柔性配电自主技术打破国外垄断,技术水平处于世界前列

陶嘉豪

电子信息、智能制造、科技金融

  • 2019-04-01
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随着我国对配电网改造升级的持续进行,多种先进的装备技术被多方应用。相对于在配电网继电保护、安全控制、系统通讯等二次系统方面装备技术的飞速发展,一次系统的装备技术的发展陷入一定的瓶颈。柔性配电技术自20世纪90年代被提出以来在我国技术研发一直较为缓慢,直到近年相关技术设备的研发突破,技术水平现已处于世界前列。

  摘要:随着我国对配电网改造升级的持续进行,多种先进的装备技术被多方应用。相对于在配电网继电保护、安全控制、系统通讯等二次系统方面装备技术的飞速发展,一次系统的技术与装备的发展陷入一定的瓶颈。柔性配电技术自20世纪90年代被提出以来在我国技术研发一直较为缓慢,直到近年相关技术设备的研发突破,技术水平现已处于世界前列,将进一步推进我国智能配电技术的发展和完善。

  柔性直流技术原理

  柔性直流输配电技术(VSC-HVDC)是上世纪九十年代由ABB公司研发的一种通过电压源换流器(VSC)技术为核心,辅助以IGBT等硬件,通过脉宽调制(PWM)技术进行控制。主要由换流站和直流电线组成。换流站是电压源换流站,使电流在直流和交流之间进行转换,把交流电转换成直流电在电线中进行传输。

  同时由于采用全控型器件组成的电压源换流器,可以随意开通和关断,这样可以使得VSC在一个周波内可以换相多次,再利用PWM来控制阀的触发来调制VSC输出的电压和电流以获得近似正弦波的输出,同时进行功率因数控制。

图1 VSC-HVDC原理图

(资料来源:公开信息整理)

  柔性配电具有灵活安全等技术优势 将是改变大电网发展格局的战略选择

  柔性直流配电技术的应用将做到对高压直流电进行较高程度的可控,柔性直流输电技术的特点是反应快速、安全性高、支持电网灵活调度等,还进一步适用于新型能源的并网、城市配电网的增容改造、孤岛供电等,同时柔性直流输电技术在供电能力方面的应用在实际中比较容易实现,能进一步改变整个电网的发展格局。

  未来柔性直流输电技术还将通过进一步的研究和试点,推进技术在大规模新型能源接入电网系统、提高一定范围内联网供电的安全性、舒缓用电压力较大区域的电网运行等更多方面得到应用。

  现阶段实现柔性直流的关键技术是电压源换流器(VSC)技术和脉宽调制技术(PWM)。VSC技术已经进一步替代了传统的高压直流输电PCC技术,VSC技术相较于PCC技术更加的简单快捷,而且更具可靠性。

  同时VSC使用IGBT器件,能够在一定频次实现多次开断功能,能够使得PWM技术可以在柔性配电方面的应用。PWM控制方式就是控制IGBT等分断器的通断,将电流分化成一整套波动振幅相似波长不等的脉冲从输出端输出,用这些脉冲来替代需要的波形,通过两侧直流电压的切换产生交流电压,并通过交流低通滤波器从高频脉冲调制电压中得到期望的基波电压,最终能够将交流输出电压的相位与幅值随时的在一瞬间进行改变,从而实现有功与无功的独立调节。这种技术的应用使得柔性配电与传统直流配电相比电路更加简化,将进一步缩小设备的占地面积。

  我国柔性配电技术后来居上 打破国外技术垄断

  柔性直流配电技术在配电领域作为一项比较新的技术,除我国的国家电网公司外,国外企业仅有ABB和西门子两家公司能够运用技术完成工程应用。目前的工程应用实例较少,柔性直流配电技术应用项目中主要以风力发电的并网以及交流电网的互联为主。

表1 柔性直流配电技术工程项目

(资料来源:公开信息整理)

  我国自2006年开始立项进行柔性配电技术相关研究,近年来研究有所突破,在柔性直流配电技术中的部分技术水平已经达到世界顶尖。

  2011年7月,国家电网公司完成亚洲第一个柔性直流配电工程——上海南汇风电场柔性直流输电工程的建设并正式投入运行。这是我国首条完全拥有自主产权、且技术达到世界顶尖的柔性配电技术应用工程,我国电网建设向世界前列水平迈出了坚实的一步。国家电网也成为ABB和西门子后世界第三家有能力建设柔性直流配电技术工程的企业。

  2014年7月,浙江舟山±200千伏五端柔性直流科技示范工程正式投运,这是世界首个五端柔性直流输电工程,我国的相关技术已经走在前列。

  2015年6月,国家电网发布公告称公司的智能电网研究部门研制的电压源换流设备试验成功且运行良好,这款研制的基于压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的串联型电压源换流阀设备可以在±10KV的电压下,进行每秒1050次的开断。至此,国网研究院成为全球第二家掌握柔性直流配电技术核心设备相关技术的机构,成功打破了国外企业ABB在串联型换流器技术的独家垄断,同时国网研究院还成为世界第一家全面掌握MMC型和串联型换流器关键技术的研究机构。

  此外,2018年9月,贵州电网牵头的我国首个中压五端柔性直流配电示范工程也投入试运行,未来我国在柔性配电技术方面的应用将会进一步发展。

  结语

  目前,全球各国对柔性配电技术开始进一步重视,未来柔性配电技术将在新型能源与智能电网发挥巨大作用,相关技术工程将会快速增长。未来我国将继续对该技术的研究不仅能够推动国家配电网智能化战略的实现,还能获得更多的技术储备与技术支持,进一步提升我国电力产业在国际中的竞争力。


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