——國(guó)家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院原院長(zhǎng) 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(guó)電力新基建及能源互聯(lián)網(wǎng)論壇”上國(guó)家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院原院長(zhǎng) 邱宇峰作《支撐電力新基建的柔性交直流輸電和儲(chǔ)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(huì)受主辦方北極星的邀請(qǐng)，來(lái)跟大家交流一下我們?cè)谌嵝越恢绷鬏旊姾蛢?chǔ)能系統(tǒng)方面的一些認(rèn)識(shí)和體會(huì)。
電網(wǎng)當(dāng)前的主要問(wèn)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(gè)方面，首先想說(shuō)一下技術(shù)發(fā)展的背景。
現(xiàn)在我們電網(wǎng)主要的問(wèn)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(gè)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(chǎng)革命。這場(chǎng)能源革命它的主要特征是什么呢?就是“雙高”。
越來(lái)越多的清潔能源會(huì)成為電網(wǎng)動(dòng)力來(lái)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(gè)比例要倒過(guò)來(lái)，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(dòng)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(gè)大的技術(shù)來(lái)做支撐。
一個(gè)是柔性交直流輸電技術(shù)，它解決了清潔能源并網(wǎng)的問(wèn)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(shí)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(lái)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(gè)是儲(chǔ)能技術(shù)，清潔能源的消納、吸收、利用好，儲(chǔ)能技術(shù)也是必須的，沒(méi)有儲(chǔ)能技術(shù)，我們沒(méi)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(gè)概念的是美國(guó)電科院的Hingorani博士，通過(guò)在電力系統(tǒng)中裝電力電子裝置，增強(qiáng)對(duì)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(huì)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(huì)對(duì)裝置拓?fù)鋷ЫY(jié)構(gòu)來(lái)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(huì)進(jìn)一步提高，發(fā)展成碳化硅器件，這個(gè)時(shí)候功率密度會(huì)進(jìn)一步加大，電壓會(huì)進(jìn)一步的提升，從現(xiàn)在千伏級(jí)的器件提升到萬(wàn)伏級(jí)的器件，到那時(shí)候又會(huì)有很多新型的拓?fù)?，所以我們常說(shuō)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(wú)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(gè)主要的部分，一個(gè)是柔直，這個(gè)名字是我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)在電科院時(shí)取的，我們當(dāng)時(shí)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(shí)注冊(cè)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(guò)有功無(wú)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(wú)功像無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，在四個(gè)象限運(yùn)行，所以非常靈活，既可以發(fā)有功，可以發(fā)無(wú)功，四個(gè)象限毫秒級(jí)的調(diào)整工作狀態(tài)，這是以往我們?nèi)魏蝹鹘y(tǒng)的電動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)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(wú)功的調(diào)節(jié)更加靈活迅速，常規(guī)直流是不能發(fā)無(wú)功的，柔性直流既可以發(fā)有功，可以發(fā)無(wú)功。
另外一個(gè)特別重要的方面，柔直相對(duì)于常規(guī)直流，沒(méi)有換相失敗問(wèn)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(lái)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(wèn)題。柔直沒(méi)有常規(guī)直流所需濾波及無(wú)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(gè)功率方向，得導(dǎo)極性，要構(gòu)成網(wǎng)，功率方向不能隨時(shí)控制，電網(wǎng)怎么運(yùn)行?柔直就沒(méi)有這樣的問(wèn)題，它的功率方向都是瞬間就變過(guò)來(lái)。
柔直主要的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)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(guó)內(nèi)主要的柔直工程，一個(gè)是南匯風(fēng)電場(chǎng)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(shí)達(dá)到了全球電壓等級(jí)最高，容量最大的。再就是渝鄂柔直聯(lián)網(wǎng)工程。
這個(gè)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(gè)直流電網(wǎng)工程?？梢哉f(shuō)全世界搞電力電子，搞直流輸電，特別是歐洲的專家們夢(mèng)想了十多年都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，我們?cè)谶@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(jí)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(chǔ)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(huì)場(chǎng)所，送到北京，舉辦冬奧會(huì)，也是對(duì)它的一個(gè)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(lái)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(lái)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(gè)，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(wú)功補(bǔ)償STATCOM，其實(shí)它倆的作用基本是一樣的，只不過(guò)一個(gè)用半控器件，一個(gè)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(gè)是用半控器件，一個(gè)是用全控器件。
再有就是更綜合性的FACTS，國(guó)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(gè)可控變量同時(shí)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(méi)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(dòng)一樣。并聯(lián)型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，比如SVC是用晶閘管對(duì)電容、電抗等無(wú)源無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行投切和調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，STATCOM調(diào)節(jié)VSC輸出電壓幅值控制輸出無(wú)功功率大小和方向?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，響應(yīng)速度快。SVG是無(wú)功發(fā)生器，無(wú)功發(fā)生器再跟儲(chǔ)能結(jié)合，既可以發(fā)無(wú)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(lái)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(lái)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(wàn)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(lái)，還有降低子模塊電流的容值，這是未來(lái)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)?。器件的水平?huì)不斷提升，向更高電壓、定制化方向發(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(lái)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(guò)，就會(huì)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(wàn)伏級(jí)，這樣體積就會(huì)縮小到原來(lái)的五分之一、四分之一。
另一個(gè)趨勢(shì)是儲(chǔ)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(lái)變成柔性電網(wǎng)，從鐵疙瘩為主變成半導(dǎo)體化。
氫儲(chǔ)能是未來(lái)應(yīng)用于電網(wǎng)中非常重要的一個(gè)儲(chǔ)能技術(shù)方向
簡(jiǎn)要介紹一下我們儲(chǔ)能現(xiàn)在在電網(wǎng)中的一些技術(shù)，主要包括機(jī)械儲(chǔ)能，還有超導(dǎo)儲(chǔ)能，化學(xué)儲(chǔ)能，各種電池，還有氫儲(chǔ)能也是非常重要的一個(gè)方向。在氫儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)。
最后這一部分主要是各種電化學(xué)儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及發(fā)展趨勢(shì)，沒(méi)有時(shí)間一一細(xì)講了。
