2018年8月29日,国网杭州供电公司负责的全国首个智能柔性直流配电网示范工程在浙江杭州江东新城顺利通过试运行考验,经功能升级后正式投入运行。2018年9月3日,南网贵州电力科学研究院牵头负责的国内首个五端直流配电示范工程在贵州进入试运行。2018年12月25日,南网广东珠海供电局牵头负责的世界规模

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探究|柔性直流配电系统的春天是否已经来临?

2019-01-03 13:38 来源:北极星电力网 作者: 班国邦 谈竹奎 徐玉韬 袁旭峰

2018年8月29日,国网杭州供电公司负责的全国首个智能柔性直流配电网示范工程在浙江杭州江东新城顺利通过试运行考验,经功能升级后正式投入运行。

2018年9月3日,南网贵州电力科学研究院牵头负责的国内首个五端直流配电示范工程在贵州进入试运行。

2018年12月25日,南网广东珠海供电局牵头负责的世界规模最大的多端交直流混合柔性配网互联工程在广东珠海唐家湾成功投运。

2018年12月26日,国网冀北电力有限公司牵头负责的张北柔性变电站及交直流配电网科技示范工程完成全部试验和试运行考验,正式投入商业运行。

柔性直流配电系统的春天已经来临?

(来源:北极星电力网 作者:班国邦 谈竹奎 徐玉韬 袁旭峰 发布单位:贵州电网有限责任公司电力科学研究院 声明:本文系投稿,本文观点不代表北极星电力网观点!)

早期的交直流输配电之争

输配电系统产生时,一直存在交流和直流之争,这就不得不说一百多年前尼古拉˙特斯拉与托马斯˙爱迪生两个人互怼的故事了。

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尼古拉·特斯拉是前南斯拉夫的发明家,与爱迪生同时代,他发明了交流电,磁感强度单位就是以他命名的,直流电与交流电的斗争就从他与爱迪生之间的矛盾开始的。

托马斯·爱迪生是一个天才发明家,但就是这样一位伟大的发明家,也有“马失前蹄”的时候。爱迪生经过近十年夜以继日的研究,终于发明了适用的电灯,于1882年9月4日率先在位于华尔街的J.P摩根大楼点亮。但在发明了电灯之后,接下来的问题是如何将电从发电厂送到街区、大楼,乃至居民住宅?

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当时的电压等级很低,难于实现电压等级的变换,不可能将电输送到稍远一点的距离,这制约了电的推广应用,成为爱迪生集中精力要解决的问题。

与此同时,有一位脾气古怪的塞尔维亚发明家尼克拉˙特斯拉提出了交流输电专利。这一技术专利可以让电出厂电压升得很高,这就意味着电力可以通过输电线输送至较远距离,在用户端电压再次降下来。由于电力是一个网络系统,赢家只能有一个。

后来的故事大家都清楚了,不管爱迪生如何指责交流电的不安全,还是输掉了这场争斗。

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那直流输配电系统有没有“翻盘”的机会呢?Maybe。

1954年,从瑞典本土到果特兰岛,建立起了世界上第一条远距离高压直流输电工程。目前世界各国已有上百个现代工业化直流输电工程建成投运。南方电网区域内更是有九条直流输电工程,其中就包括滇西北至广东±800千伏特高压直流输电工程,创造“三首一最”世界第一的昆柳龙直流工程。

何为柔性直流配电?为什么需要柔性直流配电?

目前,我国已初步构建了柔性直流输电技术体系:建成了舟山±200kV、厦门±320kV、鲁西±350kV等柔性直流输电工程。但是柔性直流配电系统建设才刚刚起步。为何要建设柔性直流配电系统呢?

