柔性變電站：實(shí)現(xiàn)交直流相互轉(zhuǎn)化的頂尖技術(shù)

 隨著社會(huì)不斷發(fā)展，直流負(fù)荷大量出現(xiàn)在現(xiàn)代社會(huì)生活中。日常生活中的日光燈、節(jié)能燈、LED燈等照明系統(tǒng)和電視機(jī)、機(jī)頂盒、路由器等視聽(tīng)設(shè)備，以及迅速發(fā)展的電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)處理中心等，最終使用的都是直流電。
    隨著社會(huì)不斷發(fā)展，直流負(fù)荷大量出現(xiàn)在現(xiàn)代社會(huì)生活中。日常生活中的日光燈、節(jié)能燈、LED燈等照明系統(tǒng)和電視機(jī)、機(jī)頂盒、路由器等視聽(tīng)設(shè)備，以及迅速發(fā)展的電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)處理中心等，最終使用的都是直流電。目前，常規(guī)做法是采用交流電，這就離不開(kāi)交/直變換，需在每個(gè)用電終端實(shí)施一次整流變換，同時(shí)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中一些電能的損失以熱能的方式散發(fā)出來(lái)。如果采用直流供電，則可減少大量整流變壓器，相應(yīng)減少轉(zhuǎn)換中散發(fā)出的熱量，減少換氣扇、空調(diào)的資金投入。

 同樣，大量的變頻電器走入普通百姓生活中，如變頻冰箱、變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)，為了達(dá)到變頻低功耗，其內(nèi)部的實(shí)質(zhì)就是交/直/交的變換過(guò)程。如果采用直流配電網(wǎng)，則可直接實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換，減少中間環(huán)節(jié)意味著減少能量損失。

 伴隨分布式電源發(fā)電、儲(chǔ)能、電力電子等技術(shù)進(jìn)步，配電網(wǎng)中用戶側(cè)分布式可再生發(fā)電容量占比將不斷提高，分布式儲(chǔ)能、直流負(fù)荷供電需求日益顯現(xiàn)，配電網(wǎng)中潮流在電網(wǎng)與用戶、高壓配電網(wǎng)與中壓配電網(wǎng)、中壓配電網(wǎng)與低壓配電網(wǎng)之間雙向互動(dòng)的需求愈來(lái)愈多。直流配電具有功率雙向靈活可控、隔離故障、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，公用配電網(wǎng)向交直流混合供電物理形態(tài)演進(jìn)或?qū)⒊蔀槲磥?lái)配電網(wǎng)的發(fā)展方向。

 理論

 同時(shí)空轉(zhuǎn)化交直流電

 柔性變電站是電力電子技術(shù)與變電站技術(shù)的結(jié)合，以一次設(shè)備電力電子化為特征，簡(jiǎn)化變電站設(shè)備種類及數(shù)量。柔性變電站在電網(wǎng)中不僅是能量傳輸節(jié)點(diǎn)，而且還是電網(wǎng)調(diào)控節(jié)點(diǎn)與負(fù)荷調(diào)控節(jié)點(diǎn)，旨在提高電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)、增強(qiáng)潮流的精確靈活控制，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有功、無(wú)功、電壓等的平滑調(diào)控，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平和高效運(yùn)行等功能。柔性變電站應(yīng)用于配電網(wǎng)，可提高源—網(wǎng)—荷互動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)分布式電源及多元化交直流負(fù)荷的友好、有效接納及協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離，提高用戶供電電能質(zhì)量等功能。

 相比較常規(guī)變電站，柔性變電站在系統(tǒng)柔性控制、多信息流交互、提升電能質(zhì)量、快速切除故障、提高運(yùn)維效率、靈活接入環(huán)境等方面優(yōu)勢(shì)突出，而在節(jié)省建設(shè)費(fèi)用、節(jié)約用地等方面目前尚存在不足，有待于日后進(jìn)一步提升。

 柔性變電站內(nèi)電力電子變流器的應(yīng)用集成了變壓、開(kāi)斷、無(wú)功補(bǔ)償?shù)裙δ埽墒∪ピ髯兏叩蛪撼鼍€斷路器，以及站內(nèi)低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置等設(shè)備，簡(jiǎn)化了電氣主接線及電氣設(shè)備平面布置。柔性變電站基于電源與負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率情況，綜合協(xié)調(diào)電網(wǎng)、分布式電源及可控負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)潮流的多向按需分配，優(yōu)化潮流路徑，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。柔性變電站增強(qiáng)了原有變電站的管控功能，通過(guò)與出線側(cè)分布式電源、可控可調(diào)負(fù)載、上一級(jí)電網(wǎng)的信息交互，從控制與管理的角度，有效組織出線側(cè)的電力資源，保證區(qū)域范圍內(nèi)的電力供需平衡。電力電子設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)100%隔離高低壓側(cè)的諧波相關(guān)交叉?zhèn)鬟f，同時(shí)有效抑制電壓暫降，控制暫降時(shí)間，提升電網(wǎng)電壓合格率水平。普通交流斷路器開(kāi)斷時(shí)間約為十幾毫秒至幾十毫秒，電力電子變流器及固態(tài)開(kāi)關(guān)極大縮短了故障切除時(shí)間，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，保護(hù)了重要用電設(shè)備。

