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    柔性變電站—實現交直流相互轉化的頂尖技術

    添加時間:2017-02-22 14:23:16  瀏覽次數: 次  附加1:  【 】  打印  關閉窗口

              隨著社會不斷發展,直流負荷大量出現在現代社會生活中。日常生活中的日光燈、節能燈、LED燈等照明系統和電視機、機頂盒、路由器等視聽設備,以及迅速發展的電動汽車、數據處理中心等,最終使用的都是直流電。目前,常規做法是采用交流電,這就離不開交/直變換,需在每個用電終端實施一次整流變換,同時在轉換過程中一些電能的損失以熱能的方式散發出來。如果采用直流供電,則可減少大量整流變壓器,相應減少轉換中散發出的熱量,減少換氣扇、空調的資金投入。

    同樣,大量的變頻電器走入普通百姓生活中,如變頻冰箱、變頻空調、變頻洗衣機,為了達到變頻低功耗,其內部的實質就是交/直/交的變換過程。如果采用直流配電網,則可直接實現DC/AC轉換,減少中間環節意味著減少能量損失。

    伴隨分布式電源發電、儲能、電力電子等技術進步,配電網中用戶側分布式可再生發電容量占比將不斷提高,分布式儲能、直流負荷供電需求日益顯現,配電網中潮流在電網與用戶、高壓配電網與中壓配電網、中壓配電網與低壓配電網之間雙向互動的需求愈來愈多。直流配電具有功率雙向靈活可控、隔離故障、響應速度快等優勢,公用配電網向交直流混合供電物理形態演進或將成為未來配電網的發展方向。

    理論
    同時空轉化交直流電

    柔性變電站是電力電子技術與變電站技術的結合,以一次設備電力電子化為特征,簡化變電站設備種類及數量。柔性變電站在電網中不僅是能量傳輸節點,而且還是電網調控節點與負荷調控節點,旨在提高電網狀態參數、增強潮流的精確靈活控制,可實現電網有功、無功、電壓等的平滑調控,提升電網安全穩定運行水平和高效運行等功能。柔性變電站應用于配電網,可提高源—網—荷互動能力,實現分布式電源及多元化交直流負荷的友好、有效接納及協調控制,實現故障的快速隔離,提高用戶供電電能質量等功能。

    相比較常規變電站,柔性變電站在系統柔性控制、多信息流交互、提升電能質量、快速切除故障、提高運維效率、靈活接入環境等方面優勢突出,而在節省建設費用、節約用地等方面目前尚存在不足,有待于日后進一步提升。

    柔性變電站內電力電子變流器的應用集成了變壓、開斷、無功補償等功能,可省去原主變高低壓出線斷路器,以及站內低壓無功補償裝置等設備,簡化了電氣主接線及電氣設備平面布置。柔性變電站基于電源與負荷的實時功率情況,綜合協調電網、分布式電源及可控負荷,實現潮流的多向按需分配,優化潮流路徑,實現多能互補及運行的經濟性。柔性變電站增強了原有變電站的管控功能,通過與出線側分布式電源、可控可調負載、上一級電網的信息交互,從控制與管理的角度,有效組織出線側的電力資源,保證區域范圍內的電力供需平衡。電力電子設備能夠實現100%隔離高低壓側的諧波相關交叉傳遞,同時有效抑制電壓暫降,控制暫降時間,提升電網電壓合格率水平。普通交流斷路器開斷時間約為十幾毫秒至幾十毫秒,電力電子變流器及固態開關極大縮短了故障切除時間,提升了系統穩定性,保護了重要用電設備。

    柔性變電站采用模塊化設計方法,每個模塊可在其他模塊正常工作時獨立檢修,避免了現有變電站設備故障時需整體停運檢修的問題,提高了供電能力及運維效率。柔性變電站適應了多種分布式電源及大規模直流負荷的發展,除普通交流出線外還為其提供了直流接口,可靈活接入電動汽車等各類交直流負荷、分布式儲能及分布式電源。

    實踐
    支撐電網靈活穩定運行

    交直流配電網及柔性變電站示范工程是國家電網公司“十三五”期間打造的重點示范工程之一,是張家口可再生能源示范區及國家電網公司全球能源互聯網示范區的重要組成部分。公司計劃建設世界首個全可控電力電子柔性變電站及具有柔性控制的交直流混合配電網。交直流混合配電網結構靈活、高度可控,傳輸效率高,電能質量好,可簡化分布式電源接入方式,高效兼容分布式風電、光伏的直流電源并網,支持儲能、直流負荷的接入。柔性變電站主要實現10千伏電壓等級供電,能實現低壓交直流混合輸出,可靈活接入分布式電源發電、分散式儲能裝置及交直流負載,實現清潔能源的高品質消納、柔性接入和靈活調配,提高區域能源“源—網—荷”協調互動水平,支撐未來電網運行方式的靈活性及系統穩定性。

     張北柔性變電站范式工程示意圖

    預計2018年工程建成后,將為未來配電網的發展起到示范作用。工程將首次實現智能電網與云計算產業的結合,將首次實現數據中心高可靠性要求,負荷由直流電網直接供電。建設世界首個全可控電力電子柔性變電站交直流配電網及柔性變電站示范工程,能支撐未來配電網運行方式的靈活性及系統的穩定性。示范工程計劃建成兩端式拓撲結構的直流配電網,結合柔性變電站實現潮流調節的能力,發揮了直流電網輸送距離遠、輸送容量大、傳輸損耗小的優越性能。對交直流配電網的系統構建,運行控制及保護配置等給出了解決方案,探索了未來配電網的形態。示范工程可實現光伏電站直流送出,實現集中式光伏電站兆瓦級容量不經過DC/AC逆變環節,直接升壓接入直流配電網,省去了光伏電站接入系統的逆變環節,是消納新能源發電、尤其是光伏發電的有益嘗試。

    柔性變電站以一次設備電力電子化為主要特征,具備中/低壓、交/直流多端接口,集潮流柔性管控、多形態能源接入、故障限流、故障隔離等多種功能。柔性變電站不再僅僅是能量傳輸節點,而且是電網潮流與狀態參數調控節點,同時還是負荷調控節點,可以實現電網注入功率、線路潮流、母線電壓等變量和參數的靈活快速調節以及“源—網—荷”的協調控制,實現短路故障快速隔離,為電網的安全穩定與經濟運行提供強大的技術支撐。隨著新能源滲透率逐漸增強和多元化負荷的大規模接入,高壓、高頻、大容量、低損耗SiC功率器件的逐步發展、成熟,柔性變電站的效率將得到進一步提升、體積將大幅下降,可以實現柔性變電站的高效運行和集約化建設。未來柔性變電站將在配電網中得到更廣泛的推廣,而且將在更高電壓等級的輸電網中實現應用,有力支撐智能電網和全球能源互聯網的發展。


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