Η μεγάλης κλίμακας μεταφορά καθαρής ενέργειας είναι το πρωταρχικό πρόβλημα που πρέπει να επιλυθεί στο νέο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας
Υπάρχει μια "γραμμή Hu Huanyong" στη διανομή καθαρής ενέργειας και στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας μου. Λόγω παραγόντων όπως το κλίμα, η ανάπτυξη της παραγωγικότητας, η ιστορική πολιτική οικονομία και άλλοι παράγοντες, η οικονομική ανάπτυξη μεταξύ των περιφερειών στη χώρα μας είναι ανισόρροπη. Η «Γραμμή Hu Huanyong» (επίσης γνωστή ως Γραμμή Heihe-Tengchong) που προτάθηκε το 1935 είναι μια τυπική περιγραφή αυτού του φαινομένου: η περιοχή ανατολικά της γραμμής Hu Huanyong καταλαμβάνει περίπου το 36 τοις εκατό της χερσαίας έκτασης της χώρας και καταλαμβάνει περισσότερο από το 95 τοις εκατό. του πληθυσμού της χώρας (στα δεδομένα της δεκαετίας του 1930 εκείνη την εποχή). Υπάρχει επίσης μια «γραμμή Hu Huanyong» στη διανομή καθαρής ενέργειας και στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας στην Κίνα. Τα ανατολικά της γραμμής Hu Huanyong καταναλώνουν 86,5 τοις εκατό της ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ τα δυτικά καταναλώνουν μόνο το 13,5 τοις εκατό . Ωστόσο, όσον αφορά τη διανομή καθαρής ενέργειας, μπορεί να φανεί από την κατανομή των αιολικών πόρων και των ελαφρών πόρων στην Κίνα ότι τα δυτικά της γραμμής Hu Huanyong είναι πολύ υψηλότερα από τα ανατολικά της γραμμής Hu Huanyong. Εκτός από τους υπεράκτιους αιολικούς πόρους, άλλοι υψηλής ποιότητας αιολικοί πόροι βρίσκονται πολύ μακριά από περιοχές με ένταση φορτίου και έχουν τεράστιες ανάγκες ανάπτυξης ενέργειας.
Η υπεράκτια αιολική ενέργεια είναι μια σημαντική πηγή καθαρής ενέργειας κατά μήκος της ακτής, και είναι η τάση των καιρών να βγαίνει στη θάλασσα και να κλιμακώνεται. Η υπεράκτια αιολική ενέργεια της Κίνας αναπτύσσεται με ταχείς ρυθμούς. Το 2020, η υπεράκτια εγκατεστημένη ισχύς αιολικής ενέργειας της Κίνας θα φτάσει τα 3,1 GW, ξεπερνώντας την Ευρώπη για πρώτη φορά και γίνεται η μεγαλύτερη υπεράκτια αγορά αιολικής ενέργειας στον κόσμο, με τη νέα εγκατεστημένη ισχύ να ξεπερνά το ήμισυ της παγκόσμιας συνολικής. Το 2021, η πρόσφατα εγκατεστημένη υπεράκτια αιολική ισχύς της Κίνας θα είναι 16,9 GW, υψηλό ρεκόρ. Ωστόσο, με την απόσυρση των κρατικών επιδοτήσεων για υπεράκτια αιολική ενέργεια το 2022, η υπεράκτια αιολική ενέργεια θα εισέλθει στην εποχή της ισοτιμίας και η εγκατεστημένη ισχύς θα επανέλθει σε κανονικά επίπεδα. Η υπεράκτια αιολική ενέργεια βρίσκεται κοντά στο κέντρο φόρτωσης, το οποίο ευνοεί την κατανάλωση, και η παραγωγή της υπεράκτιας αιολικής ενέργειας είναι σχετικά σταθερή και οι ώρες χρήσης είναι υψηλές. Είναι η καλύτερη καθαρή ενέργεια στις παράκτιες περιοχές. Σύμφωνα με τον υπεράκτιο σχεδιασμό αιολικής ενέργειας του Guangdong, του Jiangsu και άλλων τόπων, σε συνδυασμό με την τάση ανάπτυξης της ξένης υπεράκτιας αιολικής ενέργειας, η γενική τάση είναι βαθιά θάλασσα και μεγάλης κλίμακας.
