2019年11月22—23日，第四屆中國風電電氣裝備與微電網(wǎng)技術(shù)高峰論壇暨中國電器工業(yè)協(xié)會風力發(fā)電電器設(shè)備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開，本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網(wǎng)”。國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院博士張宸宇在會上為大家?guī)砹祟}為《交直流混合分布式電源微電網(wǎng)示范應用》的精彩演講。
以下為演講實錄：
尊敬的各位專家，我是國網(wǎng)江蘇省電科院的張宸宇，下面就我們單位對目前交直流電網(wǎng)給大家做一個分享，我今天的題目是《交直流混合分布式電源微網(wǎng)示范應用》。
今天的報告分為四個部分：首先是直流配電網(wǎng)的背景。
雖然目前所用的配電網(wǎng)都是交流的配電網(wǎng)，但是在配電網(wǎng)發(fā)展的最初時期，在1880在紐約當初接觸的都是直流的電網(wǎng)，而當時的直流的電網(wǎng)使用存在遠距離傳輸、變壓、滅弧、電機維護等各種各樣的難題，就有愛迪生和尼古拉特斯拉的百年之爭。那現(xiàn)在隨著技術(shù)的演進，直流是不是有它的春天？改變我們未來的日常生活呢？
可以說目前的電網(wǎng)在高壓輸電環(huán)節(jié)、中壓配電環(huán)節(jié)和低壓用電環(huán)節(jié)都就直流的出現(xiàn)。在高壓的輸電環(huán)節(jié)直流輸電大面積使用，而我今天講的主要是針對我們的中低壓環(huán)節(jié)直流化的應用。
我們在中低壓直流方面比如光伏的大面積使用實際上是直流的直接介入，風電發(fā)電也是ACDC的過程，而儲能裝置直接就是直流的過程。而負荷側(cè)比如LED照明、直流家電、數(shù)據(jù)中心、電動汽車都是通過直流去用電的。現(xiàn)在這么多的直流就要通過逆變或者直流的過程如果直接進入直流電網(wǎng)毫無疑問這樣的轉(zhuǎn)化效率是可以得到提高的，所以直流電路所以是促進中低壓直流下一步發(fā)展的重要的要點。
這個是發(fā)展背景。《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2019》指出目前新能源的發(fā)電量逐步增高，占比是7.8%，風電、光伏發(fā)電量也是不停增高。當這些新能源的電能轉(zhuǎn)化效率每提高1%，將節(jié)約1775千瓦時相當于半年的發(fā)電量。《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略》預計2030年、2050中國非化石能源占一次能源消費比重將超過20%和50%。所以電能從供給側(cè)和需求側(cè)都在召喚直流配電技術(shù)的發(fā)展。
對于江蘇電網(wǎng)而言到今年6月底，江蘇的分布式裝機為705萬千瓦，380/220電壓等級接入392萬千瓦。終端負荷直流化趨勢明顯。地鐵、通信、數(shù)據(jù)中心、電動汽車等均為直流供電。還有直流配電的優(yōu)勢，相對交流傳統(tǒng)的配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)總結(jié)了五個優(yōu)勢：第一個是低壓用電的安全性；第二個是能效提升；第三個是電能質(zhì)量提高，就是直流的用電相當于電能質(zhì)量只有一個母線電壓，而交流卻有很多的頻率；四地個是便于直流電源和負荷介入；第五個是家用電器電源接口更簡約。
有著上面的這些優(yōu)點和發(fā)展，江蘇公司在江蘇同里做了交直流配電網(wǎng)的示范應用。
同里綜合能源服務中心位于蘇州，我昨天剛從那里過來，直線距離大概在20公里左右在蘇州的東南角同里鎮(zhèn)。占地53畝，這個背景是整個的規(guī)劃設(shè)計圖。它包括了同里的示范園區(qū)也就是中間那個點，同時還有一個科技光伏是作為電源端的接入還有同里湖嘉圓這是做直流樓宇的示范。
