Transmissão em larga escala de energia limpa é o principal problema a ser resolvido no novo sistema elétrico
Existe uma "linha Hu Huanyong" na distribuição de energia limpa e na demanda de eletricidade do meu país. Devido a fatores como clima, desenvolvimento da produtividade, economia política histórica e outros fatores, o desenvolvimento econômico entre as regiões do nosso país é desequilibrado. A "Linha Hu Huanyong" (também conhecida como Linha Heihe-Tengchong) proposta em 1935 é uma descrição típica desse fenômeno: a área a leste da Linha Hu Huanyong ocupa cerca de 36% da área terrestre do país e ocupa mais de 95% da população do país (dados da década de 1930 na época). Há também uma "linha Hu Huanyong" na distribuição de energia limpa e na demanda de eletricidade da China. O leste da Linha Hu Huanyong consome 86,5 por cento da eletricidade, enquanto o oeste consome apenas 13,5 por cento. No entanto, em termos de distribuição de energia limpa, pode ser visto na distribuição de recursos eólicos e recursos leves na China que o oeste da Linha Hu Huanyong é muito mais alto do que o leste da Linha Hu Huanyong. Com exceção dos recursos de energia eólica offshore, outros recursos eólicos de alta qualidade estão longe de áreas de carga intensiva e têm grandes necessidades de implantação de energia.
A energia eólica offshore é uma importante fonte de energia limpa ao longo da costa, e é tendência da época ir para o mar e aumentar a escala. A energia eólica offshore da China está se desenvolvendo rapidamente. Em 2020, a capacidade instalada de energia eólica offshore da China chegará a 3,1 GW, ultrapassando a Europa pela primeira vez para se tornar o maior mercado mundial de energia eólica offshore, com capacidade recém-instalada superior a metade do total mundial. Em 2021, a capacidade de energia eólica offshore recém-instalada na China será de 16,9 GW, um recorde. No entanto, com a retirada dos subsídios estatais para a energia eólica offshore em 2022, a energia eólica offshore entrará na era da paridade e a capacidade instalada voltará aos níveis normais. A energia eólica offshore está próxima do centro de carga, o que é propício ao consumo, e a produção de energia eólica offshore é relativamente estável e as horas de utilização são altas. É a melhor energia limpa nas zonas costeiras. De acordo com o planejamento de energia eólica offshore de Guangdong, Jiangsu e outros lugares, combinado com a tendência de desenvolvimento de energia eólica offshore estrangeira, mar profundo e grande escala são a tendência geral.
UHV DC é a melhor solução para transmissão de energia em larga escala entre regiões
UHV inclui transmissão UHV AC e UHV DC. UHV AC refere-se a projetos de transmissão AC com um nível de tensão de 1000kV e UHVDC refere-se a projetos de transmissão DC com um nível de tensão de ±800kV e acima. Os princípios técnicos e a lógica de desenvolvimento dos dois são completamente diferentes. UHV DC é um projeto típico de transmissão de energia ponto-a-rede. Seu princípio básico é usar uma válvula conversora para converter energia CA em energia CC e, em seguida, converter a energia CC em energia CA após ser transportada para o destino e, em seguida, conectá-la à rede elétrica CA. O objetivo principal é transmitir energia elétrica. Além de transmitir energia elétrica, o AC UHV também assume o papel de melhorar a estrutura da rede e aumentar a estabilidade da rede. A tecnologia de transmissão DC é uma tecnologia de transmissão de energia baseada na tecnologia eletrônica de potência. Devido às vantagens da topologia simples, fácil transformação de tensão e baixo custo do equipamento, a transmissão CA tornou-se a tecnologia de transmissão de energia mais usada em países ao redor do mundo e ainda é a parte mais importante da rede elétrica da China. A tecnologia de transmissão DC é uma rota técnica desenvolvida junto com o nascimento da tecnologia de eletrônica de potência.
De acordo com os diferentes dispositivos e funções da eletrônica de potência, ela pode ser dividida em duas rotas: corrente contínua convencional (LCC) e corrente contínua flexível (VSC):
(1) A corrente contínua convencional (LCC) é uma tecnologia de transmissão de corrente contínua que usa componentes eletrônicos de potência semicontrolados, como tiristores, como componentes centrais da válvula conversora. Suas vantagens são grande capacidade de transmissão e baixo custo, mas requer um forte suporte de rede CA. A quantidade de harmônicos é grande e a energia reativa precisa ser absorvida da rede, portanto, um grande número de equipamentos de filtragem DC e AC deve ser configurado.
(2) DC flexível (VSC) é uma tecnologia de transmissão DC que usa componentes eletrônicos de potência totalmente controlados, como IGBTs, como os principais componentes da válvula conversora. Sua vantagem é que ele pode formar uma corrente alternada muito próxima da onda senoidal padrão por meio da tecnologia modular multinível, e a potência ativa e a potência reativa podem ser ajustadas independentemente sem equipamento de filtragem ou suporte de rede CA. A desvantagem é que o custo é alto e a capacidade de entrega é pequena.
Do ponto de vista da transmissão de energia de longa distância, DC UHV tem vantagens óbvias sobre AC UHV: o padrão geral de operação particionada da rede elétrica do meu país não mudará. A operação da rede elétrica do meu país é realizada por três operadoras principais, a State Grid Corporation of China, a China Southern Power Grid Corporation e a Inner Mongolia Electric Power Company. Existem 7 redes de energia síncronas regionais, e há apenas uma conexão fraca entre as redes de energia regionais, e a maior parte da produção e consumo de eletricidade são gerados na região.
