——國家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院原院長 邱宇峰
為促進(jìn)能源互聯(lián)、電力新基建相關(guān)產(chǎn)業(yè)更好更快向前發(fā)展，在北京舉辦的“中國電力新基建及能源互聯(lián)網(wǎng)論壇”上國家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院原院長 邱宇峰作《支撐電力新基建的柔性交直流輸電和儲能技術(shù)電網(wǎng)》主題演講。
以下為發(fā)言實(shí)錄：
非常榮幸有機(jī)會受主辦方北極星的邀請，來跟大家交流一下我們在柔性交直流輸電和儲能系統(tǒng)方面的一些認(rèn)識和體會。
電網(wǎng)當(dāng)前的主要問題、發(fā)展方向和挑戰(zhàn)是“雙高”電網(wǎng)
我今天給大家報(bào)告的內(nèi)容主要有這么五個方面，首先想說一下技術(shù)發(fā)展的背景。
現(xiàn)在我們電網(wǎng)主要的問題和發(fā)展方向就是“雙高”電網(wǎng)，雙高”電網(wǎng)?就是高比例清潔能源、高比例電力電子裝置。為什么是“雙高”電網(wǎng)?它的背景就是能源革命這個大背景。為什么需要能源革命?大的背景還是化石能源的短缺，氣候變化、環(huán)境污染，所以必須要求能源要進(jìn)行一場革命。這場能源革命它的主要特征是什么呢?就是“雙高”。
越來越多的清潔能源會成為電網(wǎng)動力來源的主要部分，我列舉一些數(shù)字，2019年，清潔能源發(fā)電裝機(jī)占比是40%，預(yù)計(jì)到2030年希望這個比例要倒過來，現(xiàn)在是四六，然后變成倒的六四。大家都知道清潔能源的特點(diǎn)是間歇性、波動性和相當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定、不確定性，清潔能源要想接入電網(wǎng)，我們要想把清潔能源發(fā)電用好，就需要兩個大的技術(shù)來做支撐。
一個是柔性交直流輸電技術(shù)，它解決了清潔能源并網(wǎng)的問題。清潔能源的消納、吸收、利用，各種分布式的能源接入電網(wǎng)也需要電網(wǎng)具備更好的友好性，清潔能源能夠即插查即用，同時要有更好的潮流調(diào)節(jié)控制和變換的能力。我們要具備更好、更靈活的電源供應(yīng)的能力，比如用戶需要直流，可以直接給你直流。你需要的是什么樣的交流，直接給你什么交流。未來接入的不像現(xiàn)在就是一般的交流電站只接交流，以后柔性變電站，就是靠柔性交直流技術(shù)。
另一個是儲能技術(shù)，清潔能源的消納、吸收、利用好，儲能技術(shù)也是必須的，沒有儲能技術(shù)，我們沒有辦法大規(guī)模的利用清潔能源。
今天講的是靈活交直流輸電，也叫柔性交直流輸電FACTS，最早提出這個概念的是美國電科院的Hingorani博士，通過在電力系統(tǒng)中裝電力電子裝置，增強(qiáng)對電壓功角和阻抗的調(diào)節(jié)控制能力。直流不管是柔性直流也好，常規(guī)直流也好，以及FACTS技術(shù)，根本上就是電力電子技術(shù)，它的發(fā)展歷程是隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展而逐步發(fā)展和演進(jìn)的。
我們很熟悉最早一代所謂常規(guī)直流，就是采用基于晶閘管的LCC換流器的直流，基本是50Hz、60Hz。目前大量的主流器件形式已從半控器件轉(zhuǎn)全控器件，如IGBT、GTO。
再下一步，會從器件的材料上做根本的一些轉(zhuǎn)變，目前正在發(fā)展的是碳化硅器件。這些器件的發(fā)展就會對裝置拓?fù)鋷ЫY(jié)構(gòu)來巨大的影響，有半控器件，才有LCC。到了有全控器件，才有了今天所謂VSC的換流器，才有了像STATCOM，以及MMC的柔性直流，這是當(dāng)前這一代技術(shù)的主流。
