新型電力系統(tǒng) 變電站須采用更先進(jìn)電力電子技術(shù)
實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍，作為“龍頭帶動作用”的央企--南方電網(wǎng)率先發(fā)布了《南方電網(wǎng)公司建設(shè)新型電力系統(tǒng)行動方案（2021-2030年）白皮書》（以下簡稱白皮書），白皮書提出了八大重點舉措推動公司建設(shè)新型電力系統(tǒng)工作落實落地，支撐南方五省區(qū)及港澳地區(qū)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實現(xiàn)。
根據(jù)白皮書總體目標(biāo)，公司將在“十四五”和“十五五”期間分別新增1億千瓦風(fēng)光新能源裝機(jī)：實現(xiàn)從目前0.5億千瓦增加到2023年2.5億千瓦，推動新能源成為第一大電源。由于新能源本身具有間歇性、隨機(jī)性、波動性的特征且在大規(guī)模并網(wǎng)接入條件下，變電站作為連接電源和負(fù)荷的能量樞紐，也同樣面臨由傳統(tǒng)“源隨荷動”運(yùn)行模式向“源網(wǎng)荷儲”轉(zhuǎn)型。因此，新型電力系統(tǒng)變電站也必須采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)，對電能的傳輸、存儲和保護(hù)進(jìn)行高效控制，進(jìn)而保障電力清潔能源安全供應(yīng)。以IGBT等為代表的全控型電力電子器件構(gòu)成的柔性電力電子技術(shù)以其靈活、可控、高效的特性將在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的變電站中發(fā)揮重要作用。
01
柔性電力電子技術(shù)
為新能源友好接入和變電站柔性互聯(lián)提供了解決方案
新型電力系統(tǒng)的顯著特征是新能源在電源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主要地位，而未來新能源大規(guī)模開發(fā)的重點主要集中在西部、北部地區(qū)，且新能源本身出力的不確定性和波動性的特征，使得大規(guī)模的接入交流電網(wǎng)出現(xiàn)電壓和頻率穩(wěn)定難以控制，潮流轉(zhuǎn)移困難，通道利用率低下等問題。
為確保未來新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定，南方電網(wǎng)也在白皮書中明確提出了建設(shè)“合理分區(qū)、柔性互聯(lián)、安全可控、開放互濟(jì)”堅強(qiáng)可靠主網(wǎng)架。基于柔性電力電子技術(shù)構(gòu)建的柔性直流輸電以其有功、無功獨(dú)立可控，運(yùn)行方式靈活的特征，在送、受兩端均可與弱電網(wǎng)、無源電網(wǎng)以及異步電網(wǎng)聯(lián)系，支撐新能源的大規(guī)模友好并網(wǎng)。
此外，通過發(fā)揮柔性直流電力電子技術(shù)良好的擴(kuò)展性，在送受兩端接入抽水蓄能電源、電化學(xué)儲能電源等進(jìn)一步增強(qiáng)區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)靈活的能量交互，提升新能源利用效率。
電力電子技術(shù)為未來城市電網(wǎng)分區(qū)變電站柔性互聯(lián)提供了可能。近幾十年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速增長，城市電網(wǎng)的建設(shè)步伐也不斷加快并取得了較好的發(fā)展。然而城市電網(wǎng)由于受環(huán)境和資源雙重限制多為受端電網(wǎng)，在運(yùn)方式上采用分區(qū)運(yùn)行來解決電網(wǎng)短路電流過大和電磁環(huán)網(wǎng)事故隱患，但是城市電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行也存在區(qū)域供電能力不足、無法有效均衡負(fù)載、區(qū)域可靠性下降等局限，采用柔性電力電子裝置則為實現(xiàn)城市電網(wǎng)分區(qū)變電站柔性互聯(lián)，提高城市供電安全性可靠性提供了可能，其具體表現(xiàn)在：
①實現(xiàn)了潮流方向、大小可控。突破了傳統(tǒng)變電站被動控制的技術(shù)瓶頸，構(gòu)建具備主動控制能力的變電站，達(dá)到實時均衡區(qū)域變電站內(nèi)主變或線路的負(fù)載率、提升設(shè)備的利用效率，緩解當(dāng)前普遍存在的變電站主變及線路的重過載問題。
②解決了高低壓電磁環(huán)網(wǎng)問題。利用柔性電力電子裝備的連續(xù)調(diào)節(jié)能力，實時補(bǔ)償主變高壓或低壓母線分段開關(guān)閉合時形成的電磁合環(huán)電流，實現(xiàn)變電不同參數(shù)變壓器并列閉環(huán)運(yùn)行。
③實現(xiàn)變電站的無功電壓連續(xù)調(diào)節(jié)，支撐了負(fù)荷中心無功需求，平抑新能源并網(wǎng)造成的電壓波動，故障時提供動態(tài)無功和阻尼控制，避免電網(wǎng)失穩(wěn)。