Segundo dados do Conselho de Eletricidade da China, em 2021, 687,6 bilhões de quilowatts-hora de eletricidade serão transmitidos entre as regiões do país, representando apenas cerca de 8,3% do consumo de eletricidade de toda a sociedade, e as conexões entre as regiões são relativamente fraco. A expansão da rede elétrica CA pode fazer com que o risco da rede elétrica aumente em vez de cair. De acordo com a "Pesquisa de padrão de rede elétrica futura (2020)" da Academia Chinesa de Engenharia de 2018, devemos continuar a aderir à estrutura com as seis principais redes elétricas regionais como corpo principal (o Projeto de Investimento Chongqing-Hubei 2019 A Southwest Power Grid e a Central China Power Grid serão separadas após o transporte). Portanto, o AC UHV não pode transmitir energia entre regiões e só pode desempenhar um papel em situações específicas, como a presença de recursos eólicos e solares de alta qualidade e grande demanda de eletricidade na mesma rede elétrica e a distância entre os dois é relativamente longo.
A transmissão DC é a melhor conexão de rede regional. No entanto, devido às diferenças nas dotações de recursos entre as regiões, meu país tem uma demanda relativamente grande de transmissão de energia inter-regional. A transmissão DC tem as três vantagens a seguir, tornando-a a melhor solução para transmissão de energia inter-regional:
(1) A transmissão DC tem excelente economia na transmissão de energia de longa distância. O custo das estações conversoras DC é maior que o das subestações AC, mas como a transmissão DC não tem efeito de pele e poder de carregamento, a taxa de utilização das linhas de transmissão é maior. Portanto, quando a distância de transmissão for longa o suficiente, sua economia superará a da transmissão CA.
(2) Pode ser usado para interconexão de rede assíncrona. A interconexão de rede CA requer que a frequência de toda a rede seja consistente, portanto, não pode ser usada para interconexão de rede assíncrona. A transmissão de energia CC primeiro retifica a energia CA em energia CC e depois a inverte em energia CA, que pode ser aplicada à interconexão de rede assíncrona.
(3) Conduz ao isolamento de acidentes de rede e não aumenta o risco de acidentes de rede. A transmissão UHV DC pode ser considerada como uma fonte de energia controlável de longa distância da rede final receptora. As grades em ambas as extremidades não são acopladas e as grades em ambas as extremidades podem ser isoladas. No caso de um acidente grave na rede elétrica, o UHV DC pode isolar o acidente sem aumentar o risco de acidentes na rede elétrica. Outro cenário típico de aplicação de UHV AC é fortalecer a rede elétrica. À medida que a transmissão de corrente contínua em grande escala do meu país entra no norte da China, leste da China, centro da China e sudoeste da China, a força da rede elétrica CA determina a segurança de todo o sistema de energia e a demanda por CA UHV aumenta de acordo.
O importante papel da CC flexível em novos sistemas de energia
A corrente contínua flexível é especialmente adequada para a transmissão de energia eólica offshore em larga escala em mares distantes. Atualmente, o principal método de transmissão de energia eólica offshore é a transmissão CA de alta tensão, ou seja, as turbinas eólicas offshore são conectadas a estações de reforço offshore, aumentadas para 220kV ou níveis de tensão mais altos e, em seguida, enviadas para redes elétricas terrestres. Como a transmissão DC não tem poder de carga, o investimento e a eficiência de transmissão dos cabos submarinos são melhores do que a transmissão AC. De um modo geral, quando a distância de transmissão for superior a cerca de 80 km, a economia da transmissão CC excederá a da transmissão CA. Além disso, como a CC convencional requer um forte suporte de rede CA e os parques eólicos offshore são sistemas CA fracos compostos por turbinas eólicas, que não podem atender aos requisitos de transmissão de energia da CC convencional, a CC flexível tornou-se a única solução econômica e viável. A rota de tecnologia híbrida LCC-VSC resolve efetivamente o problema de falha de comutação UHV DC em áreas com pontos de queda DC densos. Após décadas de construção, meu país construiu 32 projetos de transmissão de corrente contínua com transmissão de energia de longa distância como função principal, dos quais mais de 10 projetos estão localizados no delta do rio Yangtze ou na província de Guangdong, e o posicionamento denso leva a corrente contínua transmissão entre os dois lugares. O risco de falha de comutação aumenta e o perigo oculto de acidentes na rede elétrica aumenta. A CC flexível pode suportar a tensão de forma independente sem o risco de falha de comutação e é a melhor solução para continuar a alimentar a CC nos dois locais acima. Atualmente, a China Southern Power Grid concluiu o projeto de transmissão DC Wudongde, e a State Grid também está construindo o projeto de transmissão UHV DC Baihetan-Jiangsu, ambos os quais aplicaram tecnologia DC flexível. Mas as soluções técnicas dos dois projetos são diferentes.
A interconexão CC flexível aumenta a capacidade de ajuda mútua da rede elétrica e melhora a confiabilidade e a eficiência do fornecimento de energia. Além do esquema de transmissão de energia convencional de longa distância entre redes elétricas regionais em meu país, rotas CC flexíveis back-to-back também podem ser usadas para interconexão na junção de redes elétricas regionais. O chamado CC flexível back-to-back refere-se à construção de uma estação retificadora e uma estação inversora juntas sem uma linha CC. A tecnologia DC flexível back-to-back pode melhorar a capacidade de energia mútua entre redes elétricas regionais sem expandir o escopo de acidentes na rede elétrica. Além disso, as redes de energia de 500 kV em Guangdong, Jiangsu e outros lugares na China já são muito grandes, com estruturas complexas e problemas proeminentes de corrente excessiva de curto-circuito. Adicionando DC flexível back-to-back para "desatar" a rede elétrica também pode resolver efetivamente os problemas acima. O projeto back-to-back Chongqing-Hubei e o projeto de interconexão Fujian-Guangdong em construção são aplicações típicas de projetos back-to-back retos flexíveis.