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【探究】智能电网中多源多变换复杂交直流系统

2015-09-29 00:05
雷本祖
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  能源是国家经济增长和社会发展的重要支柱。自20世纪80年代以来,在诸多因素的主导与推动下,能源行业其技术基础、组织结构与经济模式一直处于逐渐变革的状态,以期最终建立起更加高效、安全与可持续的环境友好型能源利用模式,从而解决能源资源配置这一人类社会面临的重大难题。

  美国能源机构认为,今后10年内,全球能源需求估计会增长50%以上,其中工业化国家的需求将增长23%,发展中国家因起点低,能源需求量将增长1倍以上,特别是中国的能源需求量增长将非常突出,必然影响全球能源市场,发达国家与发展中国家以及美国与欧洲国家之间争夺世界能源资源的局面可能会加剧。

  电能作为一种可灵活方便使用的二次能源形式,一直是人们关注和研究能源问题的重点。根据美国能源信息部发布的《年度能源评估2011》,如图1所示,在其一次能源的消费结构表中约有40%的一次能源是经转变为电能后再利用,电能在能源消费结构中占据主导地位,其中约31%的天然气,54%的可再生能源,92%的煤转换为电能,而原子能则完全以电能的形式利用。

  图1 美国2011年一次能源消费结构

  另一方面,2014年全球新能源发展报告表明(见图2):

  1)2013年全球发电量能源类型构成中,化石燃料发电量占全球总发电量的比重为70%,与2012年70.5%相比略有下降,而新能源发电在2013年仍延续了高速增长的趋势,同比增速达13%,占全球发电量总额的5.2%,与总体发电量增速缓慢形成对比;

  2)2013年全球发电累计装机容量达到5733.2GW,新增装机容量280GW,中国累计装机容量达到1247GW,跃居世界第一,新增装机容量超过100GW,增速9%,其中非化石燃料装机新增容量58.3GW,所属风电和光伏新增装机容量分别为16.1GW和12GW。截止到2013年,中国可再生能源总装机容量(不包括水力发电)116GW,位居世界第一,其后依次为美国、德国、西班牙、意大利及印度。

  世界各能源消耗大国均致力于可再生能源的开发与利用,中国在紧跟发达国家发展步伐的同时正走出一条独特的发展道路。

  图2 2013年世界各国可再生能源发电量累计装机容量

  综上所述,开发利用新能源、节能减排、建设新一代电网已成为世界许多国家,包括中国在内的能源发展的重要战略部署,并逐渐产生了以清洁能源替代和以电能替代为主导的能源开发理念,以期提高能源的利用率和应对全球能源环境危机。

  总结以上发展特点和关键技术需求,为适应能源发展战略和新能源利用,未来新一代电力系统将呈现出电源类型多、电能变换形式多、电力变换器数量多以及负荷类型需求多的“新概念电网”。

  图3构想了新一代电网中多源多变换复杂交直流系统的组成框架。在电源侧,除了传统的大型火力和水力发电基地外,还包括规模化风电和规模化光伏发电基地,它们均通过电力电子变换器集中并网。

  这些大规模集中式发电厂通常距离负荷中心较远,因此需要大容量、高电压、远距离电力输送。特(超)高压交流或多端柔性直流输电、固定或可控串联补偿是提高远距离输电能力和电网功率灵活控制能力的经济有效措施,也是未来输电网构架的基本组成单元。

  在配网侧,除了传统的通过电力电子变换器从系统取用电能的无源负荷外,还包含同样经过电力变换器接入配网的中小型风力发电和光伏发电等分布式电源以及由分布式电源、储能、负荷构成的以变换器作为接口的微电网系统。

  未来电网将从传统的发、输、配、荷的垂直单一模式,转变为含多电力电子变换的功率与信息双向流动模式。因此面对这一革命性变化,新一代电网中新的科学基础问题以及新的关键技术将被不断提出,并将引起极大关注。

  本文首先总结和分析了新一代电网发展的6个显著特点,然后提出了其核心问题——电力电子化中包含的5项关键技术,最后详细讨论和梳理了多源多变换复杂交直流系统中的基础问题。

  图3 新一代电网的框架构想

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