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，已成為配電技術(shù)領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，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“柔性變電站關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備及工程應用”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“柔性變電站關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備及工程應用”獲得2020年度公司科學技術(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可，更是因為項目在相關(guān)領域取得的突破，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%。“拿風能、太陽能資源豐富的張家口地區(qū)來說，當?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，也將顯著縮減設備投資、提升用能效率。”傅守強說。
探索建設交直流混合電網(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)鍵設備由“多種設備組合”向“單一設備集成”發(fā)展。
正是這樣的設備集成，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?，那么柔性變電站可以被看成是兼容冷水、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撲。”作為項目總負責人，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)新拓撲結(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)設計”。
一代拓撲決定一代裝置，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撲結(jié)構(gòu)?；谶@樣的拓撲結(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，落地應用還需要成套設計方案，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)學研攻關(guān)團隊通力合作，編制建設方案，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，設計出5套不同的方案，并針對每套方案提出了拓撲結(jié)構(gòu)，評估了造價，完成了初步設計。他們通過反復比較，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)類似工程的成套設計提供經(jīng)驗指導。
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，制訂標準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備——電力電子變壓器具有4個交直流端口，在錯綜復雜的配電網(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、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)示范工程為應對配電網(wǎng)電源清潔化、多元化，網(wǎng)絡電力電子化、信息化，以及用戶特性復雜化、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。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荷，正在成為柔性變電站技術(shù)的主要應用對象，“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用場景。”
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