可以说,柔性直流配电系统正是为分布式能源的发展而来。因为分布式电源相对于大电网来说是一个不可控源,目前主网往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源。柔性直流配电由于其自身优势可广泛接入分布式能源,同时也是构建能源互联网的关键核心技术,得到各个国家的广泛关注。

传统配电网采用以供方主导、单向辐射状供电为主的刚性结构运行模式,可控性及供电可靠性差、可再生能源消纳能力低;而柔性直流配电是以电压源换流器为核心的新一代直流配电技术,具有响应速度快、可控性好、运行方式灵活等特点。

利用柔性直流配电将多回交流馈线互联,可将传统纯交流配电网转变为交直流混合的新型配电系统,使配电网从静态运行结构转变为灵活的、可主动运行的“智能”结构,提高配电系统供电可靠性,提高可再生能源消纳能力。

与交流配电相比,基于柔性直流配电的交直流混合配电系统在新能源接纳方面灵活性更强,对冲击负荷的承受能力更大,用电质量与可靠性更明显。相当于在配电网接入了电源调节泵。

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电源调节泵能够主动控制交流馈线的有功功率和无功功率,优化配电网的潮流分布、增强电网稳定性、提升电网的智能化和可控性。

全国首个智能柔性直流配电网示范工程——杭州江东新城智能柔性直流配电网工程

杭州江东新城智能柔性直流配电网工程是全国首个智能柔性直流配电网示范工程,该工程由杭州供电公司牵头研究和建设,2016年启动,旨为打造可靠性高、互动友好、经济高效的一流现代化配电网。2017年10月,智能柔性直流配电网示范项目正式开工建设,工程额定电压±10千伏,总换流容量3万千瓦。

最终于2018年8月29日在浙江杭州江东新城顺利通过试运行考验,经功能升级后正式投入运行。该工程的建成实现了配电网从传统放射型向多端互联网络转变,可在百毫秒内快速隔离系统故障并恢复正常运行,大幅提升杭州电网的安全可靠性。

杭州江东新城智能柔性直流配电网工程通过采用区域协调控制、故障快速定位及隔离保护等技术,实现多路电源同时为用户供电,确保单路电源故障情况下负荷安全经济转移。同时,该工程可采用直流供电模式,在不影响电网电能质量的情况下,为10千米外用户提供供电服务,极大优化了杭州电网的供电能力。工程还具备电动汽车充换电设施等多元化负荷、储能和分布式电源无障碍接入的条件,助推能源互联网发展。

国内首个五端柔性直流配电示范工程——贵州城市配电网柔性互联工程

贵州城市配电网柔性互联工程是国内首个五端柔性直流配电示范工程。该工程创造了五个第一:国内第一个五端柔性直流配电示范工程、国内外高校第一个柔性互联配电网产学研示范工程兼科研试验平台、国内第一个实现对示范工程完全逻辑镜像的仿真平台、国内第一个应用于实际工程的混合式拓扑结构MMC成套装置、南网范围内第一个正式投运的柔性直流配电工程。

该工程于由贵州电网有限责任公司电力科学研究院牵头研究和建设,2015年立项,2016年启动,2017年12月完成设备试制并开工建设,2018年9月3日进入试运行,9月30日正式投入运行,11月14日完成工程验收。

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项目组解决的4项关键技术

该工程建立了网源荷储综合优化管理主站,开展了馈线功率互济、配电网最优潮流、削峰填谷、非计划不停电转供等柔性互联配电网运行试验。率先实现了含五端直流配电中心的柔性互联交流配电网闭环运行、故障自愈控制、能量优化管理的技术突破。

成功研制全半桥混合式模块化多电平换流器,攻克了直流配电领域最严重的双金属性直流短路故障的抑制难题,并在国内直流配电领域首次开展了工程化应用;成功研制模块化、高效率直流变压器,用于实现直流微电网与直流配电中心的柔性互联,为高变比直流系统互联的直流变压器推广应用奠定了工程应用基础;研发了国内首套接入直流微电网的120kW DC/DC、模块化直流充电桩,扩展了电动汽车充电技术的应用范围。

采取开放式的设计理念,MMC换流器、DAB直流变压器、分布式接入设备、以及EMS系统均具备开放式二次接口,建立了国内首个开放式的、基于直流配电中心的智能配电网产学研协同创新平台。

