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配网更智慧 “风光”无限好

作者:记者 许天骄 来源:亮报 发布时间:2022-07-01 浏览:

中国储能网讯:盛夏已至,烈日炎炎。用电负荷不断“热”出新纪录,电网面临严峻考验。如今,分布式光伏、数据中心、电动汽车等直流源荷日益增长,配网直流化特征愈发显著。构建高效灵活、安全可靠的直流配用电系统是实现直流型源荷高效匹配的重要途径。在江苏苏州,国家电网打造了全球规模最大、电压等级最全、技术装备最新的中低压直流配用电系统,覆盖工商、民用、市政、数据中心等多种应用,并为150户居民提供直流电能,综合用电能效提升2%。这个配电网有何独到之处?本报记者带你一探究竟。

多元负荷增长提出新需求

在高温酷暑之下,各地电力负荷屡创新高,江苏电网首次在6月出现负荷“破亿”,比2021年夏季负荷首次破亿提前19天。

江苏电科院专业人员在庞东中心站对站内二次设备进行巡视记录。

电力负荷不断攀升,风光水火核开足马力,源源不断的清洁电能经过四通八达的输电网、配电网的接力输送,顺利抵达一个个负荷中心。

交流和直流转换方式对比

随着经济社会的快速发展,精密企业、数据中心、智能家居、电动汽车等多元负荷不断增长,电网负荷的直流特征愈发显著,构建高效、低耗、可靠的直流配用电系统成为实现直流型源荷高效匹配的重要途径。

配电网如同人体的毛细血管,密集交织在城市肌理之中,其供电服务水平直接关系着终端用户的切身体验。国家电网有限公司加快电网创新发展,推动电网转型升级,持续建强骨干网架,建设现代智慧配电网,更好支撑清洁能源高比例接入、大范围高效配置,助力构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

今年1月,国家电网在江苏苏州吴江建成多电压等级、多应用场景的中低压直流配用电系统,该示范工程建立了国内外最完整的直流电压等级序列,包括±10千伏、±375伏、48伏等三类,构建了工商民、光伏、数据中心等五大类典型用电场景和供电模式,累计接入直流负荷10.5兆瓦,并网屋顶光伏6.2兆瓦,安装用户侧储能2兆瓦时,改造交直流混合用电居民用户150户,研发生产15种直流家电,形成了一个完整的中低压直流供用电生态,是当前国内外应用场景最丰富、源荷种类最多、技术装备最新的直流配用电系统。

“吴江地区直流源荷资源丰富,用能精细化需求日益旺盛,项目组攻克了直流配用电系统规划设计、关键设备、运行控制、系统保护等系列关键技术,采用宜交则交,宜直则直的交直流混合供电方式,为建设新型配电系统奠定了基础。”国网江苏省电力有限公司三级顾问陈庆说。

泓晟塑胶科技(苏州)有限公司是一家从事精密型腔模、电子塑胶制品生产的企业,其中注塑机的用电量占工厂总用电量的八成以上,如何实现注塑机节能降耗是企业负责人蔡凤琴颇为关心的事。

在苏州中低压直流配用电系统投运之前,工厂对注塑机开展了交流变频改造,但能耗始终居高不下。正在蔡凤琴一筹莫展之际,国网江苏电力提供了新的节能改造方案,项目组对厂内的86台注塑机电机进行了直流化改造,省去了注塑机内部的变频环节,并由附近的10千伏庞东直流中心站供电。

“在调研过程中,我们了解到该企业的用电设备存在直流用电需求,当使用传统的交流配电网进行供电时,交流电需要经过多个转换环节才能被利用,这个过程会产生能源损耗,而经过直流化改造后,生产线的能量损耗大大降低。”国网江苏省电力有限公司电力科学研究院刘瑞煌解释说。

不同的供电方式产生了不同的能耗。“改造后,我们生产线的能量损耗降低了至少2%,平均每月可以节约3万元电费,塑料制品的良品率也得到提升。”蔡凤琴对这笔经济账颇为满意。

直流负荷期盼直流供电,记者了解到,工商业变频类、开关电源类、数据中心、光储充一体化等场景均适合直流化改造。

在苏州同里古镇附近,九里数据中心站的1兆瓦服务器负荷已经进行了直流化改造,实现了数据中心服务器的直流接入,采用双电源供电,将原交直转换环节进行了简化,有效提升了终端用能效率。

此外,在苏州吴江经济开发区,国网江苏电力还建设了50台直流供电的大功率快速充电桩,直流化改造了718盏路灯、汇金广场的照明及空调、同里湖嘉苑小区内的150户居民住宅,建设了社区级光储系统和户用级能量路由器,实现了十余种直流家用电器的接入,有效提升了能源利用效率。

分布式电源高效接入急需新途径

  江苏电科院专业人员使用直流咖啡机沏咖啡。

走进吴江中低压直流配用电系统示范工程的监控大厅,在天气晴好的时刻,可以看到光伏出力逐渐攀升,在中午前后达到峰值。

苏州吴江经济发达,工业企业众多,屋顶资源丰富。2021年9月,国家能源局在全国范围选取了676个县(市、区)试点开发屋顶分布式光伏,吴江位列其中。吴江分布式光伏的规划规模为1000兆瓦,规模位居江苏省第一。

