)换流阀等特高压直流输电的核心技术,中国已掌握

  前面我们已经说过了换流阀这个东西在直流输电中堪称“核心”,它到底有什么神奇之处呢?中国在该领域又处于什么水平,以至于巴西的输电工程会选择与中国合作建设?

  

  

  西方早在1954年就建成了世界上第一个工业性直流工程——果特兰岛直流工程,那时还是汞弧阀换流,到了1970年,西方开始进入晶闸管阀换流阶段,而中国是从1985年才正式开始研究直流输电的。

  1989年,中国第一条直流工程——葛沪工程正式投运,全部设备都是外包,西方厂家垄断了全部生产技术,我们却只能在一旁看着,根本没有讨价还价的余地。经过二十年的研究,中国终于在2010年研制完成了A5000型±800kV/4750A特高压直流换流阀研制,通过了IEC60700标准规定的全部型式试验项目,并于2012年在锦屏—苏南±800kV特高压直流工程中“大显身手”,从此彻底打破了西方公司长期的技术垄断。

  巴西美丽山项目采用的12脉动换流阀技术,其使用的高端设备均是从中国进口,再在巴西当地组装完成,感觉是不是和改革开放初期的中国一个剧情了?

  要了解12脉动换流阀技术,接下来,我们得先学习下晶闸管的原理,P-N结又登场了,这里不再是一个P-N结,而是P-N-P-N结,一般把它们划分为两部分(P-N-P和N-P-N),也就是两个反向的三极管。

  它的伏安特性是明显的非线性,分为若干段,反向是“不通电”的,到了一定电压还会烧毁;正向开始也是“不通电”的,在触发极(G)给它“点个火”,就通电了,后面就会源源不断送电。

  那么问题来了,触发极就是“打火机”,火点着了该怎么灭,很简单,等电压自己降下来,就又断电了。要注意晶闸管只是一个大类,它下面明目繁多得很,但基本原理都是一样的。

  

  

  晶闸管原理

  

  

  晶闸管伏安特性曲线

  当然,实际输电线路用的换流阀是由成百上千的晶闸管串并联而成,最基本的结构就是6脉动换流器。顾名思义,6脉动肯定要6个类似的单元,原本的交流经过晶闸管的“切割”被分成了类似的6段,看上去就像一条“波浪线”,不再是“一个大浪“,这就有了交流变直流的趋势。

  12脉动换流器则是为了进一步“平滑”而生的,由2个6脉动换流器在直流侧串联而成,通过变压器的不同连接方式,巧妙地将2个6脉动换流器输出的波形产生30度的相位差,叠加后波形更平了。最后,经过滤波等“美颜”处理就可以输出直流了。同样的,直流变交流也是用“分段拼接”的方式恢复正弦波形。

  

  

  6脉动换流器(左)12脉动换流器(右)

  

  

  三相电压波形(左)直流电压脉动波形图(右)

  (四)巴西美丽山项目不仅用中国技术,还借鉴中国经验

  巴西美丽山输电项目是“一带一路”的示范工程,意义深远重大,除了应用中国标准的特高压直流输电技术外,美丽山项目还运用了中国较为成熟的技术经验。

  以前巴西的高压直流工程中,有些滤波器内里的钢筋会发热老化而变脆导致强度不够,中国经过多年的运行实践,总结出针对滤波器的特殊设计,使用混凝土混合纤维的全新方式增加混凝土的强度,在高低温的情况下都能抑制收缩,保证设备长期运行可靠。

  另外,工程需要跨越大片热带雨林及众多珍稀动物区、部落聚居地,为了最大限度保护环境、尊重当地风俗,设计施工人员在50个月工期的前20个月都用于环保申请和前期许可的工作,对工程沿线78个城市的动物、植被、文物等的保护经过了仔细调研,实现了人与自然的和谐发展。

  结语

  巴西美丽山±800千伏特高压直流输电工程通过将美丽山水电站的清洁能源输送到东南部用电中心,大大缓解了里约和圣保罗等发达地区的用电紧张问题,并为巴西当地1.6万人创造直接就业机会,带动餐饮等行业创造间接就业岗位。

  以这一项目为契机,相信中国特高压输电尖端技术、前沿装备、工程总承包和运行管理的一体化“出海”之路将越走越宽广,真正将中国制造的力量传播到世界各地。

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  【参考文献】

  1国家电网巴西美丽山二期特高压输电项目计划9月投运,经济日报

  http://shupeidian.bjx.com.cn/html/20190412/974363.shtml

  2特高压“走出去”绝非偶然--专访国家电网公司总经理助理兼国际合作部主任杜至刚,[期刊论文]高雅-《国家电网》2014年12期

  2特高压:我们来自中国创造,[期刊论文]王为民-《国家电网》2014年8期

  3巴西美丽山特高压直流输电系统设计特点,[期刊论文]程改红,殷威扬,《中国电力》2015年7期

  4特高压直流技术研究,[期刊论文]张文亮,于永清,李光范,范建斌,宿志一,陆家榆,李博《中国电机工程学报》2007年22期

  5±800千伏/4750A特高压直流输电换流阀研制,[期刊论文]习贺勋,汤广福,刘杰,魏晓光,查鲲鹏,《中国电机工程学报》2012年24期

  6巴西电力行业报告,http://www.chinapower.com.cn/informationzxbg/20160819/48293.html

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  编辑| 史文慧

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