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邱宇峰:柔性交直流输电和储能是“双高”电网发展必须的技术支撑

北极星输配电网  来源:北极星电力网    2020/8/13 23:46:49  我要投稿  

北极星输配电网讯:现在电网面临的主要问题、发展方向和挑战就是“双高”电网,“双高”即高比例清洁能源、高比例电力电子装置。这需要两大技术作为支撑,一个是柔性交直流输电技术,这缘于各种分布式的能源接入电网也需要电网具备更好的友好性、灵活性;另一个是储能技术,没有储能技术,我们没有办法大规模的利用清洁能源。

——国家电网全球能源互联网研究院原院长 邱宇峰

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为促进能源互联、电力新基建相关产业更好更快向前发展,北极星电力网、北极星电力学院于8月13日-14日,在北京举办“中国电力新基建及能源互联网论坛”,北极星电力网、北极星电力APP对会议进行全程直播。

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国家电网全球能源互联网研究院原院长 邱宇峰作《支撑电力新基建的柔性交直流输电和储能技术电网》主题演讲。

以下为发言实录:

非常荣幸有机会受主办方北极星的邀请,来跟大家交流一下我们在柔性交直流输电和储能系统方面的一些认识和体会。

电网当前的主要问题、发展方向和挑战是“双高”电网

我今天给大家报告的内容主要有这么五个方面,首先想说一下技术发展的背景。

现在我们电网主要的问题和发展方向就是“双高”电网,双高”电网?就是高比例清洁能源、高比例电力电子装置。为什么是“双高”电网?它的背景就是能源革命这个大背景。为什么需要能源革命?大的背景还是化石能源的短缺,气候变化、环境污染,所以必须要求能源要进行一场革命。这场能源革命它的主要特征是什么呢?就是“双高”。

越来越多的清洁能源会成为电网动力来源的主要部分,我列举一些数字,2019年,清洁能源发电装机占比是40%,预计到2030年希望这个比例要倒过来,现在是四六,然后变成倒的六四。大家都知道清洁能源的特点是间歇性、波动性和相当的不稳定、不确定性,清洁能源要想接入电网,我们要想把清洁能源发电用好,就需要两个大的技术来做支撑。

一个是柔性交直流输电技术,它解决了清洁能源并网的问题。清洁能源的消纳、吸收、利用,各种分布式的能源接入电网也需要电网具备更好的友好性,清洁能源能够即插查即用,同时要有更好的潮流调节控制和变换的能力。我们要具备更好、更灵活的电源供应的能力,比如用户需要直流,可以直接给你直流。你需要的是什么样的交流,直接给你什么交流。未来接入的不像现在就是一般的交流电站只接交流,以后柔性变电站,就是靠柔性交直流技术。

另一个是储能技术,清洁能源的消纳、吸收、利用好,储能技术也是必须的,没有储能技术,我们没有办法大规模的利用清洁能源。

今天讲的是灵活交直流输电,也叫柔性交直流输电FACTS,最早提出这个概念的是美国电科院的Hingorani博士,通过在电力系统中装电力电子装置,增强对电压功角和阻抗的调节控制能力。直流不管是柔性直流也好,常规直流也好,以及FACTS技术,根本上就是电力电子技术,它的发展历程是随着功率半导体器件的发展而逐步发展和演进的。

我们很熟悉最早一代所谓常规直流,就是采用基于晶闸管的LCC换流器的直流,基本是50Hz、60Hz。目前大量的主流器件形式已从半控器件转全控器件,如IGBT、GTO。

再下一步,会从器件的材料上做根本的一些转变,目前正在发展的是碳化硅器件。这些器件的发展就会对装置拓扑带结构来巨大的影响,有半控器件,才有LCC。到了有全控器件,才有了今天所谓VSC的换流器,才有了像STATCOM,以及MMC的柔性直流,这是当前这一代技术的主流。

再往下一代发展,开关频率会进一步提高,发展成碳化硅器件,这个时候功率密度会进一步加大,电压会进一步的提升,从现在千伏级的器件提升到万伏级的器件,到那时候又会有很多新型的拓扑,所以我们常说包括直流技术和FACTS在内的电力电子技术发展规律是一代器件决定一代拓扑从而决定一代应用。

柔性直流最大的优点是有功无功的调节更加灵活迅速

第二部分我们看看柔性交直流输电技术两个主要的部分,一个是柔直,这个名字是我们这个团队在电科院时取的,我们当时取的英文名字是HVDC Flexible,翻译成中文是柔性直流,HVDC Flexible和柔性直流是我们电科院时注册的商标,现在大家都用了,我们也很高兴。

柔直的工作原理,通过有功无功传输方程就能看出,只要我们控制换流器的电压UC以及它与系统电压之间的夹角δ,就能够控制换流器输出有功无功像无转动惯量的发动机一样,在四个象限运行,所以非常灵活,既可以发有功,可以发无功,四个象限毫秒级的调整工作状态,这是以往我们任何传统的电动机发动机所不可能做到的。