Το UHV DC είναι η καλύτερη λύση για μεγάλης κλίμακας μετάδοση ισχύος σε διάφορες περιοχές
Το UHV περιλαμβάνει μετάδοση UHV AC και UHV DC. Το UHV AC αναφέρεται σε έργα μετάδοσης εναλλασσόμενου ρεύματος με επίπεδο τάσης 1000 kV και το UHVDC αναφέρεται σε έργα μετάδοσης DC με επίπεδο τάσης ±800 kV και άνω. Οι τεχνικές αρχές και η λογική εξέλιξης των δύο είναι τελείως διαφορετικές. Το UHV DC είναι ένα τυπικό έργο μεταφοράς ισχύος από σημείο σε δίκτυο. Η βασική του αρχή είναι να χρησιμοποιεί μια βαλβίδα μετατροπέα για να μετατρέπει την ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος σε ισχύ συνεχούς ρεύματος και στη συνέχεια να μετατρέπει την ισχύ συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα αφού μεταφερθεί στον προορισμό και στη συνέχεια να τη συνδέσει στο δίκτυο τροφοδοσίας εναλλασσόμενου ρεύματος. Ο κύριος σκοπός είναι η μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας. Εκτός από τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας, το AC UHV αναλαμβάνει επίσης το ρόλο της βελτίωσης της δομής του δικτύου και της ενίσχυσης της σταθερότητας του δικτύου. Η τεχνολογία μετάδοσης συνεχούς ρεύματος είναι μια τεχνολογία μετάδοσης ισχύος που βασίζεται στην τεχνολογία ηλεκτρονικών ισχύος. Λόγω των πλεονεκτημάτων της απλής τοπολογίας, του εύκολου μετασχηματισμού τάσης και του χαμηλού κόστους εξοπλισμού, η μετάδοση εναλλασσόμενου ρεύματος έχει γίνει η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνολογία μετάδοσης ισχύος σε χώρες σε όλο τον κόσμο και εξακολουθεί να είναι το πιο σημαντικό μέρος του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας της Κίνας. Η τεχνολογία μετάδοσης συνεχούς ρεύματος είναι μια τεχνική διαδρομή που αναπτύχθηκε μαζί με τη γέννηση της τεχνολογίας ηλεκτρονικών ισχύος.
Σύμφωνα με τις διαφορετικές ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος και λειτουργίες, μπορεί να χωριστεί σε δύο διαδρομές: συμβατικό συνεχές ρεύμα (LCC) και ευέλικτο συνεχές ρεύμα (VSC):
(1) Το συμβατικό συνεχές ρεύμα (LCC) είναι μια τεχνολογία μετάδοσης συνεχούς ρεύματος που χρησιμοποιεί ηλεκτρονικά εξαρτήματα ημιελεγχόμενης ισχύος, όπως θυρίστορ ως βασικά στοιχεία της βαλβίδας μετατροπέα. Τα πλεονεκτήματά του είναι η μεγάλη χωρητικότητα μετάδοσης και το χαμηλό κόστος, αλλά απαιτεί ισχυρή υποστήριξη δικτύου AC. Η ποσότητα των αρμονικών είναι μεγάλη και η άεργος ισχύς πρέπει να απορροφηθεί από το δίκτυο, επομένως πρέπει να διαμορφωθεί ένας μεγάλος αριθμός φίλτρων DC και εξοπλισμού φιλτραρίσματος AC.
