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CWPE2019 | 国网江苏电科院张宸宇:交直流混合分布式电源微电网示范应用

日期:2019-11-28    来源:东方风力发电网

国际风力发电网

2019
11/28
09:40
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关键词: 张宸宇 CWPE2019 风力发电

  2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。国网江苏省电力有限公司电力科学研究院博士张宸宇在会上为大家带来了题为《交直流混合分布式电源微电网示范应用》的精彩演讲。
  以下为演讲实录:
  尊敬的各位专家,我是国网江苏省电科院的张宸宇,下面就我们单位对目前交直流电网给大家做一个分享,我今天的题目是《交直流混合分布式电源微网示范应用》。
  今天的报告分为四个部分:首先是直流配电网的背景。
  虽然目前所用的配电网都是交流的配电网,但是在配电网发展的最初时期,在1880在纽约当初接触的都是直流的电网,而当时的直流的电网使用存在远距离传输、变压、灭弧、电机维护等各种各样的难题,就有爱迪生和尼古拉特斯拉的百年之争。那现在随着技术的演进,直流是不是有它的春天?改变我们未来的日常生活呢?
  可以说目前的电网在高压输电环节、中压配电环节和低压用电环节都就直流的出现。在高压的输电环节直流输电大面积使用,而我今天讲的主要是针对我们的中低压环节直流化的应用。
  我们在中低压直流方面比如光伏的大面积使用实际上是直流的直接介入,风电发电也是ACDC的过程,而储能装置直接就是直流的过程。而负荷侧比如LED照明、直流家电、数据中心、电动汽车都是通过直流去用电的。现在这么多的直流就要通过逆变或者直流的过程如果直接进入直流电网毫无疑问这样的转化效率是可以得到提高的,所以直流电路所以是促进中低压直流下一步发展的重要的要点。
  这个是发展背景。《中国电力行业年度发展报告2019》指出目前新能源的发电量逐步增高,占比是7.8%,风电、光伏发电量也是不停增高。当这些新能源的电能转化效率每提高1%,将节约1775千瓦时相当于半年的发电量。《能源生产和消费革命战略》预计2030年、2050中国非化石能源占一次能源消费比重将超过20%和50%。所以电能从供给侧和需求侧都在召唤直流配电技术的发展。
  对于江苏电网而言到今年6月底,江苏的分布式装机为705万千瓦,380/220电压等级接入392万千瓦。终端负荷直流化趋势明显。地铁、通信、数据中心、电动汽车等均为直流供电。还有直流配电的优势,相对交流传统的配电网,直流配电网总结了五个优势:第一个是低压用电的安全性;第二个是能效提升;第三个是电能质量提高,就是直流的用电相当于电能质量只有一个母线电压,而交流却有很多的频率;四地个是便于直流电源和负荷介入;第五个是家用电器电源接口更简约。
  有着上面的这些优点和发展,江苏公司在江苏同里做了交直流配电网的示范应用。
  同里综合能源服务中心位于苏州,我昨天刚从那里过来,直线距离大概在20公里左右在苏州的东南角同里镇。占地53亩,这个背景是整个的规划设计图。它包括了同里的示范园区也就是中间那个点,同时还有一个科技光伏是作为电源端的接入还有同里湖嘉圆这是做直流楼宇的示范。
  目前我们在同里示范工程做了2项国家重点研发计划项目:2017年基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源技术研究;2018年中低压直流配用电系统关键技术及应用。同里富含大量的交直流配用电的匀速,右下角这个图也给出了一些运行的元素,包括压缩空气储能、电力电子变压器、光热发电、三合一电子公路、源网荷储协调控制系统、低压直流配电环路。这个工程在2018年的10月份正式投运,我选择了一些比较典型的元素。
  主要核心的设备是包括以上六个:电力电子变压器,通过这个设备实现园区内交流和直流混合的接入;故障电流控制器保护了直流端一旦发生故障的时候迅速隔离并且切除故障源;固态开关、直流开关也是目前产业需要研究的方向;直流充电桩、屋顶/幕墙/路面光伏和储能。
  到今年的8月份也就是今年夏天系统总容量4.38兆瓦,风电在苏州的装机在同里园区是20个千瓦时,4台5千瓦的小风机,我们也反复在同里当地做了一个测试,的确发电效率比较低,原来4台5千瓦时用的H组的垂直的风机发现几乎这个发电量就很低,甚至都发不出电。直流负荷是2681千瓦,直流负荷就是直流配流电的元素基本上就是这些。
  这个是目前同里一次拓扑图。一共是包括4个电压等级,2个交流,2个直流,交流是传统的交流变电网中10千伏和380千伏,直流是采用了正负750V和正负375V,正负375是得到750的电压,整个园区主要是通过这两台变压器三台3兆瓦的设备进行园区的交直流的连接,两台变压器4个断口具备4个电压等级,同时我们还有核心设备就是故障电流控制器,在750的1母和2母上,母线2发现问题的时候,可以让母线1端进行自治。
  下面介绍一下同里工程项目中遇到的关键技术和难题。