以产学研形式,与贵州大学联合研发了智能配电网半实物仿真平台,可实现任意规模柔性互联交直流配电网的模拟,为今后交直流混合配电网的规划、可行性研究、工程设计等提供统一、开放式的计算分析平台。

首个基于柔性变电站的交直流配电网工程——张北柔性变电站及交直流配电网科技示范工程

2018年12月26日,张北柔性变电站及交直流配电网科技示范工程完成全部试验和试运行考验,国家电网基于柔性变电站的交直流配电网正式投入商业运行。该工程由国网冀北电力有限公司协同全球能源互联网研究院等单位于2016年启动,立足于探索为了配电网发展形态、服务于张家口可再生能源示范区建设,着眼于高端产业的高品质电力需求而研究建设的。

示范工程原创性地提出了融多种功能于一体的柔性变电站概念,赋予了变电站全新的功能形态,推动了变电站关键设备由“多种设备组合”向“单一设备集成”方向发展。首创的电力电子变压器取得5大技术突破,实现了多端口一体化变压变换、直流故障隔离等4大功能,较现有技术能量密度提升200%;首创的基于柔性变电站的交直流配电网理念,将数据中心和光伏发电连接,首次实现了智能电网与云计算产业的深度结合,勾勒了未来电网发展的新形态。

示范工程攻克了成套设计、“源—网—荷”控制保护等技术难题,实现了功率潮流的灵活调控、故障限流与自愈,打造了灵活开放的平台,实现了发电、电网、用户的共赢。柔性变电站装备可实现多种能源、多元负荷和储能的即插即用,丰富了用户的自主选择权。引入的2.5兆瓦光伏发电,满足了用户绿色用能需求。更智能的配电网,保障了数据中心高可靠供电,让光伏发电既能优先在数据中心就地消纳,又能上网保障全额消纳。更高效的电力系统,降低数据中心能耗约10%~20%、设备投资约1%,提高光伏系统效率约2%,为贫困的德胜村每年新增约7万元收入。

世界规模最大的多端交直流混合柔性配电网互联工程——珠海唐家湾多端交直流混合柔性配网互联工程

为积极探索能源互联网建设新方向,南方电网广东电网公司于2017年初开始筹建,在珠海唐家湾落地建设“支持能源消费革命的城市-园区双级‘互联网+’智慧能源示范项目”。该项目是南方电网推进国家能源局首批“互联网+”智慧能源示范项目建设的重要里程碑,成功引导了一系列标志性、带动性强的重点产品和装备推广应用,形成了柔性直流配电网系统技术标准规范。

2018年12月25日16时,该项目的主体——唐家湾多端交直流混合柔性配网互联工程在广东珠海唐家湾成功投运。

唐家湾多端交直流混合柔性配网互联工程由三个柔性直流换流站、一个直流微电网构成,各换流站之间采用地下电缆相连接。工程为国际首个±10kV、±375V、±110V多电压等级交直流混合配网示范工程,也是世界最大容量的±10kV配网柔直换流站。

该工程通过采用世界最大容量±10kV等级中压柔直换流阀、首创应用三端口直流断路器、世界最大容量±10kV直流变压器,既能调节潮流,又能调节电压,实现了对电网内各个节点的电压水平进行实时的调控。

珠海唐家湾多端交直流混合柔性配网互联工程实现了供电区域互联互济,提高了配网灵活性与可控性,促进分布式可再生能源的友好接入,提升电网资源使用效率和电能质量。

接下来,南方电网广东珠海供电局还将通过搭建智慧能源大数据平台作为信息层和应用层主体框架,与广东电网已建成的大数据平台进行数据上的交互,并且为综合能源服务、多协同运营、需求响应等高级应用进行总体的支撑,涵盖行业信息、市场动态信息、以及电网传统业务上、环境空间数据等各方面数据的获取,最终实现大数据的整体应用。

( 来源: 北极星电力网 作者: 班国邦 谈竹奎 徐玉韬 袁旭峰 )
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