在电力系统中，柔性技术通常指灵活的电能变换与控制技术，它基于大功率、高性能的电力电子器件，可实现对电网电压、电流、功率等各类参数的实时调节，具有可控性好、适应性强、响应速度快、智能化程度高等特点。
文／特约记者 徐梓沐 谢浩铠
近年来，国网浙江省电力有限公司把多项柔性技术应用于电网建设与运行——全球首个五端柔性直流输电工程让海岛电网实现了“手拉手”，全国首个智能柔性直流配电网示范工程引领了绿色能源的高效利用，全国首个柔性低频输电示范工程实现了输电方式的创新。柔性技术以其高效、灵活、可靠的特点，应对新能源发电装机逐年增加而产生的刚性消纳需求。
五端柔直 连接海岛
浙江省是用能大省，也是资源小省，三分之一的电力需从省外输入，因此发掘本地电源资源十分重要。据统计，浙江近岸海域内拥有海岛4300多个，居全国第一。此外，浙江的海岸线和海岛岸线总长度超过6000千米。得天独厚的环境赋予了浙江丰富的海上风能资源。
然而，海洋的阻隔也给海上风电的传输出了一道难题。海洋上各岛屿之间，海洋与大陆之间的电力传送亟需寻求性能更优、可控性更强的传输方式，柔性电力技术便派上了用场。2014年7月，舟山五端柔性直流输电工程建成投运，将舟山群岛中的定海、岱山、衢山、泗礁及洋山岛等5个主要海岛的电网“手拉手”连起来，实现了海岛间新能源电力的灵活传输。
随着新能源传输容量的增加，柔性直流输电技术面临优化的问题。传统的柔性直流输电技术需要在海上建立交流电转直流电的转换站。转换站的规模相当庞大，占地面积约相当于一个足球场，高度可比肩15层高的居民楼，重达2.2万吨。
“在近海区域，风电的输送主要依赖工频交流输电技术。然而，当风电场距离海岸线超过80千米时，由于交流输电过程中的海缆无功功率大等问题影响，输送能力严重受限。”国网浙江电科院电网技术中心副主任陆翌说。近年来，国网浙江电力正持续开展柔性电力技术的集中攻关，思考如何用好柔性直流输电等创新技术，进一步发挥海洋资源作用，以产出更清洁、更优质的电能。
柔性低频 海陆两用
2019年，中国科学院院士陈维江提出了基于电力电子器件的柔性低频交流输电构想。此后，由国网浙江电力牵头，联合中国电科院、西安交通大学、合肥工业大学等10家单位共同开展了“柔性低频输电关键技术”相关研究，为柔性低频输电示范工程的建设奠定了基础。
“柔性低频交流输电技术是一种采用电力电子技术，将传统电网的输送频率降至50赫兹以下，再进行电能传输的新型交流输电技术，具有低频长距离输送和柔性友好互联的技术优势，通过降低频率可降低线路阻抗，有效提升有功输送能力和输送距离。”陆翌介绍。
研究启动以来，国网浙江电力按照“系统—设备”迭代优化的策略，掌握了柔性低频输电系统行为特性，并明确了设备性能要求，结合典型场景分别提出系统优化构建方案，研制了低频系列装备。
这一过程中，“确定20赫兹为工程频率”的意义非常关键。“20赫兹的工程频率，是我们兼顾经济性与输电能力后测算而来的。理论上，频率过低会提升低频变压器的体积和重量，增加断路器的分断难度，从而提高设备成本。而频率过高则会降低远距离输电能力。”陆翌介绍，经过层层计算验证和仿真比对，国网浙江电力最终确定20赫兹输电的适宜距离为离岸70千米至180千米的中远海范围内，在实现百万千瓦风电全额送出时，比柔性直流输电更具经济性。
在台州市大陈岛上，海风吹动低频风力发电机，绿色的风电便从小小的海岛输送至陆地上的电网。2022年6月，台州35千伏柔性低频输电示范工程在浙江省台州市投运，这是世界首套投入商业运行的低频海上风电送出系统，有效验证了海岛风机源侧低频接入的技术先进性及风电柔性低频送出技术的可行性。
