核能护蓝天 “风光”无限好

信息来源:南方电网报  发布时间2019-12-13

  11月1日,220千伏阳江南鹏岛海上风电项目成功并网发电。该项目是国内最大单体海上风电项目,同时也是国内目前离岸距离最远、施工水深最深的海上风电工程。图为该项目首台风机安装现场。谭文强 摄

  今年1-11月,南方电网风电、光伏利用率均超99%,新能源基本全额消纳;核电机组平均利用小时数超6800小时,充分实现保障性消纳

 

  大风转动着巨大的风车,屋顶铺设着大块的太阳能板,农作物的秸秆与垃圾在焚烧系统变废为宝……在科技的作用下,自然界的馈赠和一些生活“废品”都能转化为清洁电能。

  在南方五省区,以上的场景应用已经非常普遍。更重要的是,只要是清洁能源发出来的电,基本都能全部接入庞大的电网,用于人们的生产生活当中。

  “十三五”以来,南方电网公司始终保持良好的风、光、核等清洁能源消纳。南方电网电力调度控制中心提供的数据表明,截至11月底,今年南方电网风电、光伏利用率均超过99%,分别为99.76%、99.69%,基本实现了全额消纳。而容量巨大的核电机组,平均利用小时数达6873小时,充分实现了保障性消纳。

  建设运维坚强大电网是基础

  “南方电网主网与海南电网二回联网工程的投产,对核电消纳是个极大的利好。核电公司应该可以实现扭亏为盈。”今年5月,联网二回工程投产运行后,海南昌江核电厂生产计划处处长虞伟才松了一口气。

  以天然气和核能为主要能源,以可再生能源和石油为补充能源,构建清洁低碳、安全高效的现代能源保障体系,是海南省建设绿色能源岛的规划要求。其中,昌江核电站是绿色电源规划建设的重点项目。昌江核电一期机组于2016年投产发电后,为海南新增了130万千瓦的发电能力,在彻底解决了海南岛电源性缺电问题的同时,也加大了海南省“大机小网”的矛盾。一旦机组故障停止工作,负荷骤降,将对电网稳定运行产生极大影响。

  为了解决这一问题,南方电网公司建设了第二回500千伏超高压海底电缆,将海南电网与南方电网主网连接起来,“相当于把小水库和大海连接起来”。联网二回工程投产运行后,两回海底电缆的送电总规模达到120万千瓦,昌江核电厂双机组发电出力从原来的85%提升至100%,最大限度保障了清洁核电消纳。

  12月4日,海南昌江核电厂运行机组年发电量突破90亿千瓦时,创该厂商运以来年发电量最高纪录。核电发电量约占海南省年度总用电量三分之一,为海南经济社会发展提供了坚定的能源保障。

  据了解,南方五省区多地均建有核电项目。为了确保核电安全送出消纳,今年以来,南方电网公司全面开展涉核涉港输电线路防风加固改造工程,于上半年完成了全年涉及核电站全部19条输电线路的防风加固改造。

  深圳供电局涉核涉港的输电线路共有7回,于1992—2002年间建成投运,运行年限久,亟待改造。为最大限度保障线路安全和客户用电安全,线路需在半年内实现轮流停电检修。深圳供电局历时4个月,召开了30余次协调会,协调广东电网电力调度控制中心、香港中华电力有限公司、中国广核集团有限公司等多家单位,终于与各方形成一致意见。深圳供电局为此制定了细化到以“天”为单位的项目进度管控表,根据天气变化灵活调整施工计划,最终顺利完成线路改造工作。

  建好的线路不是一劳永逸,要日复一日地进行维护。广东电网公司涉核输电线路有8回,涉及中山市、惠州市、阳江市、江门市等地。该公司按照线路管控级别、重要度及预试检修要求,确定日常巡维、特殊巡维、预防性试验及检修维护工作周期、内容。该公司生产技术部提供的数据表明,近年来该公司在涉核输电线路方面,每年大约投入运维人约600人次、车辆120台班,直升机、无人机约300架次,确保涉核输电线路运行安全在控、可控。

  多种储能形式实现“谷期充电、峰期放电”

