隨著能源轉型不斷推進，作為緊密連接電網側和用戶側的配電網，將在形態(tài)、功能、結構、運行模式等方面發(fā)生巨大轉變。交直流、多等級、多元用戶、靈活可靠、即插即用……配電網正展現出越來越多的新特點。發(fā)展新一代變電站技術，支撐未來配電網建設，已成為配電技術領域的研究熱點和競爭焦點。
今年1月，“柔性變電站關鍵技術、核心裝備及工程應用”在國家電網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年度公司科學技術進步獎一等獎。自2013年起，國網冀北電力有限公司、全球能源互聯網研究院有限公司等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樞紐作為奮斗目標，歷經數年技術攻關，實現了柔性變電站技術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-荷融合發(fā)展
8年前，當“柔性變電站關鍵技術、核心裝備及工程應用”項目團隊著手開展相關技術研究時，電力行業(yè)對于交直流混合配電網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“無人區(qū)”。
8年后的2021年，當“柔性變電站關鍵技術、核心裝備及工程應用”獲得2020年度公司科學技術進步獎一等獎后，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領域取得的突破，讓人們清晰看到了未來配電網的模樣。
近年來，在能源轉型大背景下，能源發(fā)展日益傾向清潔、低碳、電氣化，配電網逐步向有源系統(tǒng)演變，電源和負荷的波動性和間歇性都在不斷加大。這對配電網變電站電壓和潮流調節(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為例，截至2020年年底，冀北電網風電、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，當地新能源消納一方面需要依靠主網外送，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。”項目團隊成員、冀北電力經濟技術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，需要進行直流、交流轉換，其效率必然不如直接接入直流配電網。
“新技術的研發(fā)需求，同樣源于電網側和用戶側。”傅守強解釋，從電網側來說，近年來，隨著城市現代化進程的加快，城市電纜化率逐漸提升，對電能質量、功率密度以及走廊利用效率等要求更高。在用戶側，新能源汽車、數據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，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)展電能質量更高、輸出容量更大、占地面積更小的直流配電網，成為一種有效的技術解決途徑。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，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-荷融合發(fā)展。
攻克技術難關 讓電能配置更加靈活可控
“柔性變電站是以電力電子技術為核心，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、全球能源互聯網研究院電力電子研究所主任工程師劉海軍介紹，柔性變電站能夠對不同形式的電壓和電流進行高效變換，并以靈活可控、即插即用方式接受和分配電能。
“‘柔性’主要體現在變電站的靈活調節(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。”柔性變電站的一大創(chuàng)新，在于推動了變電站關鍵設備由“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日常生活中使用的冷水和熱水，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)交直流電網互聯和直流并網的新型換流器主電路拓撲。”作為項目總負責人，全球能源互聯網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)新拓撲結構，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，關鍵得看結構設計”。
一代拓撲決定一代裝置，一代裝置決定一代系統(tǒng)。經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構?；谶@樣的拓撲結構，換流器具備了高低壓、交直流4個對外端口，實現了端口間功率、潮流的靈活控制。“得益于結構的創(chuàng)新，換流器器件數量隨之減少，功率密度提升70%左右。”鄧占鋒說。
技術攻關取得突破，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示范工程。國網冀北電力高度重視，組織產學研攻關團隊通力合作，編制建設方案，開展技術攻關。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構，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系統(tǒng)集成和工程應用技術，還在研究過程中提煉出工作內容、理論方法，為后續(xù)類似工程的成套設計提供經驗指導。
在團隊成員持續(xù)的聯合攻關下，項目團隊共獲授權專利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。
夢想照進現實 交直流混合配電網發(fā)展前景廣闊
2018年8月2日，研究團隊數年的努力和付出終于結出碩果。在這一天，世界首個柔性變電站及交直流配電網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。“直流電對于數據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。這無疑是一種更加靈活高效的電能分配方式。”劉海軍介紹。
作為集技術創(chuàng)新、新興產業(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示范工程為應對配電網電源清潔化、多元化，網絡電力電子化、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可以在減少轉換過程、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示范變電站1座、“發(fā)充儲放”一體充電站1座。微電網網架可實現配電網、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。作為微電網的核心裝置，基于柔性變電站技術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100%清潔能源供電。
“交直流混合配電網是電網未來發(fā)展的重要方向，我們對柔性變電站技術的應用充滿信心。”傅守強說，目前，諸如數據中心一類的新興直流負荷，正在成為柔性變電站技術的主要應用對象，“未來，隨著技術的逐步成熟，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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