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防冰减灾技术及其装备在新型电力系统中的拓展应用

北极星输配电网  来源:南方电网报  作者:曾华荣  2021/10/19 13:23:19  我要投稿  

北极星输配电网讯:贵州省地处云贵高原,冬季从北方来的冷空气与从南方爬升的暖湿气流在此交汇,形成特殊的“准静止锋”,加之气温常在零摄氏度以下徘徊,独特的地理和气候环境极易造成冰雪凝冻灾害。据贵州省气象局的统计,从1961年至今,贵州省共有119次省级冰冻过程,出现次数之多、持续时间之长、危害程度之高均位居全国首位。2008年初,贵州电力系统遭受了最严重的冰冻灾害,给贵州电力系统造成巨大损失,对社会民生带来巨大影响。

2008年冰灾后,贵州电网公司在南方电网公司的统一协调指挥下,投入巨额科研资金,研发了一系列直流融冰装置以应对电网冰灾,并大规模推广应用。从第一代以晶闸管为器件的直流融冰装置、第二代带SVC功能的直流融冰装置,逐步发展到第三代以IGBT为器件的新型柔性直流融冰装置。至今共有61套各种直流融冰装置在贵州电力系统中应用,其中第三代新型柔性直流融冰装置4套。这些防冰技术装备极大地减轻了贵州电力系统的冰灾损失,但在较长的时间范围内,全球气候变暖的趋势还不会发生根本转变,极端气候条件出现的概率还在增大,冰雪凝冻灾害还将是贵州电力系统长期面临的严峻挑战。

高比例新能源接入是贵州电力系统面临的新问题

贵州电力系统火电为主力、水火共济的电网面临高比例新能源接入的问题。根据《贵州省电力发展“十四五”规划》,至2025年,全省装机容量风电900万千瓦、光伏3100万千瓦、生物质发电85万千瓦,新能源总装机容量达到4085万千瓦,占比超过40%;预计2030年,全省风电装机容量1300万千瓦、光伏4700万千瓦、生物质发电285万千瓦、抽水蓄能270万千瓦,新能源装机占比接近60%。

随着风、光、生物质等新能源发电装机容量呈爆炸性增长,必将给电网的稳定运行带来诸多严峻挑战。首先,风光等新能源发电装机不同于传统的同步发电机组,其稳态特性和暂态特性均与传统水火机组大不一样,其大规模接入将对电网的频率稳定、电压稳定和暂态稳定带来极其深远的影响。光伏发电依靠太阳能,完全没有转动惯量,无法向系统提供阻尼。变速恒频风电机组采用电力电子装置上网,使得电磁功率与机械功率解耦,无法向电网提供转动惯量,对电网的频率稳定也产生不利影响。其次,风力和光伏发电的出力均不稳定,受气象环境条件的限制较大,尽管风光出力预测已越来越准确,但在以新能源为主体的新型电力系统中,电网调峰和新能源消纳依然面临巨大挑战。最后,变速风电机组在连续运行和切换过程中,会产生电压波动和闪变,带来高次谐波,还会产生电力系统的电压稳定问题。

柔性直流融冰装置的功能复用技术探索

为解决风、光等新能源大规模接入带来的频率稳定、电压稳定和暂态稳定问题,利用柔性直流输配电技术,建立新型“源、网、荷、储”互联互补电力网络,以提升高比例新能源送端局部电网的频率稳定、电压稳定和谐波抑制能力,变得势在必行。结合贵州电网新能源富集的西部地区同时也是电力系统的重冰区的特点,可以优先在贵州毕节、六盘水等新能源富集地区建设大容量柔性直流融冰装置的同时,试点建设集中式储能电站,包括网侧储能调节和新能源柔性接入“一体多用”,做到抵御冰灾与应对新能源大规模接入的“一箭双雕”。

第三代新型柔性直流融冰装置采用基于全桥型MMC的拓扑结构,与STATCOM装置结构完全一致,仅是应用场景不同。在贵州电网现有建设的柔性直流融冰装置中,已实现直流融冰与动态无功补偿的功能复用。随着贵州电网西部地区新能源接入比例的日趋提高,迫切需要解决间歇性电源的调节问题和“双高”电力系统的稳定问题。在现有柔性直流融冰技术的基础上延展其功能,研发更新一代的兼具直流融冰功能与功率变换功能的通用能量路由装置。该装置在前述直流融冰和无功补偿功能复用的基础上,在直流侧引入大容量储能装置,利用电力电子暂态响应速度快(通常可以达到10毫秒以内)的特点,大型储能站系统可以在电网故障时,快速向系统注入有功功率,从而提高系统的频率稳定性。同时,大型集中式变电站储能系统还有利于新能源的消峰填谷,降低新能源弃风弃光的概率。

积极攻关关键技术 拓展防冰装备应用场景

贵州电网对直流融冰装置兼具网侧储能的技术路线进行了详细的调研和分析。由于输电线路直流融冰的硬性要求,柔性直流融冰装置的容量通常都比较大,十分有利于功能复用的大容量储能站建设。但为了实现输电长线路的融冰,柔性直流融冰装置的直流输出电压较高,通常大于±10千伏。为此,利用柔性直流融冰装置的直流母线作为共用母线,需要解决电化学储能系统与电网之间的直流电压匹配问题,以及解决蓄电池组接入中压直流母线(±10千伏、±20千伏)的问题。一条可行的技术路线是将蓄电池组经DC/DC升压制成功能子模块,再将多个功能子模块采用级联模式串联接入中压直流母线,每一个串联支路可以模块化设计、模块化制造。更多模块化支路并联,汇聚于同一条中压直流母线,可以形成大型储能站系统。目前国内尚未有成熟样机,贵州电网由于具备柔性直流融冰装置应用场景这一先天优势,很可能实现这一新技术的研究突破和示范应用。

贵州省电力系统新能源富集的地区同时也是电力系统的重冰区,使得防冰需求与新能源大规模接入的需求高度重合。因而,在贵州省新型电力系统建设过程中,做好前期规划,统筹建设需求,可将为新能源大规模接入而新建的变电站,打造成兼具直流融冰功能与功率变换功能的通用能量路由节点,实现网源荷储的协同,在提升新能源消纳能力的同时,提升电网应对极端天气的韧性。另外,针对贵州电网已部署的几十套融冰装置,可考虑在未来由于老化而改造和更新时,从规划设计上统筹考虑,保障替代装置在直流融冰和功率变换上的功能复用。为此,贵州电网应利用南网防冰减灾联合实验室平台,采用产学研协同创新模式,部署相关项目研究,攻关关键技术和关键装备,并进行示范应用,为构建具有贵州特色的以新能源为主体的新型电力系统打好基础。

(作者曾华荣 为贵州电网公司电力科学研究院技术总监)


原标题:防冰减灾技术及其装备在新型电力系统中的拓展应用

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