目前我們在同里示范工程做了2項國家重點研發(fā)計劃項目：2017年基于電力電子變壓器的交直流混合可再生能源技術(shù)研究；2018年中低壓直流配用電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應用。同里富含大量的交直流配用電的勻速，右下角這個圖也給出了一些運行的元素，包括壓縮空氣儲能、電力電子變壓器、光熱發(fā)電、三合一電子公路、源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、低壓直流配電環(huán)路。這個工程在2018年的10月份正式投運，我選擇了一些比較典型的元素。
主要核心的設(shè)備是包括以上六個：電力電子變壓器，通過這個設(shè)備實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)交流和直流混合的接入；故障電流控制器保護了直流端一旦發(fā)生故障的時候迅速隔離并且切除故障源；固態(tài)開關(guān)、直流開關(guān)也是目前產(chǎn)業(yè)需要研究的方向；直流充電樁、屋頂/幕墻/路面光伏和儲能。
到今年的8月份也就是今年夏天系統(tǒng)總?cè)萘?.38兆瓦，風電在蘇州的裝機在同里園區(qū)是20個千瓦時，4臺5千瓦的小風機，我們也反復在同里當?shù)刈隽艘粋€測試，的確發(fā)電效率比較低，原來4臺5千瓦時用的H組的垂直的風機發(fā)現(xiàn)幾乎這個發(fā)電量就很低，甚至都發(fā)不出電。直流負荷是2681千瓦，直流負荷就是直流配流電的元素基本上就是這些。
這個是目前同里一次拓撲圖。一共是包括4個電壓等級，2個交流，2個直流，交流是傳統(tǒng)的交流變電網(wǎng)中10千伏和380千伏，直流是采用了正負750V和正負375V，正負375是得到750的電壓，整個園區(qū)主要是通過這兩臺變壓器三臺3兆瓦的設(shè)備進行園區(qū)的交直流的連接，兩臺變壓器4個斷口具備4個電壓等級，同時我們還有核心設(shè)備就是故障電流控制器，在750的1母和2母上，母線2發(fā)現(xiàn)問題的時候，可以讓母線1端進行自治。
下面介紹一下同里工程項目中遇到的關(guān)鍵技術(shù)和難題。
第一個就是兩臺核心設(shè)備，實際上要建這樣一個直流的配電網(wǎng)，核心設(shè)備就是兩臺電力電子變壓器和連接4個電壓等級，實現(xiàn)4個電壓等級的柔性。兩太電力電子變壓器一臺采用3兆瓦的IGBT的，另外一臺是采用碳化硅的，另外一個是3×1兆瓦我們做了4個集裝箱，其中3個集裝箱是每個1兆瓦，再通過一個協(xié)同控制器做整體的控制，然后兩臺電力電子變壓器通過集中的園區(qū)的系統(tǒng)控制進行整體的控制。
第二個也是一個核心設(shè)備就是故障電流控制器。這個直流電網(wǎng)的故障電流控制器除了交流電網(wǎng)當中遇到故障能夠隔離的作用，還有一個功能能夠?qū)崿F(xiàn)母線端的電壓的過程，并且實現(xiàn)槽流電壓的控制。
第三個是基于直流網(wǎng)絡(luò)拓撲的多邊界保護技術(shù)。實際上我們做直流配電網(wǎng)的時候，剛運行的時候發(fā)現(xiàn)這么一個問題，比如我的電力電子變壓器連接了下面100個用戶，當其中一個用戶發(fā)生了直流短路的情況，這個時候電力電子變壓器就監(jiān)測到很大的短路電流，這個短路電流會讓變壓器發(fā)生一個指令變阻，那100個用戶陪著這一戶短路的用戶全部停電，是不是能夠做直流的短路技術(shù)快速切除某一個饋線的故障，不因為一戶故障引起所有用戶的短路，這也是我們做的直流保護的研究。
第四個是基于阻抗分析的同里工程低頻振蕩分析和參數(shù)配合優(yōu)化。當一個較小的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)如此多大量的電力電子設(shè)備的時候，就不可避免地會出現(xiàn)這樣的耦合，因為控制的沒有節(jié)藕引起振蕩的問題。我們一開始調(diào)試的時候也是出現(xiàn)電力電子和一臺換流器在滿功率3兆瓦對托的時候發(fā)現(xiàn)4赫茲的振蕩，如何對它的振蕩去進行一個控制，對它的端口阻抗進行一個分析，后面我們的控制器就避免了這個振點。2018年還要在同里建19臺電力電子變壓器，這個問題在這個高耦合、非線性、低阻尼、低慣性的情況下，也是后面我們認為直流配電網(wǎng)需要研究的課題。