再往下一代發(fā)展，開關(guān)頻率會進(jìn)一步提高，發(fā)展成碳化硅器件，這個時候功率密度會進(jìn)一步加大，電壓會進(jìn)一步的提升，從現(xiàn)在千伏級的器件提升到萬伏級的器件，到那時候又會有很多新型的拓?fù)洌晕覀兂Ｕf包括直流技術(shù)和FACTS在內(nèi)的電力電子技術(shù)發(fā)展規(guī)律是一代器件決定一代拓?fù)鋸亩鴽Q定一代應(yīng)用。
柔性直流最大的優(yōu)點(diǎn)是有功無功的調(diào)節(jié)更加靈活迅速
第二部分我們看看柔性交直流輸電技術(shù)兩個主要的部分，一個是柔直，這個名字是我們這個團(tuán)隊(duì)在電科院時取的，我們當(dāng)時取的英文名字是HVDC Flexible，翻譯成中文是柔性直流，HVDC Flexible和柔性直流是我們電科院時注冊的商標(biāo)，現(xiàn)在大家都用了，我們也很高興。
柔直的工作原理，通過有功無功傳輸方程就能看出，只要我們控制換流器的電壓UC以及它與系統(tǒng)電壓之間的夾角δ，就能夠控制換流器輸出有功無功像無轉(zhuǎn)動慣量的發(fā)動機(jī)一樣，在四個象限運(yùn)行，所以非常靈活，既可以發(fā)有功，可以發(fā)無功，四個象限毫秒級的調(diào)整工作狀態(tài)，這是以往我們?nèi)魏蝹鹘y(tǒng)的電動機(jī)發(fā)動機(jī)所不可能做到的。
為什么它叫柔性或者叫靈活直流?就體現(xiàn)在這兒。他有什么好處呢?最大的優(yōu)點(diǎn)就是有功無功的調(diào)節(jié)更加靈活迅速，常規(guī)直流是不能發(fā)無功的，柔性直流既可以發(fā)有功，可以發(fā)無功。
另外一個特別重要的方面，柔直相對于常規(guī)直流，沒有換相失敗問題。從原理上就不存在換相失敗。常規(guī)直流多了之后，給電網(wǎng)帶來的換相失敗威脅是目前電網(wǎng)運(yùn)行最頭疼的一件事情，希望能采用柔性直流技術(shù)替換掉常規(guī)直流，徹底解決換相失敗問題。柔直沒有常規(guī)直流所需濾波及無功補(bǔ)償設(shè)備。
還有一大優(yōu)點(diǎn)是易于構(gòu)建直流電網(wǎng)。傳統(tǒng)直流想了很多辦法，想組成直流電網(wǎng)，結(jié)果都不可能。倒一個功率方向，得導(dǎo)極性，要構(gòu)成網(wǎng)，功率方向不能隨時控制，電網(wǎng)怎么運(yùn)行?柔直就沒有這樣的問題，它的功率方向都是瞬間就變過來。
柔直主要的應(yīng)用場景，對海上風(fēng)電新能源的并網(wǎng)，是首選。還有解決換相失敗，以及城市孤島，特別是一些城市當(dāng)中，比如我們的走廊很擁堵，我們希望在有限的走廊和空間上能夠輸送更大的容量，怎么辦?就得靠柔直。
我們快速瀏覽一下國內(nèi)主要的柔直工程，一個是南匯風(fēng)電場接入上海電網(wǎng)主網(wǎng)，然后是舟山和南奧多端，然后是廈門柔直，是當(dāng)時達(dá)到了全球電壓等級最高，容量最大的。再就是渝鄂柔直聯(lián)網(wǎng)工程。
這個工程很重要，就是張北四端直流電網(wǎng)工程，這是全世界第一個直流電網(wǎng)工程。可以說全世界搞電力電子，搞直流輸電，特別是歐洲的專家們夢想了十多年都沒有實(shí)現(xiàn)，我們在這上面盡管花了很多錢，但是我們是第一次在高端電力電子技術(shù)方面做到全球引領(lǐng)，引領(lǐng)全球。張北是±500千伏，不管從電壓等級到輸送能量，到它所發(fā)揮的作用，都是目前全世界最高水平，非常有特點(diǎn)。張北有有風(fēng)電、光伏、儲能，張北四端直流電網(wǎng)工程把張北的清潔能源送到奧運(yùn)會場所，送到北京，舉辦冬奧會，也是對它的一個促進(jìn)。
靈活交流輸電技術(shù)所有的控制都是圍繞功率傳輸方程來開展的