(2) Το Flexible DC (VSC) είναι μια τεχνολογία μετάδοσης DC που χρησιμοποιεί πλήρως ελεγχόμενα ηλεκτρονικά εξαρτήματα ισχύος, όπως τα IGBT, ως βασικά στοιχεία της βαλβίδας μετατροπέα. Το πλεονέκτημά του είναι ότι μπορεί να σχηματίσει ένα εναλλασσόμενο ρεύμα πολύ κοντά στο τυπικό ημιτονοειδές κύμα μέσω της αρθρωτής τεχνολογίας πολλαπλών επιπέδων και η ενεργή ισχύς και η άεργος ισχύς μπορούν να ρυθμιστούν ανεξάρτητα χωρίς εξοπλισμό φιλτραρίσματος ή υποστήριξη δικτύου AC. Το μειονέκτημα είναι ότι το κόστος είναι υψηλό και η δυνατότητα παράδοσης μικρή.
Από την άποψη της μετάδοσης ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις, το DC UHV έχει προφανή πλεονεκτήματα έναντι του AC UHV: το γενικό μοτίβο τμηματικής λειτουργίας του ηλεκτρικού δικτύου της χώρας μου δεν θα αλλάξει. Η λειτουργία του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας μου αναλαμβάνεται από τρεις βασικούς φορείς εκμετάλλευσης, την State Grid Corporation of China, την China Southern Power Grid Corporation και την Inner Mongolia Electric Power Company. Υπάρχουν 7 περιφερειακά σύγχρονα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας και υπάρχει μόνο μια ασθενής σύνδεση μεταξύ των περιφερειακών δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας και το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής και κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται εντός της περιοχής.
Σύμφωνα με στοιχεία από το Συμβούλιο Ηλεκτρισμού της Κίνας, το 2021, 687,6 δισεκατομμύρια κιλοβατώρες ηλεκτρικής ενέργειας θα μεταδοθούν σε περιοχές σε ολόκληρη τη χώρα, αντιπροσωπεύοντας μόνο το 8,3% περίπου της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας ολόκληρης της κοινωνίας και οι συνδέσεις μεταξύ των περιοχών είναι σχετικά αδύναμος. Η επέκταση του δικτύου τροφοδοσίας εναλλασσόμενου ρεύματος μπορεί να προκαλέσει αύξηση του κινδύνου του δικτύου ρεύματος αντί να πέσει. Σύμφωνα με τη Συμβουλευτική Γνώμη της Κινεζικής Ακαδημίας Μηχανικής του 2018 «Η χώρα μου για το Μελλοντικό Έρευνα Μοτίβου Ηλεκτρικής Ενέργειας (2020)», θα πρέπει να συνεχίσουμε να τηρούμε τη δομή με τα έξι μεγάλα περιφερειακά δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας ως κύριο σώμα (η Επένδυση του Έργου Chongqing-Hubei 2019 Το Southwest Power Grid και το Central China Power Grid θα διαχωριστούν μετά τη μεταφορά). Επομένως, το AC UHV δεν μπορεί να μεταδώσει ενέργεια σε διάφορες περιοχές και μπορεί να παίξει ρόλο μόνο σε συγκεκριμένες καταστάσεις, όπως η παρουσία υψηλής ποιότητας αιολικών και ηλιακών πόρων και η μεγάλη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια στο ίδιο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και η απόσταση μεταξύ των δύο είναι σχετικά μακρύ.