与传统的发电方式不同,光伏发电本身是直流电,当接入交流配电网时,需要经过逆变器进行变换,对电能质量和供电可靠性产生一定影响。“交流系统有频率、相位、电压幅值三个要素,当光伏通过逆变器接入交流配电网后,可能会受到谐波的污染。同时,可再生能源接入交流系统,需要进行无功补偿,这些都会影响电能质量。”刘瑞煌说,对于容量较小的分布式电源,通常都是单向接入交流配电网,容易产生三相不平衡问题,影响新能源消纳。

我国是能源消费大国,大力发展新能源是实现碳达峰碳中和目标的必由之路。配电网作为承担电能分配与消纳的主体,其电源结构、网架形态和负荷特性正在发生深刻变化。江苏电科院总工程师袁宇波说:“新型配电系统下电能的供给、配送、消费环节直流化特征日趋明显,传统交流配电方式存在承载力受限、电能变换环节多等问题,构建高效、高可靠的直流配用电系统,成为转变供电模式、提高用电能效、促进能源变革的重要途径。”

国网江苏电力突破了直流配用电系统规划设计、关键装备、保护控制原理等方面多项技术难题,在吴江新建10千伏直流中心站2座、直流配电房7座、光伏升压站3座以及10千伏直流电缆6条,研发并应用了27类直流配用电关键设备,实现了直流断路器、直流变压器、控制保护装置和直流用电设备等关键装备的示范应用和推广。

在传统方式下,直流配电网一旦出现故障,全网换流器会自保性闭锁,严重影响供电可靠性。吴江中低压直流配用电系统示范工程创新应用“保护前加速隔离+故障恢复”的故障防保策略,在中压电网发生双极短路故障时,可以在100毫秒内完成故障隔离和恢复供电,有效提升了低压侧负荷供电可靠性,保证了系统安全可靠运行。

“以前光伏发电需要逆变成交流并网,过程中必然有损耗,现在直接通过直流配用电系统实现就地消纳,平均损耗减少将近3%。”吴江地区一家光伏电站运营商负责人翟建建说。

江苏电科院配电网技术中心主任史明明算了一笔经济账,2025年年底,江苏光伏发电总装机容量预计达3800万千瓦,若采用直流组网就地消纳的方式,可提升光伏系统运行效率2%以上,按照1500小时的年利用小时数计算,全年可增发绿电11.4亿千瓦时,减少碳排放约98万吨。

直流技术助力打造配网新生态

在“双碳”目标下,配电网作为城乡经济社会发展的重要基础设施,是联系能源生产和消费的关键枢纽,是实现碳达峰碳中和目标的基础平台。

随着越来越多的分布式电源接入配电网,配电网由传统的单向接受电力并向用户分配,逐步向供需互动的有源网络过渡。

我国《“十四五”现代能源体系规划》提出,要加快配电网改造升级,推动智能配电网、主动配电网建设,提高配电网接纳新能源和多元化负荷的承载力和灵活性,促进新能源优先就地就近开发利用。

在电能诞生初期,交流电率先解决了电压升降的问题,从而战胜了直流电。如今直流电源和直流负荷大量增长,为直流配电创造了新的发展机遇。

“未来就是要靠风电、光电、水电、核电和生物质能构成的零碳能源系统,慢慢替代以燃煤、燃油、燃气等为主的化石燃料系统,只有这样才能够真正实现能源可持续发展和零碳目标。”中国工程院院士江亿说,近年来,他开始在全国推广“光储直柔”技术,即在建筑领域应用光伏、储能、直流配电和柔性交互四项技术,助力发展零碳能源。

2017年10月,国家发展改革委和国家能源局发布《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,提出将直流输配电技术作为现代电网建设的重要研发方向。为加快建设新型电力系统,国家电网提出要向数字电网、交直流混联电网、有源配电网、微电网融合发展转变。

近年来,国网江苏电力持续攻关中低压直流配电技术,2017年、2018年先后牵头承担中低压直流配网相关的两项国家重点研发计划专项——“基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源技术研究”和“中低压直流配用电系统关键技术及应用”,并在苏州试点建设示范工程;2020年建成国内外系统规模最大、网架结构最灵活、试验能力最强的中低压直流配用电系统示范应用工程——江苏电科院中低压直流试验平台,开展直流配网关键设备入网测试、电力电子等新技术的研发;2021年成立国内首个直流配用电技术联盟,汇聚社会各方力量,搭建“产、学、研、用”一体化平台,广泛吸引各类市场主体共同参与直流配用电这一新兴产业发展。

在我国广大农村地区,分布式光伏正在加速布局,装点着一座座农村小院,成为助力乡村振兴的重要引擎。但农村配电网较为薄弱,随着分布式电源的不断增长,传统的交流配电网运行面临台区功率倒送及供电容量不足等问题。传统增容改造存在投资大、线路通道不足、平均负载率更低、系统损耗增大等突出问题,这时候供电容量更大、供电半径更长、运行效率更高的直流配电网就成了更好的选择。

在江苏省丹阳市司徒镇,江苏电科院自主研发的新农村高效柔性互联系统在此落地应用。该系统通过交—直—交电力电子变换,实现了不同的交流片区或台区在直流侧的柔性合环操作,还实现了配网潮流柔性调控和故障毫秒级恢复,为乡村振兴提供了优质电力保障。

“未来的电力系统是数字化技术与传统电力的高度融合,国网江苏电力在直流配用电领域开展了大量工作,取得了良好成效。直流配用电系统关键装备的研发应用,有助于提升我国在高端电器制造领域的国际竞争力和话语权,对于推动我国能源转型,构建新型电力系统,助力‘双碳’目标落地具有重要的支撑作用。”工业和信息化部产业发展促进中心“智能电网技术与装备”专家委员会主任刘建明说。

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