  传统意义上,电能是不可储存的。发多少电就得用多少电,才能维持电网的安全稳定,就像水流经过河道,水满则溢水少则枯。

  但有了抽水蓄能电站之后,情况就不同了。抽水蓄能电站利用电力负荷低谷期的电力抽水,在负荷高峰期发电,就像一个充电宝一样。

  很多时候,抽水蓄能电站的建设初衷都是为能源消纳服务的。如广州抽水蓄能电站、海南琼中抽水蓄能电站分别就是作为大亚湾核电站、昌江核电站的配套工程来建设的。

  国际上抽水蓄能电站建设的历史可追溯至100多年前,建设技术相对成熟。调峰调频公司生产技术部副主任巩宇介绍,与常规火电、水电机组相比,抽水蓄能电站机组启动发电非常迅速。“火电机组的启动时间以小时计,抽水蓄能是以分钟计。我们的机组停机后再启动发电不超过2分钟。”

  可以说,机组的每一次停止再启动,都是为能源消纳和电网稳定发挥应有的作用。据调峰调频公司提供的数据显示,今年1—11月,其投产运营的全部27台机组共计启动19577次,低谷期间抽水电量94.8亿千瓦时,为电网削峰填谷,消纳清洁能源起到了重要作用。

  “作为电网的‘充电宝’,一定要在关键时刻顶得上。”巩宇说,抽水蓄能电站最重要的指标是机组正常可用时间和机组启动成功率。“我们每年都会对机组运行状态做评估,根据评估结果合理安排停机检修计划,最大限度缩短停机时长。”

  今年1—11月,调峰调频公司机组等效可用系数91%,机组启动成功率99.91%,应急启动率100%,均处于行业领先水平。同时,该公司所有抽水蓄能电站均具备“黑启动”功能,可作为电网“全黑”的极端情况下“点亮电网的最后一根火柴”。

  近年来,随着风电、光伏发电等间歇性新能源的接入,电网对安全稳定运行水平的要求越来越高,新的储能技术逐渐走上舞台。比如电化学储能,其响应时间更快。南方电网公司在2011年建成了我国首座兆瓦级锂电池储能电站,2018年又建成首个电网侧兆瓦级商用储能电站,通过“谷期充电、峰期放电”来满足用能需求。

  聚焦前沿寻求技术突破

  时隔3年,云南电网公司大理供电局系统运行部方式科专责李耀华仍然清楚地记得那个冬夜,他与同事爬上雪邦山的情景。

  雪邦山山脉连绵盘亘数百里,主峰海拔4853米,山上建了一座风电场。2016年10月,李耀华与10余名同事第一次登上山,夜间风力更大,能测得更多数据。平日里风吹不断,这一夜却尤为平静,李耀华扑了个空。

  一个月后,他和同事们再次登山。这一晚,李耀华没有白来。“冷风如刀,气温怕是有零摄氏度了”。

  李耀华告诉记者,云南的风与三北地区不一样。“高原上有微气候,十里不同天,经常同一座山头,这台风机转得快,那台风机却没动静。”李耀华和同事们是默默坚守在大山的等风人,致力于研究如何让电场风机以最优方式并网发电。

  多次的走访调研,李耀华和同事们最终完成了关于风力特性及风电接入对电网参数的影响的科研成果。大理供电局还与云南电网公司电力科学研究院联合完成了一套自动控制系统,基于风电大数据实时了解设备运行状态。“这是风电研究迈向自动化、数字化的技术进步。”李耀华说。

  实际上,关于风的预测,目前的科学手段只能做到4小时内的预测,超过一两天,连计算机的算法也算不准确。日光也是如此,变天的情况时有发生,想要更好地利用光伏发电并非易事。自然界在带来清洁可再生的能源时,也给人类出了不小的难题。

  南方电网公司不少单位都在开展相关研究,希望通过科技创新来提升新能源接入消纳后的电网安全稳定性。

  广西电网公司研制了分布式虚拟同步机,实现新能源接入配电网的即插即用、新能源与配电网的优质互动、新能源抵御配电网扰动的稳定运行,综合形成灵活互动的新能源友好接入技术。成果在安徽、江苏、浙江、天津等省市实现应用,为光伏发电、风电消纳提供了技术支持。

  海上风电要考虑的问题则更为复杂。目前全国多地都在陆续开展海上风电的建设。广东省发改委印发的《广东省海上风电发展规划(2017—2030年)(修编)》提出,到2030年底,广东建成投产海上风电装机容量将达到3000万千瓦。

  “3000万千瓦的装机差不多相当于建设一个‘海上三峡’了。”广东电网公司系统运行部并网与新能源管理部主管伍双喜说,目前湛江、阳江等地近海风电已经接入并网,风电装机容量不大,基本实现全额消纳,对大电网系统稳定运行没有太大影响。

