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

在理想情況下，可再生能源本應(yīng)取自何處，就用之何處。然而，現(xiàn)情況并非始終如此。譬如，海上風(fēng)電場生產(chǎn)的電力必須輸送至沿海地區(qū)。這一過程通常需要使用高壓直流輸電線路（HVDC）。當(dāng)輸電電纜長度超過80公里時，HVDC是較為高效的解決方案。HVDC系統(tǒng)通過換流站將海上風(fēng)電場產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。這些直流電在被輸送至陸地后，又會經(jīng)換流站轉(zhuǎn)換回交流電。舉例來說，通過這一過程，北海上的一條海上直流輸電線路可以實現(xiàn)低于4%的輸電損耗。

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

圖為工人在西門子紐倫堡工廠內(nèi)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(tǒng)在800公里的輸電距離內(nèi)會產(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，西門子在中國建成的一套HVDC系統(tǒng)就證明了直流輸電線路能夠成功運行。這套系統(tǒng)的輸電容量高達(dá)5000兆瓦，可將在云南的水電站生產(chǎn)的電力輸送至遠(yuǎn)在1400公里之外的廣東省內(nèi)的大城市。通過取代由燃煤產(chǎn)生的補(bǔ)充電力，廣東省每年可減排二氧化碳約3000萬噸。

不僅如此，HVDC輸電還有一個*的優(yōu)點，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。因此，對西門子來說，繼續(xù)優(yōu)化HVDC技術(shù)是明智之舉。目前，西門子是全球*的HVDC系統(tǒng)制造商之一，擁有約40%的*。

隔離故障

在一些應(yīng)用場景中，使用傳統(tǒng)HVDC技術(shù)需要耗費大量的精力且成本高昂，西門子為此開發(fā)出了專門的HVDC解決方案。比如說，2010年，HVDC PLUS技術(shù)被首次使用，通過一條穿越東灣區(qū)的長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生產(chǎn)的電力輸送至舊金山市中心。

鞋盒大小的設(shè)備被捆綁安裝到像這樣的換流塔中。這種塔有助于穩(wěn)定輸電系統(tǒng)。

HVDC PLUS設(shè)施能帶來諸多益處。比方說，不同于傳統(tǒng)HVDC系統(tǒng)，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(tǒng)中，電流轉(zhuǎn)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現(xiàn)精準(zhǔn)開關(guān)，從而讓換流過程產(chǎn)生接近理想的電流和電壓波形。這樣就無需使用濾波器，從而節(jié)省了空間，使HVDC PLUS解決方案極其適用于如海上風(fēng)電場等系統(tǒng)。當(dāng)然，西門子還在堅持不懈地改進(jìn)其電力電子系統(tǒng)。例如，在2016年8月于巴黎舉辦的國際大電網(wǎng)委員會（CIGRE）展會上，西門子發(fā)布了性能是以往型號的兩倍的IGBT模塊。這意味著實現(xiàn)規(guī)定性能所需的模塊數(shù)量更少，從而可以節(jié)省更多空間。

不僅如此，盡管常規(guī)HVDC系統(tǒng)需要在有輸電干線電壓的情況下才能從交流電轉(zhuǎn)換為直流電，HVDC PLUS設(shè)施可自行產(chǎn)生這種電壓。由此帶來的好處是，當(dāng)輸電線上的電壓發(fā)生中斷，或當(dāng)某個電廠*停機(jī)時，這項新技術(shù)能夠自行生成干線電壓，實現(xiàn)“黑啟動”，從而降低斷電風(fēng)險。

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

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

深埋地底還是架空

傳統(tǒng)HVDC技術(shù)已融合了40多年持續(xù)研發(fā)所取得的成果，而HVDC PLUS技術(shù)則相對較新。不過，西門子已在對其進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)。目前，功率最大的HVDC PLUS系統(tǒng)連接法國Baixas與西班牙Santa Llogaia。它長65公里，有兩套系統(tǒng)，通過兩條輸電容量各為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340公里的Ultranet輸電線路，將能夠使用輸電容量高達(dá)2000兆瓦的靈活、可靠的高架線路。Ultranet項目只是朝著未來覆蓋全歐洲的、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(tǒng)運營商網(wǎng)絡(luò)預(yù)計將在2050年建成這個電網(wǎng)。這些系統(tǒng)以及其他概念都旨在滿足今后幾十年的能源供應(yīng)要求。