Przesył czystej energii na dużą skalę to podstawowy problem do rozwiązania w nowym systemie elektroenergetycznym
W dystrybucji czystej energii i zapotrzebowaniu na energię elektryczną w moim kraju istnieje „linia Hu Huanyong”. Ze względu na czynniki takie jak klimat, rozwój produktywności, historyczna ekonomia polityczna i inne czynniki, rozwój gospodarczy między regionami w naszym kraju jest niezrównoważony. „Linia Hu Huanyong” (znana również jako linia Heihe-Tengchong) zaproponowana w 1935 roku jest typowym opisem tego zjawiska: obszar na wschód od linii Hu Huanyong zajmuje około 36 procent powierzchni kraju i zajmuje ponad 95 procent ludności kraju (według ówczesnych danych z lat 30.). Istnieje również „linia Hu Huanyong” w chińskiej dystrybucji czystej energii i zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Wschodnia część linii Hu Huanyong zużywa 86,5 procent energii elektrycznej, podczas gdy zachodnia zużywa tylko 13,5 procent . Jednak jeśli chodzi o dystrybucję czystej energii, z rozmieszczenia zasobów wiatrowych i lekkich w Chinach można zauważyć, że zachodnia część linii Hu Huanyong jest znacznie wyższa niż wschodnia linia Hu Huanyong. Z wyjątkiem morskich zasobów energii wiatrowej, inne wysokiej jakości zasoby wiatrowe znajdują się daleko od obszarów o dużym obciążeniu i mają ogromne potrzeby w zakresie rozmieszczenia energii.
Morska energia wiatrowa jest ważnym źródłem czystej energii wzdłuż wybrzeża, a trendem czasów jest wychodzenie na morze i zwiększanie skali. Morska energetyka wiatrowa w Chinach szybko się rozwija. W 2020 r. moc zainstalowana morskiej energii wiatrowej w Chinach osiągnie 3,1 GW, po raz pierwszy wyprzedzając Europę, stając się największym na świecie rynkiem morskiej energii wiatrowej, z nowo zainstalowaną mocą przekraczającą połowę całkowitej światowej mocy. W 2021 roku moc nowo zainstalowanych morskich elektrowni wiatrowych w Chinach wyniesie 16,9 GW, co będzie rekordowym wynikiem. Jednak wraz z wycofaniem dotacji państwowych dla morskiej energetyki wiatrowej w 2022 roku, morska energetyka wiatrowa wejdzie w erę parytetu, a moc zainstalowana powróci do normalnego poziomu. Morska energia wiatrowa znajduje się blisko centrum obciążenia, co sprzyja zużyciu, a produkcja morskiej energii wiatrowej jest stosunkowo stabilna, a godziny użytkowania są wysokie. To najlepsza czysta energia na obszarach przybrzeżnych. Zgodnie z planowaniem morskiej energetyki wiatrowej w Guangdong, Jiangsu i innych miejscach, w połączeniu z trendem rozwoju zagranicznej morskiej energii wiatrowej, ogólny trend to głębina morska i duża skala.
UHV DC to najlepsze rozwiązanie do przesyłu energii na dużą skalę między regionami
UHV obejmuje transmisję UHV AC i UHV DC. UHV AC odnosi się do projektów przesyłu prądu przemiennego o poziomie napięcia 1000 kV, a UHVDC odnosi się do projektów przesyłu prądu stałego o poziomie napięcia ± 800 kV i wyższym. Zasady techniczne i logika rozwoju tych dwóch są zupełnie różne. UHV DC to typowy projekt przesyłu energii typu punkt-sieć. Jego podstawową zasadą jest użycie zaworu konwertera do konwersji prądu przemiennego na prąd stały, a następnie przekształcenie prądu stałego w prąd przemienny po przetransportowaniu do miejsca docelowego, a następnie podłączenie go do sieci energetycznej prądu zmiennego. Głównym celem jest przesyłanie energii elektrycznej. Oprócz przesyłania energii elektrycznej, AC UHV pełni również rolę ulepszania struktury sieci i zwiększania stabilności sieci. Technologia transmisji prądu stałego to technologia transmisji mocy oparta na technologii energoelektroniki. Ze względu na zalety prostej topologii, łatwej transformacji napięcia i niskich kosztów sprzętu, transmisja prądu przemiennego stała się najczęściej stosowaną technologią przesyłu energii w krajach na całym świecie i nadal jest najważniejszą częścią chińskiej sieci energetycznej. Technologia transmisji prądu stałego jest drogą techniczną rozwijaną wraz z narodzinami technologii energoelektronicznej.