 柔性變電站采用模塊化設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊可在其他模塊正常工作時(shí)獨(dú)立檢修，避免了現(xiàn)有變電站設(shè)備故障時(shí)需整體停運(yùn)檢修的問(wèn)題，提高了供電能力及運(yùn)維效率。柔性變電站適應(yīng)了多種分布式電源及大規(guī)模直流負(fù)荷的發(fā)展，除普通交流出線外還為其提供了直流接口，可靈活接入電動(dòng)汽車等各類交直流負(fù)荷、分布式儲(chǔ)能及分布式電源。

 實(shí)踐

 支撐電網(wǎng)靈活穩(wěn)定運(yùn)行

 交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程是國(guó)家電網(wǎng)公司“十三五”期間打造的重點(diǎn)示范工程之一，是張家口可再生能源示范區(qū)及國(guó)家電網(wǎng)公司全球能源互聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)的重要組成部分。公司計(jì)劃建設(shè)世界首個(gè)全可控電力電子柔性變電站及具有柔性控制的交直流混合配電網(wǎng)。交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、高度可控，傳輸效率高，電能質(zhì)量好，可簡(jiǎn)化分布式電源接入方式，高效兼容分布式風(fēng)電、光伏的直流電源并網(wǎng)，支持儲(chǔ)能、直流負(fù)荷的接入。柔性變電站主要實(shí)現(xiàn)10千伏電壓等級(jí)供電，能實(shí)現(xiàn)低壓交直流混合輸出，可靈活接入分布式電源發(fā)電、分散式儲(chǔ)能裝置及交直流負(fù)載，實(shí)現(xiàn)清潔能源的高品質(zhì)消納、柔性接入和靈活調(diào)配，提高區(qū)域能源“源—網(wǎng)—荷”協(xié)調(diào)互動(dòng)水平，支撐未來(lái)電網(wǎng)運(yùn)行方式的靈活性及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 預(yù)計(jì)2018年工程建成后，將為未來(lái)配電網(wǎng)的發(fā)展起到示范作用。工程將首次實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)與云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，將首次實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高可靠性要求，負(fù)荷由直流電網(wǎng)直接供電。建設(shè)世界首個(gè)全可控電力電子柔性變電站交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程，能支撐未來(lái)配電網(wǎng)運(yùn)行方式的靈活性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。示范工程計(jì)劃建成兩端式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流配電網(wǎng)，結(jié)合柔性變電站實(shí)現(xiàn)潮流調(diào)節(jié)的能力，發(fā)揮了直流電網(wǎng)輸送距離遠(yuǎn)、輸送容量大、傳輸損耗小的優(yōu)越性能。對(duì)交直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)建，運(yùn)行控制及保護(hù)配置等給出了解決方案，探索了未來(lái)配電網(wǎng)的形態(tài)。示范工程可實(shí)現(xiàn)光伏電站直流送出，實(shí)現(xiàn)集中式光伏電站兆瓦級(jí)容量不經(jīng)過(guò)DC/AC逆變環(huán)節(jié)，直接升壓接入直流配電網(wǎng)，省去了光伏電站接入系統(tǒng)的逆變環(huán)節(jié)，是消納新能源發(fā)電、尤其是光伏發(fā)電的有益嘗試。

 柔性變電站以一次設(shè)備電力電子化為主要特征，具備中/低壓、交/直流多端接口，集潮流柔性管控、多形態(tài)能源接入、故障限流、故障隔離等多種功能。柔性變電站不再僅僅是能量傳輸節(jié)點(diǎn)，而且是電網(wǎng)潮流與狀態(tài)參數(shù)調(diào)控節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還是負(fù)荷調(diào)控節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)注入功率、線路潮流、母線電壓等變量和參數(shù)的靈活快速調(diào)節(jié)以及“源—網(wǎng)—荷”的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)短路故障快速隔離，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。隨著新能源滲透率逐漸增強(qiáng)和多元化負(fù)荷的大規(guī)模接入，高壓、高頻、大容量、低損耗SiC功率器件的逐步發(fā)展、成熟，柔性變電站的效率將得到進(jìn)一步提升、體積將大幅下降，可以實(shí)現(xiàn)柔性變電站的高效運(yùn)行和集約化建設(shè)。未來(lái)柔性變電站將在配電網(wǎng)中得到更廣泛的推廣，而且將在更高電壓等級(jí)的輸電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，有力支撐智能電網(wǎng)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。