④緩解大規(guī)模公用充電站建設(shè)過程中線路走廊矛盾，利用柔性互聯(lián)變電站的直流母線，一方面易于構(gòu)建多電源聯(lián)合供電的集中式大規(guī)模充電站建設(shè)的技術(shù)方案，滿足日益增長的新能源汽車的充換需求；另一方面也可利用其裕量儲能換電設(shè)備，構(gòu)建基于V2G（Vehicle-to-grid，車輛到電網(wǎng)）的儲能電站，支撐城市電網(wǎng)的削峰填谷、需求側(cè)響應(yīng)等技術(shù)的實現(xiàn)。
02
柔性電力電子技術(shù)
實現(xiàn)支撐新能源接入變電站就地消納
風(fēng)電、光伏電源滲透率隨著新型電力系統(tǒng)構(gòu)建呈現(xiàn)的高滲透率，不僅要求大區(qū)變電站提升柔性互聯(lián)能力實現(xiàn)外送消納，也需要增強(qiáng)新能源發(fā)電就地消納能力，進(jìn)而從時間尺度上改善源-荷匹配能力。這也意味著傳統(tǒng)變電站要從原來的單一電能分配角色轉(zhuǎn)變?yōu)榧娔苁占?、傳輸、存儲與分配為一體的新型變電站，而基于柔性電力電子技術(shù)則為新能源的接入新型變電站的就地消納提供了基礎(chǔ)：
①支撐基于主變負(fù)載柔性調(diào)控的間歇性新能源就地消納。通過采用基于“背靠背”的柔性電力電子開關(guān)，可以實現(xiàn)變電站各個主變之間的負(fù)載率柔性調(diào)控，避免變電站主變分列運(yùn)行間歇性新能源消納受限，降低網(wǎng)絡(luò)損耗和電壓波動，增強(qiáng)變電站就地消納新能源能力，有效提升新能源利用效率。
②支撐變電站配電網(wǎng)層面潮流主動控制，提高分布式能源消納能力。通過采用全控型電力電子裝置的柔性電力電子開關(guān)的主動控制能力，可以實現(xiàn)變電站多回電網(wǎng)進(jìn)線之間的潮流再分配和線路潮流的靈活調(diào)節(jié)，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)弱交流系統(tǒng)新能源消納潮流阻塞問題，使得新能源“線”消納轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙M(jìn)線構(gòu)成的“網(wǎng)”消納，更好地滿足用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求。
③支撐新能源富集區(qū)域網(wǎng)側(cè)儲能技術(shù)的應(yīng)用，緩解所在供電區(qū)域接入集中式或分布式新能源的間歇性、波動性和隨機(jī)性，實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)源儲協(xié)同自治優(yōu)化和交流電壓連續(xù)控制，支撐新型電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻和無功電壓自動調(diào)節(jié)。
03
柔性電力電子技術(shù)
具備支撐新型電力系統(tǒng)抵御極端天氣能力
近年來隨著極端氣候事件頻發(fā)、并伴有強(qiáng)度大、持續(xù)時間長等特征，給現(xiàn)代大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大威脅，特別疊加以風(fēng)光為主的新能源電源面臨極端天氣本身脆弱屬性，未來電網(wǎng)將面臨更為嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)。例如2021年初美國最大新能源生產(chǎn)和消費(fèi)地-德州，由于受極端嚴(yán)寒氣候影響造成超550萬用戶停電。而在太平洋對岸的中國，今年初南方電網(wǎng)地區(qū)也遭受了5輪大規(guī)模寒潮侵襲，城市依舊萬家燈火通明，歲月一片靜好！我國電網(wǎng)在面臨極端凝凍災(zāi)害如此堅強(qiáng)的重要原因就是得益于基于電力電子技術(shù)的直流融冰裝置的大規(guī)模應(yīng)用。
未來隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)發(fā)展以及電力電子技術(shù)進(jìn)步，以柔性電力電子技術(shù)的新型電力裝備必將大規(guī)模取代現(xiàn)有的半控型技術(shù)的融冰裝置，發(fā)揮更大的作用：一方面基于柔性電力電子裝備發(fā)揮直流融冰功能，保障輸電線路走廊的安全；另一方面基于柔性電力電子裝備在變電站平時可作鏈?zhǔn)絻δ芙涌?/span>，一旦遇到極端天氣立即轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)急電源供電模式，支撐極端天氣下電網(wǎng)可靠供電。
新型電力系統(tǒng)作為未來電網(wǎng)發(fā)展新形態(tài)，勢必引導(dǎo)現(xiàn)有傳統(tǒng)單一功能變電站朝著集多功能于一體的綜合變電站發(fā)展，需要柔性電力電子技術(shù)也將發(fā)揮越來越為重要的作用。因此，未來進(jìn)一步加強(qiáng)基于柔性電力電子裝備的柔性互聯(lián)技術(shù)、新能源就地消納技術(shù)以及極端天氣下應(yīng)急支撐技術(shù)研究和開發(fā)，加快關(guān)鍵技術(shù)從理論研究到實際工程應(yīng)用的落地推廣，進(jìn)一步推動柔性電力電子技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中發(fā)展發(fā)揮更大的支撐作用。
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