Η μετάδοση DC είναι η καλύτερη περιφερειακή σύνδεση δικτύου. Ωστόσο, λόγω των διαφορών στους πόρους που παρέχονται μεταξύ των περιοχών, η χώρα μου έχει σχετικά μεγάλη ζήτηση για διαπεριφερειακή μετάδοση ενέργειας. Η μετάδοση DC έχει τα ακόλουθα τρία πλεονεκτήματα, καθιστώντας την την καλύτερη λύση για διαπεριφερειακή μετάδοση ισχύος:
(1) Η μετάδοση DC έχει εξαιρετική οικονομία στη μετάδοση ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. Το κόστος των σταθμών μετατροπέων DC είναι υψηλότερο από αυτό των υποσταθμών εναλλασσόμενου ρεύματος, αλλά δεδομένου ότι η μετάδοση συνεχούς ρεύματος δεν έχει επίδραση δέρματος και ισχύ φόρτισης, ο ρυθμός χρήσης των γραμμών μεταφοράς είναι υψηλότερος. Επομένως, όταν η απόσταση μετάδοσης είναι αρκετά μεγάλη, η οικονομία της θα ξεπεράσει αυτή της μετάδοσης AC.
(2) Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ασύγχρονη διασύνδεση δικτύου. Η διασύνδεση δικτύου AC απαιτεί η συχνότητα ολόκληρου του δικτύου να είναι συνεπής, επομένως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ασύγχρονη διασύνδεση δικτύου. Η μετάδοση ισχύος συνεχούς ρεύματος αρχικά διορθώνει την ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος σε ισχύ συνεχούς ρεύματος και στη συνέχεια την αναστρέφει σε τροφοδοσία εναλλασσόμενου ρεύματος, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί σε ασύγχρονη διασύνδεση δικτύου.
(3) Ευνοεί την απομόνωση των ατυχημάτων στο δίκτυο και δεν διευρύνει τον κίνδυνο ατυχημάτων στο δίκτυο. Η μετάδοση UHV DC μπορεί να θεωρηθεί ως μια ελεγχόμενη πηγή ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις του τελικού δικτύου λήψης. Τα πλέγματα και στα δύο άκρα δεν είναι συζευγμένα και τα πλέγματα και στα δύο άκρα μπορούν να απομονωθούν. Σε περίπτωση σοβαρού ατυχήματος στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, το UHV DC μπορεί να απομονώσει το ατύχημα χωρίς να επεκτείνει τον κίνδυνο ατυχημάτων στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα άλλο τυπικό σενάριο εφαρμογής του UHV AC είναι η ενίσχυση του ηλεκτρικού δικτύου. Καθώς η μεγάλης κλίμακας μετάδοση συνεχούς ρεύματος της χώρας μου εισέρχεται στη Βόρεια Κίνα, την Ανατολική Κίνα, την Κεντρική Κίνα και τη Νοτιοδυτική Κίνα, η ισχύς του δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος καθορίζει την ασφάλεια ολόκληρου του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας και η ζήτηση για AC UHV αυξάνεται ανάλογα.
Ο σημαντικός ρόλος του ευέλικτου DC στα νέα συστήματα ισχύος
Το ευέλικτο συνεχές ρεύμα είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για τη μετάδοση μεγάλης κλίμακας υπεράκτιας αιολικής ενέργειας σε μακρινές θάλασσες. Επί του παρόντος, η κύρια μέθοδος μετάδοσης υπεράκτιας αιολικής ενέργειας είναι η μετάδοση εναλλασσόμενου ρεύματος υψηλής τάσης, δηλαδή, οι υπεράκτιες ανεμογεννήτριες συνδέονται με υπεράκτιους σταθμούς ενίσχυσης, ενισχύονται σε επίπεδα τάσης 220 kV ή υψηλότερα και στη συνέχεια αποστέλλονται σε χερσαία δίκτυα ισχύος. Δεδομένου ότι η μετάδοση συνεχούς ρεύματος δεν έχει ισχύ φόρτισης, η επένδυση και η απόδοση μετάδοσης των υποβρυχίων καλωδίων είναι καλύτερη από τη μετάδοση AC. Σε γενικές γραμμές, όταν η