講完柔直，我們看看柔交，即靈活交流輸電技術(shù)FACTS。它所有的控制實(shí)際上都是圍繞著功率傳輸方程來開展的，送受端電壓 U1U2，系統(tǒng)連接阻抗X，功角δ，不管控制哪一個，提高U2也好，提高U1也好，或者降X，或者改變δ，都可以靈活的改變有功功率的輸送。FACTA用的比較多的SVC，還有靜態(tài)無功補(bǔ)償STATCOM，其實(shí)它倆的作用基本是一樣的，只不過一個用半控器件，一個用全控器件。還有單純改變阻抗的，串聯(lián)性的，像TCSC，SSSC二者功能基本相當(dāng)，一個是用半控器件，一個是用全控器件。
再有就是更綜合性的FACTS，國網(wǎng)也是在全球用到了最高電壓水平，叫統(tǒng)一潮流控制器UPFC。UPFC既控制電壓，又可以控制阻抗，還可控制功角，三個可控變量同時控制就可以控制潮流，電網(wǎng)現(xiàn)在越建越密之后，出現(xiàn)很多線路建了，但是沒有潮流，電網(wǎng)潮流是按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自然分布的，就像田里的水的流動一樣。并聯(lián)型無功補(bǔ)償設(shè)備，比如SVC是用晶閘管對電容、電抗等無源無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行投切和調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償，STATCOM調(diào)節(jié)VSC輸出電壓幅值控制輸出無功功率大小和方向?qū)崿F(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償，響應(yīng)速度快。SVG是無功發(fā)生器，無功發(fā)生器再跟儲能結(jié)合，既可以發(fā)無功，也可以發(fā)有功。UPFC相當(dāng)于并聯(lián)加串聯(lián)，協(xié)調(diào)起來統(tǒng)一控制。
目前柔性交直流輸電技術(shù)普及受制于器件發(fā)展
看看柔性交直流輸電技術(shù)將來往什么方向發(fā)展。因?yàn)樗腔谄骷骷Q定了應(yīng)用，所以我們現(xiàn)在很大程度上之所以還不能大量的普及柔性直流，因?yàn)槭苤朴谄骷壳捌骷碾娏髦荒苓_(dá)到3000安，要替代掉800萬的柔直常規(guī)直流，還做不到。必須提升到5000安，器件電壓也需要提高，使柔直體積降下來，還有降低子模塊電流的容值，這是未來需要考慮的。
還有就是采用一些新的拓?fù)洌热缈梢暂敵鋈娖降耐負(fù)洹Ｆ骷乃綍粩嗵嵘蚋唠妷骸⒍ㄖ苹较虬l(fā)展。碳化硅器件有更高的耐壓，更高的功率密度，體積也很小，做出來的裝置損耗小，能量密度高，體積小，體積小非常重要，現(xiàn)在柔直太大了，如果大家去看過，就會知道太大了，所以得想辦法降低體積，最重要的還得靠器件提升。因?yàn)樘蓟璧钠骷梢宰龅饺f伏級，這樣體積就會縮小到原來的五分之一、四分之一。
另一個趨勢是儲能與電力電子設(shè)備相結(jié)合，這樣能發(fā)有功，電網(wǎng)形態(tài)從傳統(tǒng)的電網(wǎng)未來變成柔性電網(wǎng)，從鐵疙瘩為主變成半導(dǎo)體化。
氫儲能是未來應(yīng)用于電網(wǎng)中非常重要的一個儲能技術(shù)方向
簡要介紹一下我們儲能現(xiàn)在在電網(wǎng)中的一些技術(shù)，主要包括機(jī)械儲能，還有超導(dǎo)儲能，化學(xué)儲能，各種電池，還有氫儲能也是非常重要的一個方向。在氫儲能基礎(chǔ)上發(fā)生了合成燃料，把電解水制氫之后，用氫可以變成甲烷，冷熱的儲能技術(shù)。
最后這一部分主要是各種電化學(xué)儲能的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及發(fā)展趨勢，沒有時間一一細(xì)講了。