“在台州35千伏柔性低频输电示范工程的施工中，我们对大陈岛上原有两台1.1兆瓦的工频风机进行了低频改造，将风机发出20赫兹的电能，经升压至35千伏后，通过27千米长的盐场—大陈低频海缆，送至35千伏盐场低频换流站，变频为50赫兹后并入工频系统。”国网台州供电公司变电检修中心副主任蒋旭介绍，投运至今，该工程已向陆地输送海上风电超1600万千瓦时，相比工频输电线损降低了1.2%。
2023年6月30日，杭州220千伏柔性低频输电示范工程投入运行，该工程额定传输容量30万千瓦，是目前我国电压等级最高、输送容量最大的柔性低频输电工程。工程新建亭山、中埠2座低频换流站，其中亭山站接入500千伏昇光供区，中埠站接入500千伏富阳供区，通过既有的亭中输电线路实现了两大供区柔性低频互济互联。
“柔性低频技术通过电力电子装置控制，既具有与柔性直流输电相似的功率控制、电压动态调整、异步电网互联等功能，又兼有交流输电方式的电压变换容易、组网便捷等优势，在电网柔性互联等场景下也具有明显优势。”陆翌介绍。
2023年5月末，浙江遭遇罕见高温。在此期间，工程及时调配富阳供区的富余电力支援昇光供区，成功避免了昇光主变压器超负荷运行。截至目前，杭州220千伏柔性低频输电工程已在迎峰度夏、杭州亚运会中多次发挥重要作用，保障电力供应360万千瓦时，并有效缓解电网断面潮流超限问题，提升全省供电能力100万千瓦，成为电网潮流调节的“有力武器”。
三步示范 陆续推广
为推动柔性低频输电技术在更大范围内得到推广应用，国网浙江电力制定了“三步走”的示范工程计划。首先，通过台州35千伏柔性低频输电示范工程开展风电柔性低频送出技术验证；其次，通过杭州220千伏柔性低频输电工程开展高压大容量成套装备性能验证；最后，开展大容量海上风电柔性低频汇集送出系统验证。
现阶段，国网浙江电力正联合浙江能源集团开展玉环2号海上风电场柔性低频输电工程建设。玉环2号海上风电场位于浙江省台州市玉环海域，规划装机容量508兆瓦，采用工低频混合方式送出，其中204兆瓦采用工频输电方案，304兆瓦采用低频输电方式送至陆上计量站。
“玉环2号海上风电场配备设置了一座220千伏工低频共建海上升压站，建设了3回工频、5回低频66千伏海缆，经工频、低频升压变压器分别升压至220千伏后，通过1回220千伏工频海缆、1回220千伏低频海缆送至陆上计量站和陆上换流站，经220千伏母线共同送出。”陆翌说，当前该工程已完成成套参数设计，预计今年年底投运。
柔性低频输电技术作为一项创新的输电技术，在浙江的新能源消纳中展现出巨大的潜力和价值。借助柔性低频输电技术，只需要在内陆建设一座换流站即可实现海上风电的长距离输送。这种技术比传统工频交流输送距离更长，并且无需建设昂贵的海上换流平台。
此外，近年来沿海岛屿间的输电通道资源越来越紧张，大城市里密集的电网也需要更灵活、经济地互相连接，互济调节，让电力供应更加稳定。柔性低频输电技术能够通过降低电力的频率减少电缆无功功率，从而在有限的廊道资源中提升电能输送能力，并在多个大电源馈入的负荷中心实现低成本、安全的电网互联，有效控制短路电流超标和减少连锁故障的风险。
随着技术的不断成熟和应用的不断推广，柔性低频输电技术将为新能源的高质量发展提供强有力的支持，为全球能源转型和可持续发展作出积极贡献。