απόσταση μετάδοσης είναι μεγαλύτερη από περίπου 80 km, η οικονομία της μετάδοσης συνεχούς ρεύματος θα υπερβαίνει αυτή της μετάδοσης AC. Επιπλέον, δεδομένου ότι το συμβατικό DC απαιτεί ισχυρή υποστήριξη δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος και τα υπεράκτια αιολικά πάρκα είναι αδύναμα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος που αποτελούνται από ανεμογεννήτριες, οι οποίες δεν μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις μετάδοσης ισχύος του συμβατικού DC, το ευέλικτο DC έχει γίνει η μόνη οικονομική και εφικτή λύση. Η διαδρομή υβριδικής τεχνολογίας LCC-VSC λύνει αποτελεσματικά το πρόβλημα της αστοχίας εναλλαγής DC UHV σε περιοχές με πυκνά σημεία πτώσης DC. Μετά από δεκαετίες κατασκευής, η χώρα μου έχει κατασκευάσει 32 έργα μεταφοράς συνεχούς ρεύματος με κύρια λειτουργία τη μετάδοση ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις, εκ των οποίων περισσότερα από 10 έργα βρίσκονται στο Δέλτα του ποταμού Yangtze ή στην επαρχία Γκουανγκντόνγκ και η πυκνή τοποθέτηση οδηγεί σε συνεχές ρεύμα μετάδοση μεταξύ των δύο θέσεων. Ο κίνδυνος αστοχίας της μεταγωγής αυξάνεται και ο κρυφός κίνδυνος ατυχημάτων στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται. Το εύκαμπτο DC μπορεί να υποστηρίξει ανεξάρτητα την τάση χωρίς τον κίνδυνο αποτυχίας της εναλλαγής και είναι η καλύτερη λύση για τη συνέχιση της τροφοδοσίας DC στα παραπάνω δύο σημεία. Προς το παρόν, το China Southern Power Grid έχει ολοκληρώσει το έργο μετάδοσης συνεχούς ρεύματος Wudongde και το State Grid κατασκευάζει επίσης το έργο μετάδοσης DC UHV Baihetan-Jiangsu, και τα δύο έχουν εφαρμόσει ευέλικτη τεχνολογία DC. Όμως οι τεχνικές λύσεις των δύο έργων είναι διαφορετικές.
Η ευέλικτη διασύνδεση DC αυξάνει την ικανότητα αμοιβαίας βοήθειας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας και βελτιώνει την αξιοπιστία και την αποδοτικότητα της παροχής ρεύματος. Εκτός από το σύστημα συμβατικής μετάδοσης ισχύος μεγάλων αποστάσεων μεταξύ περιφερειακών δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα μου, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν εύκαμπτες διαδρομές συνεχούς ρεύματος back-to-back για διασύνδεση στη διασταύρωση περιφερειακών δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας. Το λεγόμενο εύκαμπτο DC back-to-back αναφέρεται στην κατασκευή ενός σταθμού ανορθωτή και ενός σταθμού μετατροπέα μαζί χωρίς γραμμή DC. Η εύκαμπτη τεχνολογία συνεχούς ρεύματος back-to-back μπορεί να βελτιώσει την αμοιβαία ικανότητα ισχύος μεταξύ των περιφερειακών δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς να επεκτείνει το εύρος των ατυχημάτων στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, τα δίκτυα ισχύος 500 kV στο Guangdong, το Jiangsu και άλλα μέρη στην Κίνα είναι ήδη πολύ μεγάλα, με περίπλοκες δομές και εμφανή προβλήματα υπερβολικού ρεύματος βραχυκυκλώματος. Η προσθήκη εύκαμπτου συνεχούς ρεύματος back-to-back για να «λύσει» το ηλεκτρικό δίκτυο μπορεί επίσης να λύσει αποτελεσματικά τα παραπάνω προβλήματα. Το έργο Chongqing-Hubei back-to-back και το υπό κατασκευή έργο διασύνδεσης Fujian-Guangdong είναι τυπικές εφαρμογές ευέλικτων συνεχών έργων.