隨著能源轉(zhuǎn)型不斷推進，作為緊密連接電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的配電網(wǎng)，將在形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)、運行模式等方面發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變。交直流、多等級、多元用戶、靈活可靠、即插即用……配電網(wǎng)正展現(xiàn)出越來越多的新特點。發(fā)展新一代變電站技術(shù)，支撐未來配電網(wǎng)建設(shè)，已成為配電技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點和競爭焦點。
今年1月，“柔性變電站關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備及工程應(yīng)用”在國家電網(wǎng)有限公司第四屆職工代表大會第一次會議暨2021年工作會議上獲得2020年度公司科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎。自2013年起，國網(wǎng)冀北電力有限公司、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司等7家單位專業(yè)人員組成的科研團隊，在國際上率先提出“柔性變電站”概念，把打造未來交直流混合配電網(wǎng)樞紐作為奮斗目標(biāo)，歷經(jīng)數(shù)年技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)了柔性變電站技術(shù)從科研理念到應(yīng)用實踐的全面突破。
提出創(chuàng)新概念
推動源-網(wǎng)-荷融合發(fā)展
8年前，當(dāng)“柔性變電站關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備及工程應(yīng)用”項目團隊著手開展相關(guān)技術(shù)研究時，電力行業(yè)對于交直流混合配電網(wǎng)的探索大多還停留在理論層面，尚無應(yīng)用先例。這成為團隊每一位成員渴望征服的技術(shù)“無人區(qū)”。
8年后的2021年，當(dāng)“柔性變電站關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備及工程應(yīng)用”獲得2020年度公司科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎后，項目團隊每一位成員都為過去的付出感到欣慰與自豪。這不光是由于團隊的研究成果得到了認(rèn)可，更是因為項目在相關(guān)領(lǐng)域取得的突破，讓人們清晰看到了未來配電網(wǎng)的模樣。
近年來，在能源轉(zhuǎn)型大背景下，能源發(fā)展日益傾向清潔、低碳、電氣化，配電網(wǎng)逐步向有源系統(tǒng)演變，電源和負(fù)荷的波動性和間歇性都在不斷加大。這對配電網(wǎng)變電站電壓和潮流調(diào)節(jié)能力提出了更高要求。
以覆蓋河北唐山、張家口、秦皇島、承德、廊坊等地的冀北電網(wǎng)為例，截至2020年年底，冀北電網(wǎng)風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機已達2831.2萬千瓦，新能源裝機占統(tǒng)調(diào)裝機比例達64.5%。“拿風(fēng)能、太陽能資源豐富的張家口地區(qū)來說，當(dāng)?shù)匦履茉聪{一方面需要依靠主網(wǎng)外送，一方面則需要本地消納，這便需要將分布式電源更加友好地接入配電網(wǎng)。”項目團隊成員、冀北電力經(jīng)濟技術(shù)研究院設(shè)計中心系統(tǒng)室副主管傅守強介紹，將新能源電源接入交流配電網(wǎng)，需要進行直流、交流轉(zhuǎn)換，其效率必然不如直接接入直流配電網(wǎng)。
“新技術(shù)的研發(fā)需求，同樣源于電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)。”傅守強解釋，從電網(wǎng)側(cè)來說，近年來，隨著城市現(xiàn)代化進程的加快，城市電纜化率逐漸提升，對電能質(zhì)量、功率密度以及走廊利用效率等要求更高。在用戶側(cè)，新能源汽車、數(shù)據(jù)中心等新興直流型負(fù)荷快速增長，如果通過多級電力電子變化后接入交流配電網(wǎng)，則存在環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)復(fù)雜、效率低下等問題。“因此，探索發(fā)展電能質(zhì)量更高、輸出容量更大、占地面積更小的直流配電網(wǎng)，成為一種有效的技術(shù)解決途徑。在變電站配備直流接入端口，也將顯著縮減設(shè)備投資、提升用能效率。”傅守強說。
探索建設(shè)交直流混合電網(wǎng)，變電站成為繞不開的重要環(huán)節(jié)。為滿足分布式電源、新能源汽車等新興直流型負(fù)荷并網(wǎng)等發(fā)展需要，研究團隊于2016年在國際上率先提出“柔性變電站”概念，推動源-網(wǎng)-荷融合發(fā)展。
攻克技術(shù)難關(guān)
讓電能配置更加靈活可控
“柔性變電站是以電力電子技術(shù)為核心，具有高度集成、高度靈活、高度兼容性特征的新一代變電站。”提及柔性變電站的主要特征，項目團隊成員、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院電力電子研究所主任工程師劉海軍介紹，柔性變電站能夠?qū)Σ煌问降碾妷汉碗娏鬟M行高效變換，并以靈活可控、即插即用方式接受和分配電能。
“‘柔性’主要體現(xiàn)在變電站的靈活調(diào)節(jié)控制。”劉海軍解釋說，人們既可以把柔性變電站看成一個變電站，也可以把它看成一種全新概念的設(shè)備，“既是變壓器，也是換流器，還是濾波器、潮流控制器、快速開關(guān)。”柔性變電站的一大創(chuàng)新，在于推動了變電站關(guān)鍵設(shè)備由“多種設(shè)備組合”向“單一設(shè)備集成”發(fā)展。
