防冰減災(zāi)技術(shù)及其裝備在新型電力系統(tǒng)中的拓展應(yīng)用

貴州省地處云貴高原，冬季從北方來的冷空氣與從南方爬升的暖濕氣流在此交匯，形成特殊的“準(zhǔn)靜止鋒”，加之氣溫常在零攝氏度以下徘徊，獨特的地理和氣候環(huán)境極易造成冰雪凝凍災(zāi)害。據(jù)貴州省氣象局的統(tǒng)計，從1961年至今，貴州省共有119次省級冰凍過程，出現(xiàn)次數(shù)之多、持續(xù)時間之長、危害程度之高均位居全國首位。2008年初，貴州電力系統(tǒng)遭受了最嚴(yán)重的冰凍災(zāi)害，給貴州電力系統(tǒng)造成巨大損失，對社會民生帶來巨大影響。

2008年冰災(zāi)后，貴州電網(wǎng)公司在南方電網(wǎng)公司的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮下，投入巨額科研資金，研發(fā)了一系列直流融冰裝置以應(yīng)對電網(wǎng)冰災(zāi)，并大規(guī)模推廣應(yīng)用。從第一代以晶閘管為器件的直流融冰裝置、第二代帶SVC功能的直流融冰裝置，逐步發(fā)展到第三代以IGBT為器件的新型柔性直流融冰裝置。至今共有61套各種直流融冰裝置在貴州電力系統(tǒng)中應(yīng)用，其中第三代新型柔性直流融冰裝置4套。這些防冰技術(shù)裝備極大地減輕了貴州電力系統(tǒng)的冰災(zāi)損失，但在較長的時間范圍內(nèi)，全球氣候變暖的趨勢還不會發(fā)生根本轉(zhuǎn)變，極端氣候條件出現(xiàn)的概率還在增大，冰雪凝凍災(zāi)害還將是貴州電力系統(tǒng)長期面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

高比例新能源接入是貴州電力系統(tǒng)面臨的新問題

貴州電力系統(tǒng)火電為主力、水火共濟的電網(wǎng)面臨高比例新能源接入的問題。根據(jù)《貴州省電力發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，至2025年，全省裝機容量風(fēng)電900萬千瓦、光伏3100萬千瓦、生物質(zhì)發(fā)電85萬千瓦，新能源總裝機容量達(dá)到4085萬千瓦，占比超過40%；預(yù)計2030年，全省風(fēng)電裝機容量1300萬千瓦、光伏4700萬千瓦、生物質(zhì)發(fā)電285萬千瓦、抽水蓄能270萬千瓦，新能源裝機占比接近60%。

隨著風(fēng)、光、生物質(zhì)等新能源發(fā)電裝機容量呈爆炸性增長，必將給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。首先，風(fēng)光等新能源發(fā)電裝機不同于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機組，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性均與傳統(tǒng)水火機組大不一樣，其大規(guī)模接入將對電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定帶來極其深遠(yuǎn)的影響。光伏發(fā)電依靠太陽能，完全沒有轉(zhuǎn)動慣量，無法向系統(tǒng)提供阻尼。變速恒頻風(fēng)電機組采用電力電子裝置上網(wǎng)，使得電磁功率與機械功率解耦，無法向電網(wǎng)提供轉(zhuǎn)動慣量，對電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定也產(chǎn)生不利影響。其次，風(fēng)力和光伏發(fā)電的出力均不穩(wěn)定，受氣象環(huán)境條件的限制較大，盡管風(fēng)光出力預(yù)測已越來越準(zhǔn)確，但在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)調(diào)峰和新能源消納依然面臨巨大挑戰(zhàn)。最后，變速風(fēng)電機組在連續(xù)運行和切換過程中，會產(chǎn)生電壓波動和閃變，帶來高次諧波，還會產(chǎn)生電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題。

柔性直流融冰裝置的功能復(fù)用技術(shù)探索

為解決風(fēng)、光等新能源大規(guī)模接入帶來的頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定問題，利用柔性直流輸配電技術(shù)，建立新型“源、網(wǎng)、荷、儲”互聯(lián)互補電力網(wǎng)絡(luò)，以提升高比例新能源送端局部電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和諧波抑制能力，變得勢在必行。結(jié)合貴州電網(wǎng)新能源富集的西部地區(qū)同時也是電力系統(tǒng)的重冰區(qū)的特點，可以優(yōu)先在貴州畢節(jié)、六盤水等新能源富集地區(qū)建設(shè)大容量柔性直流融冰裝置的同時，試點建設(shè)集中式儲能電站，包括網(wǎng)側(cè)儲能調(diào)節(jié)和新能源柔性接入“一體多用”，做到抵御冰災(zāi)與應(yīng)對新能源大規(guī)模接入的“一箭雙雕”。