  “但大的挑战还在后面,未来很可能大规模地接入远洋风电。用什么方式接入,需要具备什么样的技术支撑,这些前沿的技术问题我们正在研究中。”

  南网传媒全媒体记者 帅泉 孙艺璇 通讯员 朱盈 赵雯 丁卯 殷浩钦 陆冬琦

  <<对话

  南方电网公司高级技术专家李岩

  柔性直流是海上风电送出最重要的发展方向

  目前,全球海上风电高速发展,近两年来风电逐渐由近海向远洋规划发展。国内的发展也十分强劲,已有多省相继获得国家能源局关于发展海上风电的批复。从长远来看,海上风电将成为重要的清洁能源之一。

  但海上风电送出、接入电网和消纳,仍存在很大的技术难题。就此,记者专访了南方电网公司高级技术专家,南方电网科研院院长助理、直流输电与电力电子技术研究所所长李岩。

  问:就目前研究情况看,海上风电如何送出?

  答:海上风电的送出有交流和直流两种。两者在速度、输电距离和成本等方面有显著差异。

  综合比较下来,高压交流的输出方式相对成本较低,但缺点是输电距离以及和交流电网的耦合可能会导致一些问题。直流输电的成本比较高,但输电距离不受限,在速度方面有一定优势。所以,综合这两个方案,当输电距离超过一定的范围之后,直流输电就具有明显的优势了,所以我们认为在大规模远海采用柔性直流输电技术有更好的前景。

  目前国内已有部分企业或研究机构在进行直流输电方式的探索,相比国外900兆瓦工程两端换流站80亿元的概算,国内相近容量工程的概算仅为国外的40%左右,这为提高远海岸风电送出工程的经济性提供了基础。南网科研院深度参与了一些相关项目的前期可行性研究、初步设计和设备谈判等工作。

  问:海上风电送出在关键技术上有哪些更高要求?

  答:首先,海上和陆上的换电站有着明显的差距。海上用电设备的可靠性、环保、体积、重量等方面都有着更高的要求,还要具备更高的防腐蚀、抗倾斜能力。为了保证单一设备故障时不影响整体送出,整体设计原则也完全不一样。

  海上升压站的一次设备需要考虑海洋环境的盐雾腐蚀、风浪等造成的机械疲劳以及空间狭小带来的检修和运维困难等因素。二次设备要考虑在长期无人值守的情况下的安全可靠运行,控制保护系统需要进行紧凑化的设计,特别是要解决海上风电直流送出的系统充电的方法,快速的功率控制,以及和风电系统配合的问题。大规模海上风电并网后还要考虑与现有系统特别是西电东送的配合问题。在海底电缆方面,要综合考虑设备的选型、绝缘水平的选取、长距离无接头的电缆等特殊要求。

  问:我国目前海上风电送出技术能力如何?有无关键性的突破或进步?

  答:目前海上风电建设以国内企业为主,设备以合资企业的为主。交流送出方面,国内有比较好的基础和相关经验。在直流送出方面我们目前工程都还在前期阶段,相关的技术和装备都在研制阶段,核心技术和关键装备需要继续深化。

  我国海岛型风电场柔性直流输电接入技术容量达到了200兆瓦。公司建设的南澳多端柔性直流输电示范工程是国内首个百千伏百兆瓦的柔性直流工程。在关键装备方面这两年研发取得了非常大的进步,比如说世界首个特高压柔性直流的换流阀,可以做到800千伏,容量可以做到5000兆瓦。我们国内的几大电缆厂开发的正负525千伏的电缆也已经通过了试验,220千伏升压站的主变压器可用于直流的接线。这些都为我们进一步将国产装备用于海上风电建设奠定了非常好的基础。

  问:您认为海上风电未来发展的方向是怎样的?

  答:我国海上风电未来发展方向将呈现规模化和远距离化的发展特点。

  在技术层面,柔性直流是海上风电送出最重要的发展方向,主要能解决送出规模增加之后,海上换流站平台重量体积大幅度增加的问题。

  对于相应的配套技术,由于风电送出的随机性和波动性,加上电能质量的要求,适当安装储能装备也是一个重要的发展方向。同时由于海上环保的需求,我们也正在研究采用植物绝缘油性变压器。这种变压器具有良好的耐热耐潮性,使用寿命较长,适合在海上应用。最后就是关于运维技术的发展,包括机器人、无人机等新技术以及故障处理远程技术等都是未来的发展方向。

  南网传媒全媒体记者 孙艺璇 通讯员 周慧