正是這樣的設(shè)備集成，使柔性變電站具備了不同電壓等級的交直流接口，支持靈活組網(wǎng)和分布式能源電源即插即用。“如果把交流電和直流電比喻成人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫睦渌蜔崴敲慈嵝宰冸娬究梢员豢闯墒羌嫒堇渌?、熱水的水龍頭，而傳統(tǒng)變電站只能單一輸出‘冷水’或‘熱水’。”劉海軍解釋。
要想使配電網(wǎng)中的“水龍頭”既能流出“冷水”，又能流出“熱水”，項目團隊所付出的努力，遠不像劉海軍現(xiàn)在所講述的那樣“輕描淡寫”。
“柔性變電站最核心、最基礎(chǔ)的創(chuàng)新，在于首創(chuàng)交直流電網(wǎng)互聯(lián)和直流并網(wǎng)的新型換流器主電路拓?fù)洹?rdquo;作為項目總負(fù)責(zé)人，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院電力電子研究所所長鄧占鋒深知項目創(chuàng)新的難點所在。他說，創(chuàng)新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就是研究如何把電力電子器件更加有效地連接起來，使其具有特定的功能和性能，“如果把新型換流器主電路看成是一座大廈，電力電子器件便是搭建大廈的磚頭。大廈能否蓋好，關(guān)鍵得看結(jié)構(gòu)設(shè)計”。
一代拓?fù)錄Q定一代裝置，一代裝置決定一代系統(tǒng)。經(jīng)過成百上千次的研究試驗，研究團隊最終提出了三相波動功率自平衡的多端口換流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；谶@樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，換流器具備了高低壓、交直流4個對外端口，實現(xiàn)了端口間功率、潮流的靈活控制。“得益于結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，換流器器件數(shù)量隨之減少，功率密度提升70%左右。”鄧占鋒說。
技術(shù)攻關(guān)取得突破，落地應(yīng)用還需要成套設(shè)計方案，但項目團隊卻無經(jīng)驗可循。
2016年，公司決定在張北縣建設(shè)柔性變電站及交直流配電網(wǎng)示范工程。國網(wǎng)冀北電力高度重視，組織產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)團隊通力合作，編制建設(shè)方案，開展技術(shù)攻關(guān)。為了確定示范工程的成套方案，傅守強和同事們忙了一整年，結(jié)合新能源發(fā)電、用戶用電典型場景，設(shè)計出5套不同的方案，并針對每套方案提出了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，評估了造價，完成了初步設(shè)計。他們通過反復(fù)比較，創(chuàng)新了基于柔性變電站的交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)集成和工程應(yīng)用技術(shù)，還在研究過程中提煉出工作內(nèi)容、理論方法，為后續(xù)類似工程的成套設(shè)計提供經(jīng)驗指導(dǎo)。
在團隊成員持續(xù)的聯(lián)合攻關(guān)下，項目團隊共獲授權(quán)專利44項（其中發(fā)明專利16項），發(fā)表SCI/EI收錄論文24篇，制訂標(biāo)準(zhǔn)3項，出版專著1部。
夢想照進現(xiàn)實
交直流混合配電網(wǎng)發(fā)展前景廣闊
2018年8月2日，研究團隊數(shù)年的努力和付出終于結(jié)出碩果。在這一天，世界首個柔性變電站及交直流配電網(wǎng)示范工程在張北縣正式投入運行。
這一示范工程建有10千伏光伏直流升壓站1座、10千伏柔性變電站1座。其中，10千伏柔性變電站的核心設(shè)備——電力電子變壓器具有4個交直流端口，在錯綜復(fù)雜的配電網(wǎng)中起到了樞紐性作用。
這樣的樞紐，使用電客戶能夠自如地在交直流供電之間切換。“直流電對于數(shù)據(jù)中心類的用電客戶而言，效率更高。柔性變電站能夠幫助客戶在新能源發(fā)電高峰期用上直流電，以降低能耗；同時能在新能源發(fā)電低谷期靈活切換為普通交流供電，以保障客戶正常生產(chǎn)。這無疑是一種更加靈活高效的電能分配方式。”劉海軍介紹。
作為集技術(shù)創(chuàng)新、新興產(chǎn)業(yè)多元供電服務(wù)、清潔能源消納于一體的示范工程，柔性變電站及交直流配電網(wǎng)示范工程為應(yīng)對配電網(wǎng)電源清潔化、多元化，網(wǎng)絡(luò)電力電子化、信息化，以及用戶特性復(fù)雜化、互動化的發(fā)展形勢，提出了重要的解決方案。“簡而言之，基于柔性變電站的交直流配電網(wǎng)可以在減少轉(zhuǎn)換過程、縮小設(shè)備體積、降低能耗折損的同時，保證客戶可靠用電。”鄧占鋒說。
這樣的嘗試還在繼續(xù)。就在張北縣東南部不遠的張家口市崇禮區(qū)，10千伏多能互補智能電網(wǎng)綜合示范工程正在緊張有序地建設(shè)。該工程新建多能互補微電網(wǎng)示范變電站1座、“發(fā)充儲放”一體充電站1座。微電網(wǎng)網(wǎng)架可實現(xiàn)配電網(wǎng)、可再生能源、儲能等之間無縫切換，提高能源利用率。
這項工程計劃于今年建成投運。作為微電網(wǎng)的核心裝置，基于柔性變電站技術(shù)的能源路由器可顯著提高工程的供電可靠性和靈活性，助力北京2022年冬奧會實現(xiàn)100%清潔能源供電。
“交直流混合配電網(wǎng)是電網(wǎng)未來發(fā)展的重要方向，我們對柔性變電站技術(shù)的應(yīng)用充滿信心。”傅守強說，目前，諸如數(shù)據(jù)中心一類的新興直流負(fù)荷，正在成為柔性變電站技術(shù)的主要應(yīng)用對象，“未來，隨著技術(shù)的逐步成熟，柔性變電站本身的成本將進一步降低，屆時也將拓展更多的應(yīng)用場景。”
評論