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新型电力系统 变电站须采用更先进电力电子技术

  • 2022-08-01

  实现碳达峰、碳中和,能源是主战场,电力是主力军,作为“龙头带动作用”的央企--南方电网率先发布了《南方电网公司建设新型电力系统行动方案(2021-2030年)白皮书》(以下简称白皮书),白皮书提出了八大重点举措推动公司建设新型电力系统工作落实落地,支撑南方五省区及港澳地区碳达峰、碳中和目标实现。

  根据白皮书总体目标,公司将在“十四五”和“十五五”期间分别新增1亿千瓦风光新能源装机:实现从目前0.5亿千瓦增加到2023年2.5亿千瓦,推动新能源成为第一大电源。由于新能源本身具有间歇性、随机性、波动性的特征且在大规模并网接入条件下,变电站作为连接电源和负荷的能量枢纽,也同样面临由传统“源随荷动”运行模式向“源网荷储”转型。因此,新型电力系统变电站也必须采用先进的电力电子技术,对电能的传输、存储和保护进行高效控制,进而保障电力清洁能源安全供应。以IGBT等为代表的全控型电力电子器件构成的柔性电力电子技术以其灵活、可控、高效的特性将在构建新型电力系统的变电站中发挥重要作用。

  新型电力系统的显著特征是新能源在电源结构中占据主要地位,而未来新能源大规模开发的重点主要集中在西部、北部地区,且新能源本身出力的不确定性和波动性的特征,使得大规模的接入交流电网出现电压和频率稳定难以控制,潮流转移困难,通道利用率低下等问题。

  为确保未来新型电力系统安全稳定,南方电网也在白皮书中明确提出了建设“合理分区、柔性互联、安全可控、开放互济”坚强可靠主网架。基于柔性电力电子技术构建的柔性直流输电以其有功、无功独立可控,运行方式灵活的特征,在送、受两端均可与弱电网、无源电网以及异步电网联系,支撑新能源的大规模友好并网。

  此外,通过发挥柔性直流电力电子技术良好的扩展性,在送受两端接入抽水蓄能电源、电化学储能电源等进一步增强区域互联电网灵活的能量交互,提升新能源利用效率。

  电力电子技术为未来城市电网分区变电站柔性互联提供了可能。近几十年来,随着我国经济的高速增长,城市电网的建设步伐也不断加快并取得了较好的发展。然而城市电网由于受环境和资源双重限制多为受端电网,在运方式上采用分区运行来解决电网短路电流过大和电磁环网事故隐患,但是城市电网分区运行也存在区域供电能力不足、无法有效均衡负载、区域可靠性下降等局限,采用柔性电力电子装置则为实现城市电网分区变电站柔性互联,提高城市供电安全性可靠性提供了可能,其具体表现在:

  ①实现了潮流方向、大小可控。突破了传统变电站被动控制的技术瓶颈,构建具备主动控制能力的变电站,达到实时均衡区域变电站内主变或线路的负载率、提升设备的利用效率,缓解当前普遍存在的变电站主变及线路的重过载问题。

  ②解决了高低压电磁环网问题。利用柔性电力电子装备的连续调节能力,实时补偿主变高压或低压母线分段开关闭合时形成的电磁合环电流,实现变电不同参数变压器并列闭环运行。

  ③实现变电站的无功电压连续调节,支撑了负荷中心无功需求,平抑新能源并网造成的电压波动,故障时提供动态无功和阻尼控制,避免电网失稳。

  ④缓解大规模公用充电站建设过程中线路走廊矛盾,利用柔性互联变电站的直流母线,一方面易于构建多电源联合供电的集中式大规模充电站建设的技术方案,满足日益增长的新能源汽车的充换需求;另一方面也可利用其裕量储能换电设备,构建基于V2G(Vehicle-to-grid,车辆到电网)的储能电站,支撑城市电网的削峰填谷、需求侧响应等技术的实现。

  风电、光伏电源渗透率随着新型电力系统构建呈现的高渗透率,不仅要求大区变电站提升柔性互联能力实现外送消纳,也需要增强新能源发电就地消纳能力,进而从时间尺度上改善源-荷匹配能力。这也意味着传统变电站要从原来的单一电能分配角色转变为集电能收集、传输、存储与分配为一体的新型变电站,而基于柔性电力电子技术则为新能源的接入新型变电站的就地消纳提供了基础:

  ①支撑基于主变负载柔性调控的间歇性新能源就地消纳。通过采用基于“背靠背”的柔性电力电子开关,可以实现变电站各个主变之间的负载率柔性调控,避免变电站主变分列运行间歇性新能源消纳受限,降低网络损耗和电压波动,增强变电站就地消纳新能源能力,有效提升新能源利用效率。

  ②支撑变电站配电网层面潮流主动控制,提高分布式能源消纳能力。通过采用全控型电力电子装置的柔性电力电子开关的主动控制能力,可以实现变电站多回电网进线之间的潮流再分配和线路潮流的灵活调节,解决偏远地区弱交流系统新能源消纳潮流阻塞问题,使得新能源“线”消纳转变为多进线构成的“网”消纳,更好地满足用户对电能质量和供电可靠性的要求。

  ③支撑新能源富集区域网侧储能技术的应用,缓解所在供电区域接入集中式或分布式新能源的间歇性、波动性和随机性,实现区域电网的网源储协同自治优化和交流电压连续控制,支撑新型电力系统的二次调频和无功电压自动调节。

  近年来随着极端气候事件频发、并伴有强度大、持续时间长等特征,给现代大电网安全稳定运行带来了巨大威胁,特别叠加以风光为主的新能源电源面临极端天气本身脆弱属性,未来电网将面临更为严峻的安全挑战。例如2021年初美国最大新能源生产和消费地-德州,由于受极端严寒气候影响造成超550万用户停电。而在太平洋对岸的中国,今年初南方电网地区也遭受了5轮大规模寒潮侵袭,城市依旧万家灯火通明,岁月一片静好!我国电网在面临极端凝冻灾害如此坚强的重要原因就是得益于基于电力电子技术的直流融冰装置的大规模应用。

  未来随着以新能源为主体的新型电力系统发展以及电力电子技术进步,以柔性电力电子技术的新型电力装备必将大规模取代现有的半控型技术的融冰装置,发挥更大的作用:一方面基于柔性电力电子装备发挥直流融冰功能,保障输电线路走廊的安全;另一方面基于柔性电力电子装备在变电站平时可作链式储能接口,一旦遇到极端天气立即转变为应急电源供电模式,支撑极端天气下电网可靠供电。

  新型电力系统作为未来电网发展新形态,势必引导现有传统单一功能变电站朝着集多功能于一体的综合变电站发展,需要柔性电力电子技术也将发挥越来越为重要的作用。因此,未来进一步加强基于柔性电力电子装备的柔性互联技术、新能源就地消纳技术以及极端天气下应急支撑技术研究和开发,加快关键技术从理论研究到实际工程应用的落地推广,进一步推动柔性电力电子技术在新型电力系统中发展发挥更大的支撑作用。

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