第五個是通例示范工程接地方式。我們采用三種接地方時在TN的技術(shù)上做了一個改進，最初的時候也是用TN的設(shè)計，為什么？我們首先在邊緣站內(nèi)部的直接接TN，負荷側(cè)單獨去做一個除了保護以外，我們在園區(qū)的接地的時候發(fā)現(xiàn)當兩個設(shè)備，下面一個PAT和PIC兩個同時接地的時候，當你的功率有差異的時候地線上承擔你的零極就是PE線上承擔零級上面的一部分電流，否則接地網(wǎng)中的電流第一個是會腐蝕地網(wǎng)，第二個是地線的設(shè)計很難和零極就是直接接低的零極互相涉及，使得你的地線導致發(fā)熱的情況。
最后是示范工程的運行和推廣。
去年10月份到現(xiàn)在基本上是運行了一年多，對我們的運行場景也進行了梳理。第一個就是兩臺電力電子變壓器協(xié)調(diào)運行和多交直流微網(wǎng)的互濟。去保證整個同里園區(qū)工作在較高的經(jīng)濟水平。這個圖就給了一個例子，因為同里的園區(qū)內(nèi)是不允許燃油的大巴車，都是用750V充電的大巴在地鐵站做接駁車，充電就在園區(qū)的750V的充電站當中，充電的時候就是下面這個圖給的一個例子，我們就可以將375和380這兩個電壓等級的光伏、儲能這樣的電能去供750V，使得對外的電力交互盡可能減少。
第二個場景是柔性互聯(lián)的有功支撐。當其中一個10千伏的母線出現(xiàn)故障的時候可以通過一個原理上的背靠背，就是兩臺變壓器對10千伏進行支撐；第三個諧波治理和無功補償解決了交流端口的電能質(zhì)量的問題。
第五個場景是孤網(wǎng)并網(wǎng)平滑切換高可靠運行。整個園區(qū)的儲能都是采用這個儲能電池，對園區(qū)的電壓進行頻率的響應過程，這是在現(xiàn)場做的主動過網(wǎng)的瞬態(tài)的波形。
同時我們利用上面給大家分享的技術(shù)，在江蘇連云港也做了基于電力電子變壓器交直流混合的工程，這個是采用500KVA的碳化硅PET的四端口的電子變壓器。
在我們所有的工作當中也對難點進行了梳理。我們認為主要是影響直流配電網(wǎng)下一步大規(guī)模的應用有三個難點技術(shù)：第一個是目前很多的純理論、純技術(shù)的問題還并沒有得到很好的攻關(guān)，比如有效的滅弧、節(jié)地、多電力電子變換裝置強耦合、非線性的穩(wěn)定性機理還需要進一步深入挖掘；第二個是電力電子變壓器和關(guān)鍵設(shè)備的效率、體積和價格瓶頸，電力電子變壓器我們做了兩臺，硅機這一臺3兆瓦，體積是17米×3.5米×3米，應該說是一個很大的體積，就是你對比一下傳統(tǒng)的3兆瓦的配電來說，你都沒有辦法想象一個17米長的變壓器，但是去年時任董事長看到這個設(shè)備的時候說了一句話，他當時就說你們還記得當時第一臺計算機嗎？他說可能比當時開會的屋子還要大，電子電壓變壓器第一臺也很大，未來是不是可以做小型化、緊湊化的攻關(guān)和設(shè)計，使得電子電壓變壓器進一步降低體積，是不是也能做到電線干式的這種？另外是效率，雖然目前在電力電子設(shè)備里面是相對較高的水平，但是和傳統(tǒng)的還是有一定的差距，但是我們也總結(jié)分析了一下可能是我們在很低的工況情況下，我們的效率可以通過自身去調(diào)節(jié)，可能在低負荷的情況下效率還是有優(yōu)勢。還有價格的瓶頸，目前每W4元是太夸張的數(shù)字，你想想3兆瓦的設(shè)備可以賣多少錢，能不能像光伏一樣價格能夠正面觸動電力電子變壓器未來的推廣，這也是目前的瓶頸。最后一個是探索直流配電網(wǎng)運行模式，江蘇電科網(wǎng)江蘇公司牽頭來做的，但是運行維護的時候就發(fā)現(xiàn)很多的問題，維護人員都不了解直流配電網(wǎng)是什么樣的情況是什么樣的運行情況，什么樣的工況，這也是在運行當中逐步需要探索的事情。
這張圖是我們電科院對于未來交直流的展望，每一個蜂巢就代表每一個直流配電網(wǎng)去連接每一個蜂巢，每一個蜂巢通過電子電壓器進行供電，并且通過高壓的交流路線和外界的電網(wǎng)進行傳輸能量。
（內(nèi)容來自現(xiàn)場速記，未經(jīng)本人審核）