W zależności od różnych urządzeń i funkcji energoelektronicznych można go podzielić na dwie trasy: konwencjonalny prąd stały (LCC) i elastyczny prąd stały (VSC):
(1) Konwencjonalny prąd stały (LCC) to technologia przesyłu prądu stałego, która wykorzystuje częściowo sterowane elementy energoelektroniczne, takie jak tyrystory, jako podstawowe elementy zaworu konwertera. Jego zaletami są duże zdolności przesyłowe i niski koszt, ale wymaga silnego wsparcia sieci prądu przemiennego. Ilość harmonicznych jest duża, a moc bierna musi być absorbowana z sieci, dlatego należy skonfigurować dużą liczbę urządzeń filtrujących DC i AC.
(2) Elastyczny prąd stały (VSC) to technologia transmisji prądu stałego, która wykorzystuje w pełni kontrolowane elementy energoelektroniczne, takie jak tranzystory IGBT, jako podstawowe elementy zaworu konwertera. Jego zaletą jest to, że może wytwarzać prąd przemienny bardzo zbliżony do standardowej fali sinusoidalnej dzięki wielopoziomowej modułowej technologii, a moc czynną i moc bierną można regulować niezależnie, bez urządzeń filtrujących lub wsparcia sieci prądu przemiennego. Wadą jest to, że koszt jest wysoki, a zdolność dostawy jest niewielka.
Z punktu widzenia przesyłu energii na duże odległości DC UHV ma oczywistą przewagę nad AC UHV: ogólny schemat partycjonowanej pracy sieci elektroenergetycznej mojego kraju nie ulegnie zmianie. Eksploatacja sieci energetycznej w moim kraju jest prowadzona przez trzech głównych operatorów: chińską State Grid Corporation, China Southern Power Grid Corporation oraz Inner Mongolia Electric Power Company. Istnieje 7 regionalnych synchronicznych sieci elektroenergetycznych, a połączenie między regionalnymi sieciami elektroenergetycznymi jest tylko słabe, a większość produkcji i zużycia energii elektrycznej jest generowana w regionie.
Według danych China Electricity Council, w 2021 roku przez regiony w całym kraju będzie przesyłanych 687,6 mld kilowatogodzin energii elektrycznej, co odpowiada jedynie ok. 8,3 proc. zużycia energii elektrycznej przez całe społeczeństwo, a połączenia między regionami są stosunkowo słaby. Rozbudowa sieci elektroenergetycznej prądu przemiennego może spowodować, że ryzyko sieci elektroenergetycznej zamiast spadać, wzrośnie. Zgodnie z opinią doradczą Chińskiej Akademii Inżynierii z 2018 r. „Badania przyszłych wzorców sieci elektroenergetycznych mojego kraju (2020)” powinniśmy nadal trzymać się struktury z sześcioma głównymi regionalnymi sieciami energetycznymi jako głównym organem (Inwestycja projektowa Chongqing-Hubei z 2019 r. Południowo-zachodnia sieć energetyczna i środkowochińska sieć energetyczna zostaną rozdzielone po transporcie). W związku z tym AC UHV nie może przesyłać energii między regionami i może odgrywać rolę tylko w określonych sytuacjach, takich jak obecność wysokiej jakości zasobów wiatrowych i słonecznych oraz duże zapotrzebowanie na energię elektryczną w tej samej sieci elektroenergetycznej, a odległość między nimi jest stosunkowo długi.
Transmisja prądu stałego to najlepsze połączenie z siecią regionalną. Jednak ze względu na różnice w wyposażeniu w zasoby w różnych regionach, mój kraj ma stosunkowo duże zapotrzebowanie na międzyregionalny przesył energii. Transmisja prądu stałego ma następujące trzy zalety, co czyni ją najlepszym rozwiązaniem do międzyregionalnego przesyłu energii:
(1) Transmisja prądu stałego zapewnia wyjątkową oszczędność w przesyłaniu energii na duże odległości. Koszt stacji przetwornic prądu stałego jest wyższy niż w przypadku podstacji prądu przemiennego, ale ponieważ transmisja prądu stałego nie ma efektu naskórkowania i mocy ładowania, stopień wykorzystania linii przesyłowych jest wyższy. Dlatego, gdy odległość transmisji jest wystarczająco duża, jej ekonomiczność przewyższy ekonomiczność transmisji AC.
(2) Może być używany do asynchronicznego połączenia sieciowego. Połączenie międzysieciowe prądu przemiennego wymaga, aby częstotliwość całej sieci była spójna, więc nie można go wykorzystać do asynchronicznego połączenia międzysieciowego. Transmisja prądu stałego najpierw prostuje prąd przemienny na prąd stały, a następnie odwraca go na prąd przemienny, który można zastosować do asynchronicznych połączeń międzysieciowych.