  第一个就是两台核心设备,实际上要建这样一个直流的配电网,核心设备就是两台电力电子变压器和连接4个电压等级,实现4个电压等级的柔性。两太电力电子变压器一台采用3兆瓦的IGBT的,另外一台是采用碳化硅的,另外一个是3×1兆瓦我们做了4个集装箱,其中3个集装箱是每个1兆瓦,再通过一个协同控制器做整体的控制,然后两台电力电子变压器通过集中的园区的系统控制进行整体的控制。
  第二个也是一个核心设备就是故障电流控制器。这个直流电网的故障电流控制器除了交流电网当中遇到故障能够隔离的作用,还有一个功能能够实现母线端的电压的过程,并且实现槽流电压的控制。
  第三个是基于直流网络拓扑的多边界保护技术。实际上我们做直流配电网的时候,刚运行的时候发现这么一个问题,比如我的电力电子变压器连接了下面100个用户,当其中一个用户发生了直流短路的情况,这个时候电力电子变压器就监测到很大的短路电流,这个短路电流会让变压器发生一个指令变阻,那100个用户陪着这一户短路的用户全部停电,是不是能够做直流的短路技术快速切除某一个馈线的故障,不因为一户故障引起所有用户的短路,这也是我们做的直流保护的研究。
  第四个是基于阻抗分析的同里工程低频振荡分析和参数配合优化。当一个较小的区域内出现如此多大量的电力电子设备的时候,就不可避免地会出现这样的耦合,因为控制的没有节藕引起振荡的问题。我们一开始调试的时候也是出现电力电子和一台换流器在满功率3兆瓦对托的时候发现4赫兹的振荡,如何对它的振荡去进行一个控制,对它的端口阻抗进行一个分析,后面我们的控制器就避免了这个振点。2018年还要在同里建19台电力电子变压器,这个问题在这个高耦合、非线性、低阻尼、低惯性的情况下,也是后面我们认为直流配电网需要研究的课题。
  第五个是通例示范工程接地方式。我们采用三种接地方时在TN的技术上做了一个改进,最初的时候也是用TN的设计,为什么?我们首先在边缘站内部的直接接TN,负荷侧单独去做一个除了保护以外,我们在园区的接地的时候发现当两个设备,下面一个PAT和PIC两个同时接地的时候,当你的功率有差异的时候地线上承担你的零极就是PE线上承担零级上面的一部分电流,否则接地网中的电流第一个是会腐蚀地网,第二个是地线的设计很难和零极就是直接接低的零极互相涉及,使得你的地线导致发热的情况。
  最后是示范工程的运行和推广。
  去年10月份到现在基本上是运行了一年多,对我们的运行场景也进行了梳理。第一个就是两台电力电子变压器协调运行和多交直流微网的互济。去保证整个同里园区工作在较高的经济水平。这个图就给了一个例子,因为同里的园区内是不允许燃油的大巴车,都是用750V充电的大巴在地铁站做接驳车,充电就在园区的750V的充电站当中,充电的时候就是下面这个图给的一个例子,我们就可以将375和380这两个电压等级的光伏、储能这样的电能去供750V,使得对外的电力交互尽可能减少。
  第二个场景是柔性互联的有功支撑。当其中一个10千伏的母线出现故障的时候可以通过一个原理上的背靠背,就是两台变压器对10千伏进行支撑;第三个谐波治理和无功补偿解决了交流端口的电能质量的问题。
  第五个场景是孤网并网平滑切换高可靠运行。整个园区的储能都是采用这个储能电池,对园区的电压进行频率的响应过程,这是在现场做的主动过网的瞬态的波形。
  同时我们利用上面给大家分享的技术,在江苏连云港也做了基于电力电子变压器交直流混合的工程,这个是采用500KVA的碳化硅PET的四端口的电子变压器。
  在我们所有的工作当中也对难点进行了梳理。我们认为主要是影响直流配电网下一步大规模的应用有三个难点技术:第一个是目前很多的纯理论、纯技术的问题还并没有得到很好的攻关,比如有效的灭弧、节地、多电力电子变换装置强耦合、非线性的稳定性机理还需要进一步深入挖掘;第二个是电力电子变压器和关键设备的效率、体积和价格瓶颈,电力电子变压器我们做了两台,硅机这一台3兆瓦,体积是17米×3.5米×3米,应该说是一个很大的体积,就是你对比一下传统的3兆瓦的配电来说,你都没有办法想象一个17米长的变压器,但是去年时任董事长看到这个设备的时候说了一句话,他当时就说你们还记得当时第一台计算机吗?他说可能比当时开会的屋子还要大,电子电压变压器第一台也很大,未来是不是可以做小型化、紧凑化的攻关和设计,使得电子电压变压器进一步降低体积,是不是也能做到电线干式的这种?另外是效率,虽然目前在电力电子设备里面是相对较高的水平,但是和传统的还是有一定的差距,但是我们也总结分析了一下可能是我们在很低的工况情况下,我们的效率可以通过自身去调节,可能在低负荷的情况下效率还是有优势。还有价格的瓶颈,目前每W4元是太夸张的数字,你想想3兆瓦的设备可以卖多少钱,能不能像光伏一样价格能够正面触动电力电子变压器未来的推广,这也是目前的瓶颈。最后一个是探索直流配电网运行模式,江苏电科网江苏公司牵头来做的,但是运行维护的时候就发现很多的问题,维护人员都不了解直流配电网是什么样的情况是什么样的运行情况,什么样的工况,这也是在运行当中逐步需要探索的事情。
  这张图是我们电科院对于未来交直流的展望,每一个蜂巢就代表每一个直流配电网去连接每一个蜂巢,每一个蜂巢通过电子电压器进行供电,并且通过高压的交流路线和外界的电网进行传输能量。
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