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西門(mén)子推出的HVDC PLUS輸電技術(shù)將在今后幾十年內為基于可再生能源的電力供應打下基礎。

在理想情況下，可再生能源本應取自何處，就用之何處。然而，現情況并非始終如此。譬如，海上風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)的電力必須輸送至沿海地區。這一過(guò)程通常需要使用高壓直流輸電線(xiàn)路（HVDC）。當輸電電纜長(cháng)度超過(guò)80公里時(shí)，HVDC是較為高效的解決方案。HVDC系統通過(guò)換流站將海上風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的交流電轉換為直流電。這些直流電在被輸送至陸地后，又會(huì )經(jīng)換流站轉換回交流電。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)這一過(guò)程，北海上的一條海上直流輸電線(xiàn)路可以實(shí)現低于4%的輸電損耗。

陸地上的太陽(yáng)能發(fā)電系統、風(fēng)電場(chǎng)和水電站產(chǎn)生的電力往往需要跨越遙遠的距離才能到達城市地區。例如，為了將德國北部風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電能傳輸至南部地區，一條總長(cháng)度達3800公里的新輸電線(xiàn)路正在規劃之中。這一項目同樣采用直流輸電。西門(mén)子能源業(yè)務(wù)的HVDC換流器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)主管Jörg Dorn表示：“這些電力高速公路將構成未來(lái)電力網(wǎng)絡(luò )的骨干。”

圖為工人在西門(mén)子紐倫堡工廠(chǎng)內進(jìn)行HVDC PLUS傳輸單元的最后組裝。

這并不足為奇。因為輸電容量為2500兆瓦的三相交流輸電系統在800公里的輸電距離內會(huì )產(chǎn)生約9%的輸電損耗，而直流輸電可以將損耗降低30%到50%不等。從2010年起，西門(mén)子在中國建成的一套HVDC系統就證明了直流輸電線(xiàn)路能夠成功運行。這套系統的輸電容量高達5000兆瓦，可將在云南的水電站生產(chǎn)的電力輸送至遠在1400公里之外的廣東省內的大城市。通過(guò)取代由燃煤產(chǎn)生的補充電力，廣東省每年可減排二氧化碳約3000萬(wàn)噸。

不僅如此，HVDC輸電還有一個(gè)*的優(yōu)點(diǎn)，它可以將由于電網(wǎng)頻率不同而在技術(shù)上不可兼容的三相交流電網(wǎng)連接起來(lái)。因此，對西門(mén)子來(lái)說(shuō)，繼續優(yōu)化HVDC技術(shù)是明智之舉。目前，西門(mén)子是全球*的HVDC系統制造商之一，擁有約40%的*。

隔離故障

在一些應用場(chǎng)景中，使用傳統HVDC技術(shù)需要耗費大量的精力且成本高昂，西門(mén)子為此開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)門(mén)的HVDC解決方案。比如說(shuō)，2010年，HVDC PLUS技術(shù)被首次使用，通過(guò)一條穿越東灣區的長(cháng)85公里的電纜將坐落于加利福尼亞州州匹茲堡的天然氣電廠(chǎng)生產(chǎn)的電力輸送至舊金山市中心。

鞋盒大小的設備被捆綁安裝到像這樣的換流塔中。這種塔有助于穩定輸電系統。

HVDC PLUS設施能帶來(lái)諸多益處。比方說(shuō)，不同于傳統HVDC系統，HVDC PLUS通常不要求在電網(wǎng)中使用交流濾波器。這是因為在HVDC PLUS系統中，電流轉換所需的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊能夠以高度智能的方式實(shí)現精準開(kāi)關(guān)，從而讓換流過(guò)程產(chǎn)生接近理想的電流和電壓波形。這樣就無(wú)需使用濾波器，從而節省了空間，使HVDC PLUS解決方案極其適用于如海上風(fēng)電場(chǎng)等系統。當然，西門(mén)子還在堅持不懈地改進(jìn)其電力電子系統。例如，在2016年8月于巴黎舉辦的國際大電網(wǎng)委員會(huì )（CIGRE）展會(huì )上，西門(mén)子發(fā)布了性能是以往型號的兩倍的IGBT模塊。這意味著(zhù)實(shí)現規定性能所需的模塊數量更少，從而可以節省更多空間。

不僅如此，盡管常規HVDC系統需要在有輸電干線(xiàn)電壓的情況下才能從交流電轉換為直流電，HVDC PLUS設施可自行產(chǎn)生這種電壓。由此帶來(lái)的好處是，當輸電線(xiàn)上的電壓發(fā)生中斷，或當某個(gè)電廠(chǎng)*停機時(shí)，這項新技術(shù)能夠自行生成干線(xiàn)電壓，實(shí)現“黑啟動(dòng)”，從而降低斷電風(fēng)險。

除此之外，如果高架電力線(xiàn)遭遇雷擊，那么采用全橋技術(shù)的新一代發(fā)電換流器將允許系統在短短數百毫秒內多次重新啟動(dòng)，確保故障被隔離而不擴散。

圖為在法國與西班牙間的HVDC輸電線(xiàn)路上位于法國境內的Baixas換流站的換流廳。

深埋地底還是架空

傳統HVDC技術(shù)已融合了40多年持續研發(fā)所取得的成果，而HVDC PLUS技術(shù)則相對較新。不過(guò)，西門(mén)子已在對其進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)。目前，功率最大的HVDC PLUS系統連接法國B(niǎo)aixas與西班牙Santa Llogaia。它長(cháng)65公里，有兩套系統，通過(guò)兩條輸電容量各為1000兆瓦的地下電纜輸送電力。迄今為止，HVDC PLUS技術(shù)一直被用于地下電纜線(xiàn)路。然而，借助采用全橋技術(shù)的新型IGBT模塊，計劃在2022年之前竣工的貫穿德國南北、長(cháng)340公里的Ultranet輸電線(xiàn)路，將能夠使用輸電容量高達2000兆瓦的靈活、可靠的高架線(xiàn)路。Ultranet項目只是朝著(zhù)未來(lái)覆蓋全歐洲的、基于可再生能源的直流電網(wǎng)邁出的*步，歐洲電力輸電系統運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )預計將在2050年建成這個(gè)電網(wǎng)。這些系統以及其他概念都旨在滿(mǎn)足今后幾十年的能源供應要求。