为什么它叫柔性或者叫灵活直流?就体现在这儿。他有什么好处呢?最大的优点就是有功无功的调节更加灵活迅速,常规直流是不能发无功的,柔性直流既可以发有功,可以发无功。

另外一个特别重要的方面,柔直相对于常规直流,没有换相失败问题。从原理上就不存在换相失败。常规直流多了之后,给电网带来的换相失败威胁是目前电网运行最头疼的一件事情,希望能采用柔性直流技术替换掉常规直流,彻底解决换相失败问题。柔直没有常规直流所需滤波及无功补偿设备。

还有一大优点是易于构建直流电网。传统直流想了很多办法,想组成直流电网,结果都不可能。倒一个功率方向,得导极性,要构成网,功率方向不能随时控制,电网怎么运行?柔直就没有这样的问题,它的功率方向都是瞬间就变过来。

柔直主要的应用场景,对海上风电新能源的并网,是首选。还有解决换相失败,以及城市孤岛,特别是一些城市当中,比如我们的走廊很拥堵,我们希望在有限的走廊和空间上能够输送更大的容量,怎么办?就得靠柔直。

我们快速浏览一下国内主要的柔直工程,一个是南汇风电场接入上海电网主网,然后是舟山和南奥多端,然后是厦门柔直,是当时达到了全球电压等级最高,容量最大的。再就是渝鄂柔直联网工程。

这个工程很重要,就是张北四端直流电网工程,这是全世界第一个直流电网工程。可以说全世界搞电力电子,搞直流输电,特别是欧洲的专家们梦想了十多年都没有实现,我们在这上面尽管花了很多钱,但是我们是第一次在高端电力电子技术方面做到全球引领,引领全球。张北是±500千伏,不管从电压等级到输送能量,到它所发挥的作用,都是目前全世界最高水平,非常有特点。张北有有风电、光伏、储能,张北四端直流电网工程把张北的清洁能源送到奥运会场所,送到北京,举办冬奥会,也是对它的一个促进。

灵活交流输电技术所有的控制都是围绕功率传输方程来开展的

讲完柔直,我们看看柔交,即灵活交流输电技术FACTS。它所有的控制实际上都是围绕着功率传输方程来开展的,送受端电压 U1U2,系统连接阻抗X,功角δ,不管控制哪一个,提高U2也好,提高U1也好,或者降X,或者改变δ,都可以灵活的改变有功功率的输送。FACTA用的比较多的SVC,还有静态无功补偿STATCOM,其实它俩的作用基本是一样的,只不过一个用半控器件,一个用全控器件。还有单纯改变阻抗的,串联性的,像TCSC,SSSC二者功能基本相当,一个是用半控器件,一个是用全控器件。

再有就是更综合性的FACTS,国网也是在全球用到了最高电压水平,叫统一潮流控制器UPFC。UPFC既控制电压,又可以控制阻抗,还可控制功角,三个可控变量同时控制就可以控制潮流,电网现在越建越密之后,出现很多线路建了,但是没有潮流,电网潮流是按照网络拓扑结构自然分布的,就像田里的水的流动一样。并联型无功补偿设备,比如SVC是用晶闸管对电容、电抗等无源无功补偿装置进行投切和调节控制实现动态无功补偿,STATCOM调节VSC输出电压幅值控制输出无功功率大小和方向实现动态无功补偿,响应速度快。SVG是无功发生器,无功发生器再跟储能结合,既可以发无功,也可以发有功。UPFC相当于并联加串联,协调起来统一控制。

目前柔性交直流输电技术普及受制于器件发展

看看柔性交直流输电技术将来往什么方向发展。因为它是基于器件,而器件决定了应用,所以我们现在很大程度上之所以还不能大量的普及柔性直流,因为受制于器件,目前器件的电流只能达到3000安,要替代掉800万的柔直常规直流,还做不到。必须提升到5000安,器件电压也需要提高,使柔直体积降下来,还有降低子模块电流的容值,这是未来需要考虑的。

还有就是采用一些新的拓扑,比如可以输出三电平的拓扑。器件的水平会不断提升,向更高电压、定制化方向发展。碳化硅器件有更高的耐压,更高的功率密度,体积也很小,做出来的装置损耗小,能量密度高,体积小,体积小非常重要,现在柔直太大了,如果大家去看过,就会知道太大了,所以得想办法降低体积,最重要的还得靠器件提升。因为碳化硅的器件可以做到万伏级,这样体积就会缩小到原来的五分之一、四分之一。

另一个趋势是储能与电力电子设备相结合,这样能发有功,电网形态从传统的电网未来变成柔性电网,从铁疙瘩为主变成半导体化。

氢储能是未来应用于电网中非常重要的一个储能技术方向

简要介绍一下我们储能现在在电网中的一些技术,主要包括机械储能,还有超导储能,化学储能,各种电池,还有氢储能也是非常重要的一个方向。在氢储能基础上发生了合成燃料,把电解水制氢之后,用氢可以变成甲烷,冷热的储能技术。

最后这一部分主要是各种电化学储能的优点和缺点以及发展趋势,没有时间一一细讲了。

总之不管是柔性交流输电还是柔性直流输电,以及储能技术,都是面向未来能源革命,面向能源互联网也好还是智能电网也好,这都是必须的技术,能够支撑未来电网的发展。我就报告这些。谢谢!

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