揭秘！世界首個柔性變電站　配電網(wǎng)的“智能管家”

2018-01-30 10:50:55 國家電網(wǎng)報　點擊量：評論 (0)

1月18日，由國網(wǎng)冀北電力有限公司建設運營的世界首個柔性變電站小二臺柔性變電站，在張北阿里巴巴數(shù)據(jù)港成功并網(wǎng)運行，實現(xiàn)了電力電子技術(shù)

1月18日，由國網(wǎng)冀北電力有限公司建設運營的世界首個柔性變電站小二臺柔性變電站，在張北阿里巴巴數(shù)據(jù)港成功并網(wǎng)運行，實現(xiàn)了電力電子技術(shù)領域的原始性創(chuàng)新。該變電站與以往的普通變電站有何不同，實現(xiàn)了哪些技術(shù)突破?又將對電網(wǎng)發(fā)展帶來怎樣的助益?

變電站內(nèi)景

技術(shù)人員正在站內(nèi)調(diào)試設備

變電站內(nèi)部設備

在河北張家口張北縣小二臺鎮(zhèn)這個經(jīng)濟不甚發(fā)達的小鎮(zhèn)上，坐落著一家高科技公司——“阿里數(shù)據(jù)港”，日前建成的世界首個柔性變電站就位于該數(shù)據(jù)港2A—2樓的一層供電大廳中。“四九”的張北氣溫已降至零下27攝氏度，但這個柔性變電站內(nèi)卻是一片緊張忙碌的景象。“合上504開關，合上504開關，對執(zhí)行。”1月18日，隨著主變開關合閘成功，最新研發(fā)的柔性變壓器發(fā)出刺耳的高頻聲，小二臺柔性變電站成功并網(wǎng)運行。

2017年5月，國網(wǎng)冀北電力有限公司發(fā)布《全球能源互聯(lián)網(wǎng)張家口創(chuàng)新示范區(qū)發(fā)展白皮書》。白皮書中提到，柔性變電站和交直流配電網(wǎng)示范工程是國網(wǎng)冀北電力倡導打造全球能源互聯(lián)網(wǎng)“樣板間”所規(guī)劃建設的“十大工程”之一。這是我國率先提出并實現(xiàn)的交直流混合配電網(wǎng)技術(shù)，是電力電子技術(shù)領域的原始性創(chuàng)新，對未來電力系統(tǒng)的發(fā)展具有引領作用，實現(xiàn)了我國電力電子技術(shù)從跟蹤到引領的質(zhì)的飛躍。

敢為人先多方面技術(shù)達國際領先水平

“柔性變電站以一次設備電力電子化、二次控制技術(shù)智能化為特征，實現(xiàn)有功、無功、電壓等的精確實時控制，它就相當于給配電網(wǎng)配置了一個‘智能管家’，讓電能在不同電壓等級和電能形態(tài)的端口間‘按需分配’，實現(xiàn)清潔能源優(yōu)先供電，同時保障重要負荷的高可靠性和定制化用電。其建設及應用在世界上尚屬首次，在系統(tǒng)設計、控制保護、裝備研制等多個方面達到國際、國內(nèi)領先水平。”國網(wǎng)冀北電力科信部智能處處長徐彭亮提起小二臺柔性變電站時，顯得十分自豪。

小二臺柔性變電站的建成，實現(xiàn)了多方面技術(shù)創(chuàng)新。國網(wǎng)冀北電力協(xié)同聯(lián)研院、南瑞集團等開展關鍵技術(shù)攻關和裝備研制，提出了基于波動功率平衡新技術(shù)的少電容緊湊化新型拓撲，成功研制了純固體絕緣的高頻變壓器及緊湊型換流閥等關鍵部件，集成了直流斷路器、交直流變換器、變壓器、無功補償裝置等多個設備功能，實現(xiàn)了配電網(wǎng)設備的“多合一”，一舉突破了電力電子變壓器模塊化設計、FACTS(柔性交流輸電)新型拓撲結(jié)構(gòu)、“源—網(wǎng)—荷”一體化調(diào)控等關鍵技術(shù)難題，實現(xiàn)了“源—網(wǎng)—荷”智能化互動，為電力用戶高質(zhì)量供電和新能源高效率消納提供了新的技術(shù)手段。與現(xiàn)有技術(shù)相比，柔性變電站提高了直流配電設備的性能指標，直流電容配置降低95%，能量密度提升200%。

隨著社會發(fā)展，直流負荷大量出現(xiàn)在生活中。日光燈、節(jié)能燈、LED燈等照明系統(tǒng)，電視機、機頂盒、路由器等視聽設備，以及迅速發(fā)展的電動汽車、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，離不開交/直變換，需在每個用電終端進行一次整流變換，轉(zhuǎn)換過程中一些電能的損失以熱能的方式散發(fā)。如果采用直流供電，則可以減少大量整流變壓器，減少轉(zhuǎn)換中散發(fā)出的熱量(減少電能損耗)，減少換氣扇、空調(diào)的資金投入。如果采用直流配電網(wǎng)，可以減少中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量損失。

伴隨著分布式電源發(fā)電、儲能、電力電子等技術(shù)的進步，配電網(wǎng)中用戶側(cè)的分布式可再生發(fā)電容量占比將不斷提高，分布式儲能、直流負荷的供電需求日益顯現(xiàn)，配電網(wǎng)中潮流在電網(wǎng)與用戶之間、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)之間雙向互動的需求越來越多。直流配電具有功率雙向靈活可控、隔離故障、響應速度快等優(yōu)勢，未來公用配電網(wǎng)向交直流混合供電物理形態(tài)演進將成為未來配電網(wǎng)的發(fā)展方向。