第三代新型柔性直流融冰裝置采用基于全橋型MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與STATCOM裝置結(jié)構(gòu)完全一致，僅是應(yīng)用場景不同。在貴州電網(wǎng)現(xiàn)有建設(shè)的柔性直流融冰裝置中，已實現(xiàn)直流融冰與動態(tài)無功補償?shù)墓δ軓?fù)用。隨著貴州電網(wǎng)西部地區(qū)新能源接入比例的日趨提高，迫切需要解決間歇性電源的調(diào)節(jié)問題和“雙高”電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題。在現(xiàn)有柔性直流融冰技術(shù)的基礎(chǔ)上延展其功能，研發(fā)更新一代的兼具直流融冰功能與功率變換功能的通用能量路由裝置。該裝置在前述直流融冰和無功補償功能復(fù)用的基礎(chǔ)上，在直流側(cè)引入大容量儲能裝置，利用電力電子暫態(tài)響應(yīng)速度快(通?？梢赃_(dá)到10毫秒以內(nèi))的特點，大型儲能站系統(tǒng)可以在電網(wǎng)故障時，快速向系統(tǒng)注入有功功率，從而提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。同時，大型集中式變電站儲能系統(tǒng)還有利于新能源的消峰填谷，降低新能源棄風(fēng)棄光的概率。

積極攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù) 拓展防冰裝備應(yīng)用場景

貴州電網(wǎng)對直流融冰裝置兼具網(wǎng)側(cè)儲能的技術(shù)路線進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研和分析。由于輸電線路直流融冰的硬性要求，柔性直流融冰裝置的容量通常都比較大，十分有利于功能復(fù)用的大容量儲能站建設(shè)。但為了實現(xiàn)輸電長線路的融冰，柔性直流融冰裝置的直流輸出電壓較高，通常大于±10千伏。為此，利用柔性直流融冰裝置的直流母線作為共用母線，需要解決電化學(xué)儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的直流電壓匹配問題，以及解決蓄電池組接入中壓直流母線(±10千伏、±20千伏)的問題。一條可行的技術(shù)路線是將蓄電池組經(jīng)DC/DC升壓制成功能子模塊，再將多個功能子模塊采用級聯(lián)模式串聯(lián)接入中壓直流母線，每一個串聯(lián)支路可以模塊化設(shè)計、模塊化制造。更多模塊化支路并聯(lián)，匯聚于同一條中壓直流母線，可以形成大型儲能站系統(tǒng)。目前國內(nèi)尚未有成熟樣機，貴州電網(wǎng)由于具備柔性直流融冰裝置應(yīng)用場景這一先天優(yōu)勢，很可能實現(xiàn)這一新技術(shù)的研究突破和示范應(yīng)用。

貴州省電力系統(tǒng)新能源富集的地區(qū)同時也是電力系統(tǒng)的重冰區(qū)，使得防冰需求與新能源大規(guī)模接入的需求高度重合。因而，在貴州省新型電力系統(tǒng)建設(shè)過程中，做好前期規(guī)劃，統(tǒng)籌建設(shè)需求，可將為新能源大規(guī)模接入而新建的變電站，打造成兼具直流融冰功能與功率變換功能的通用能量路由節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)源荷儲的協(xié)同，在提升新能源消納能力的同時，提升電網(wǎng)應(yīng)對極端天氣的韌性。另外，針對貴州電網(wǎng)已部署的幾十套融冰裝置，可考慮在未來由于老化而改造和更新時，從規(guī)劃設(shè)計上統(tǒng)籌考慮，保障替代裝置在直流融冰和功率變換上的功能復(fù)用。為此，貴州電網(wǎng)應(yīng)利用南網(wǎng)防冰減災(zāi)聯(lián)合實驗室平臺，采用產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新模式，部署相關(guān)項目研究，攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵裝備，并進(jìn)行示范應(yīng)用，為構(gòu)建具有貴州特色的以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。