(3) Sprzyja izolowaniu awarii sieciowych i nie zwiększa ryzyka awarii sieciowych. Transmisja UHV DC może być traktowana jako sterowane na duże odległości źródło zasilania końcowej sieci odbiorczej. Siatki na obu końcach nie są połączone, a siatki na obu końcach można odizolować. W przypadku poważnej awarii sieci energetycznej UHV DC może odizolować awarię bez zwiększania ryzyka awarii sieci energetycznej. Innym typowym scenariuszem zastosowania UHV AC jest wzmocnienie sieci energetycznej. Ponieważ przesył prądu stałego na dużą skalę w moim kraju dociera do północnych, wschodnich, środkowych i południowo-zachodnich Chin, siła sieci energetycznej prądu przemiennego decyduje o bezpieczeństwie całego systemu elektroenergetycznego, a zapotrzebowanie na prąd przemienny UHV odpowiednio wzrasta.
Ważna rola elastycznego prądu stałego w nowych systemach elektroenergetycznych
Elastyczny prąd stały jest szczególnie odpowiedni do przesyłu morskiej energii wiatrowej na dużą skalę na odległych morzach. Obecnie główną metodą przesyłania morskiej energii wiatrowej jest przesył prądu przemiennego o wysokim napięciu, co oznacza, że morskie turbiny wiatrowe są podłączane do morskich stacji wspomagających, podwyższane do napięcia 220 kV lub wyższego, a następnie wysyłane do lądowych sieci energetycznych. Ponieważ transmisja prądu stałego nie ma mocy ładowania, efektywność inwestycji i transmisji kabli podmorskich jest lepsza niż transmisja prądu przemiennego. Ogólnie rzecz biorąc, gdy odległość transmisji jest większa niż około 80 km, ekonomia transmisji DC będzie większa niż w przypadku transmisji AC. Ponadto, ponieważ konwencjonalny prąd stały wymaga silnego wsparcia sieci prądu przemiennego, a morskie farmy wiatrowe są słabymi systemami prądu przemiennego złożonymi z turbin wiatrowych, które nie są w stanie sprostać wymaganiom przesyłu energii konwencjonalnego prądu stałego, elastyczny prąd stały stał się jedynym ekonomicznym i wykonalnym rozwiązaniem. Trasa technologii hybrydowej LCC-VSC skutecznie rozwiązuje problem awarii komutacji UHV DC w obszarach o gęstych punktach zrzutu DC. Po dziesięcioleciach budowy mój kraj zbudował 32 projekty przesyłu prądu stałego, których główną funkcją jest przesył energii na duże odległości, z czego ponad 10 projektów znajduje się w delcie rzeki Jangcy lub w prowincji Guangdong, a gęste rozmieszczenie prowadzi do prądu stałego transmisji między dwoma miejscami. Wzrasta ryzyko awarii komutacji, rośnie ukryte niebezpieczeństwo awarii sieci elektroenergetycznej. Elastyczny prąd stały może niezależnie podtrzymywać napięcie bez ryzyka awarii komutacji i jest najlepszym rozwiązaniem do dalszego zasilania prądem stałym do dwóch powyższych miejsc. Obecnie China Southern Power Grid zakończyła projekt transmisji prądu stałego Wudongde, a State Grid buduje również projekt transmisji prądu stałego Baihetan-Jiangsu UHV, z których oba zastosowały elastyczną technologię prądu stałego. Ale rozwiązania techniczne obu projektów są różne.
Elastyczne połączenia DC zwiększają zdolność wzajemnej pomocy sieci elektroenergetycznej oraz poprawiają niezawodność i efektywność zasilania. Oprócz konwencjonalnego systemu przesyłu energii na duże odległości między regionalnymi sieciami energetycznymi w moim kraju, elastyczne trasy prądu stałego typu back-to-back mogą być również wykorzystywane do połączeń wzajemnych na skrzyżowaniach regionalnych sieci elektroenergetycznych. Tak zwany elastyczny DC back-to-back odnosi się do budowy stacji prostownika i stacji falownika razem bez linii DC. Elastyczna technologia prądu stałego typu back-to-back może poprawić wzajemną zdolność energetyczną między regionalnymi sieciami energetycznymi bez rozszerzania zakresu awarii sieci elektroenergetycznych. Ponadto sieci elektroenergetyczne 500 kV w Guangdong, Jiangsu i innych miejscach w Chinach są już bardzo duże, o złożonej strukturze i wyraźnych problemach związanych z nadmiernym prądem zwarciowym. Dodanie elastycznego prądu stałego typu back-to-back w celu „rozwiązania” sieci energetycznej może również skutecznie rozwiązać powyższe problemy. Projekt back-to-back Chongqing-Hubei i będący w budowie projekt połączenia międzysystemowego Fujian-Guangdong to typowe zastosowania elastycznych, prostych projektów back-to-back.