柔性變電站在電網(wǎng)中不僅作為能量傳輸節(jié)點，而且還是電網(wǎng)調(diào)控節(jié)點與負荷調(diào)控節(jié)點，旨在提高電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)及潮流的精確靈活控制，可實現(xiàn)電網(wǎng)有功、無功、電壓等的平滑調(diào)控，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平和高效運行等功能;柔性變電站應用于配電網(wǎng)，可提高“源—網(wǎng)—荷”互動能力，實現(xiàn)分布式電源及多元化交直流負荷的友好、有效接納及協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)故障的快速隔離，提高用戶供電電能質(zhì)量。

多方協(xié)作實現(xiàn)“源—網(wǎng)—荷”協(xié)調(diào)互動

小二臺柔性變電站是張北柔直示范工程的重要組成部分，其整體設計、設備制造、安裝接線以及基礎連接等方面均為國內(nèi)首創(chuàng)，由冀北經(jīng)研院、冀北電科院、聯(lián)研院、普瑞科技公司、張家口供電公司多家單位聯(lián)合設計建設，國網(wǎng)冀北電力科信部、運檢部負責統(tǒng)籌指揮。

“柔性變電站和交直流配電網(wǎng)示范工程由于是世界首創(chuàng)，還要體現(xiàn)‘源—網(wǎng)—荷’協(xié)調(diào)互動的理念。因此，國網(wǎng)冀北電力采用了深度與廣度兼顧的參與方式。在制定技術(shù)方案的過程中，國網(wǎng)冀北電力全程參與，從可研角度對技術(shù)方案提出要求并協(xié)助完善方案。與負荷用戶阿里巴巴公司積極溝通，就示范工程作為阿里公司張北創(chuàng)新研發(fā)展示中心主供電源達成一致，并贏得阿里公司進一步推廣應用相關技術(shù)的意愿。與新能源企業(yè)商談，設計了新能源電源接入方案。通過這些舉措保證設計深度和質(zhì)量，確保工程示范效果達到預期。”國網(wǎng)冀北電力經(jīng)濟技術(shù)研究院的一位專工介紹。

“該工程立項以來受到國家電網(wǎng)公司及國網(wǎng)冀北電力領導的高度重視，在實施過程中國網(wǎng)冀北電力成立‘張北交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程建設領導小組’，明確各部門及參建單位的建設任務及建設目標，通過周電話例會制度、工程建設日管控微信群等方式協(xié)調(diào)解決工程實施中存在的問題及困難。”運檢部專工周磊向記者介紹。

國網(wǎng)冀北電力對工作內(nèi)容進行不斷梳理，科學謀劃，精心安排，組織專業(yè)技術(shù)骨干組成團隊，細化職責分工，明確工作聯(lián)系制度、會議制度，規(guī)范信息報送制度，強化工作要求。國網(wǎng)冀北電力與阿里巴巴集團基礎架構(gòu)事業(yè)部簽訂合作協(xié)議、與億利集團達成合作意向。組織從系統(tǒng)一二次、關鍵設備等方面開展了技術(shù)方案專題研究，同步開展工程可研、施工。

交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程是世界首創(chuàng)的“交/直流供電、高頻變電、定制用電”的配電網(wǎng)工程，施工、配線人員都是第一次接觸此類工程，沒有先例可循，只能對著圖紙“摸石頭過河”，廠家安裝人員面對大量的首臺首套新設備也常常“自顧不暇”。在這種情形下，國網(wǎng)冀北電力按柔性變電站的電能形態(tài)和主要功能劃分了4個工作界面，實現(xiàn)施工、設備廠家及調(diào)試人員全面對接、協(xié)同作戰(zhàn)，大大加快了工程進度。

時間回到2017年11月，此時柔性變電站控制保護程序剛剛完成編程，尚未經(jīng)過實時數(shù)字仿真(RTDS)試驗檢測和消缺，而距離工程投產(chǎn)日期已經(jīng)越來越近了。電科院電網(wǎng)技術(shù)中心的技術(shù)骨干們早出晚歸，在設備研制單位全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院埋頭攻關，周六日也“連軸轉(zhuǎn)”。在RTDS實時仿真系統(tǒng)中，技術(shù)專家為柔性變電站及光伏升壓站全部一次設備建立了仿真模型，將保護后臺、測控柜、柔變控制柜、柔變保護柜以及光伏保護柜一起進行全系統(tǒng)的控制保護聯(lián)合測試。在短短2個月時間里，技術(shù)專家對柔性變電站的保護功能、控制性能、控制策略、順控流程等都進行了全面測試，敏銳地發(fā)現(xiàn)了各裝置的功能缺陷，提出專業(yè)的解決方案，終于趕在設備入場前完成全部二次設備入網(wǎng)檢測。

在小二臺柔性變電站的建設過程中，國網(wǎng)冀北電力與多家單位進行了協(xié)同合作，實現(xiàn)了科技攻關，為我國電網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展貢獻了力量。小二臺柔性變電站的并網(wǎng)投運對交直流配電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建、直流電壓等級選擇、運行控制、保護配置及配網(wǎng)提升消納新能源水平等做出了示范，為未來交直流配電網(wǎng)的設計、運行進行了有益探索。未來，柔性變電站技術(shù)將應用到更高電壓等級的主網(wǎng)上，作為樞紐變電站來進行潮流調(diào)控，從而使電網(wǎng)調(diào)度、運行更加靈活，大大提高設備資產(chǎn)利用率，降低電網(wǎng)造價。

原標題:配電網(wǎng)的“智能管家”