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柔性变电站:实现交直流相互转化的顶尖技术

时间:2017-2-21 15:41:00   来源:变压器市场网   添加人:admin

  随着社会不断发展,直流负荷大量出现在现代社会生活中。日常生活中的日光灯、节能灯、LED灯等照明系统和电视机、机顶盒、路由器等视听设备,以及迅速发展的电动汽车、数据处理中心等,最终使用的都是直流电。目前,常规做法是采用交流电,这就离不开交/直变换,需在每个用电终端实施一次整流变换,同时在转换过程中一些电能的损失以热能的方式散发出来。如果采用直流供电,则可减少大量整流变压器,相应减少转换中散发出的热量,减少换气扇、空调的资金投入。

  同样,大量的变频电器走入普通百姓生活中,如变频冰箱、变频空调、变频洗衣机,为了达到变频低功耗,其内部的实质就是交/直/交的变换过程。如果采用直流配电网,则可直接实现DC/AC转换,减少中间环节意味着减少能量损失。

  伴随分布式电源发电、储能、电力电子等技术进步,配电网中用户侧分布式可再生发电容量占比将不断提高,分布式储能、直流负荷供电需求日益显现,配电网中潮流在电网与用户、高压配电网与中压配电网、中压配电网与低压配电网之间双向互动的需求愈来愈多。直流配电具有功率双向灵活可控、隔离故障、响应速度快等优势,公用配电网向交直流混合供电物理形态演进或将成为未来配电网的发展方向。

  理论

  同时空转化交直流电

  柔性变电站是电力电子技术与变电站技术的结合,以一次设备电力电子化为特征,简化变电站设备种类及数量。柔性变电站在电网中不仅是能量传输节点,而且还是电网调控节点与负荷调控节点,旨在提高电网状态参数、增强潮流的精确灵活控制,可实现电网有功、无功、电压等的平滑调控,提升电网安全稳定运行水平和高效运行等功能。柔性变电站应用于配电网,可提高源—网—荷互动能力,实现分布式电源及多元化交直流负荷的友好、有效接纳及协调控制,实现故障的快速隔离,提高用户供电电能质量等功能。

  相比较常规变电站,柔性变电站在系统柔性控制、多信息流交互、提升电能质量、快速切除故障、提高运维效率、灵活接入环境等方面优势突出,而在节省建设费用、节约用地等方面目前尚存在不足,有待于日后进一步提升。

  柔性变电站内电力电子变流器的应用集成了变压、开断、无功补偿等功能,可省去原主变高低压出线断路器,以及站内低压无功补偿装置等设备,简化了电气主接线及电气设备平面布置。柔性变电站基于电源与负荷的实时功率情况,综合协调电网、分布式电源及可控负荷,实现潮流的多向按需分配,优化潮流路径,实现多能互补及运行的经济性。柔性变电站增强了原有变电站的管控功能,通过与出线侧分布式电源、可控可调负载、上一级电网的信息交互,从控制与管理的角度,有效组织出线侧的电力资源,保证区域范围内的电力供需平衡。电力电子设备能够实现100%隔离高低压侧的谐波相关交叉传递,同时有效抑制电压暂降,控制暂降时间,提升电网电压合格率水平。普通交流断路器开断时间约为十几毫秒至几十毫秒,电力电子变流器及固态开关极大缩短了故障切除时间,提升了系统稳定性,保护了重要用电设备。

  柔性变电站采用模块化设计方法,每个模块可在其他模块正常工作时独立检修,避免了现有变电站设备故障时需整体停运检修的问题,提高了供电能力及运维效率。柔性变电站适应了多种分布式电源及大规模直流负荷的发展,除普通交流出线外还为其提供了直流接口,可灵活接入电动汽车等各类交直流负荷、分布式储能及分布式电源。

  实践

  支撑电网灵活稳定运行

  交直流配电网及柔性变电站示范工程是国家电网公司“十三五”期间打造的重点示范工程之一,是张家口可再生能源示范区及国家电网公司全球能源互联网示范区的重要组成部分。公司计划建设世界首个全可控电力电子柔性变电站及具有柔性控制的交直流混合配电网。交直流混合配电网结构灵活、高度可控,传输效率高,电能质量好,可简化分布式电源接入方式,高效兼容分布式风电、光伏的直流电源并网,支持储能、直流负荷的接入。柔性变电站主要实现10千伏电压等级供电,能实现低压交直流混合输出,可灵活接入分布式电源发电、分散式储能装置及交直流负载,实现清洁能源的高品质消纳、柔性接入和灵活调配,提高区域能源“源—网—荷”协调互动水平,支撑未来电网运行方式的灵活性及系统稳定性。

  预计2018年工程建成后,将为未来配电网的发展起到示范作用。工程将首次实现智能电网与云计算产业的结合,将首次实现数据中心高可靠性要求,负荷由直流电网直接供电。建设世界首个全可控电力电子柔性变电站交直流配电网及柔性变电站示范工程,能支撑未来配电网运行方式的灵活性及系统的稳定性。示范工程计划建成两端式拓扑结构的直流配电网,结合柔性变电站实现潮流调节的能力,发挥了直流电网输送距离远、输送容量大、传输损耗小的优越性能。对交直流配电网的系统构建,运行控制及保护配置等给出了解决方案,探索了未来配电网的形态。示范工程可实现光伏电站直流送出,实现集中式光伏电站兆瓦级容量不经过DC/AC逆变环节,直接升压接入直流配电网,省去了光伏电站接入系统的逆变环节,是消纳新能源发电、尤其是光伏发电的有益尝试。

  柔性变电站以一次设备电力电子化为主要特征,具备中/低压、交/直流多端接口,集潮流柔性管控、多形态能源接入、故障限流、故障隔离等多种功能。柔性变电站不再仅仅是能量传输节点,而且是电网潮流与状态参数调控节点,同时还是负荷调控节点,可以实现电网注入功率、线路潮流、母线电压等变量和参数的灵活快速调节以及“源—网—荷”的协调控制,实现短路故障快速隔离,为电网的安全稳定与经济运行提供强大的技术支撑。随着新能源渗透率逐渐增强和多元化负荷的大规模接入,高压、高频、大容量、低损耗SiC功率器件的逐步发展、成熟,柔性变电站的效率将得到进一步提升、体积将大幅下降,可以实现柔性变电站的高效运行和集约化建设。未来柔性变电站将在配电网中得到更广泛的推广,而且将在更高电压等级的输电网中实现应用,有力支撑智能电网和全球能源互联网的发展。