3月16日，國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院科研團(tuán)隊在國家電網(wǎng)有限公司電能替代技術(shù)聯(lián)合實驗室，開展柔性交直流混合配電網(wǎng)故障特性分析和裝置測試。
為推動柔性交直流混合配電網(wǎng)技術(shù)落地應(yīng)用，天津電科院科研團(tuán)隊歷時多年，開展“柔性交直流混合配電網(wǎng)保護(hù)與自愈控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項目攻關(guān)。項目成果日前獲得2021年度天津市技術(shù)發(fā)明特等獎。這也是國網(wǎng)天津電力首次作為第一完成單位獲得省部級技術(shù)發(fā)明特等獎。
前瞻研究 組建產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)團(tuán)隊
隨著新型電力系統(tǒng)構(gòu)建，電源、電網(wǎng)和負(fù)荷格局發(fā)生變化，給傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。柔性交直流混合配電網(wǎng)在高比例新能源、新型負(fù)荷接入等方面優(yōu)勢突出，具有良好的發(fā)展前景。
柔性交直流混合配電網(wǎng)的運(yùn)行和故障特性與傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)迥異，其保護(hù)控制技術(shù)承擔(dān)著第一時間處置故障的任務(wù)，是國內(nèi)外在這一領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。國網(wǎng)天津電力將柔性交直流混合配電網(wǎng)項目作為天津智慧能源小鎮(zhèn)創(chuàng)新示范工程的重點(diǎn)項目，率先開展相關(guān)研究。
天津電科院科研人員開展柔性交直流混合配電網(wǎng)故障特性分析和裝置測試。張揚(yáng) 攝
“發(fā)現(xiàn)故障、隔離故障、故障后穩(wěn)定控制是切除故障的重要環(huán)節(jié)，而故障發(fā)生初期精準(zhǔn)辨識難、故障發(fā)生中期快速隔離難、故障發(fā)生后期平穩(wěn)自愈難是研發(fā)初期我們面臨的三大技術(shù)難題。在國際上無先例可循的前提下，想從基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備研制再到工程應(yīng)用取得突破，創(chuàng)造出可復(fù)制、可推廣的創(chuàng)新成果并不容易。”天津電科院科研團(tuán)隊主創(chuàng)人員袁中琛在回顧科研攻關(guān)歷程時說。
在863計劃、國家自然科學(xué)基金等相關(guān)課題的支持下，2011年，國網(wǎng)天津電力牽頭，與天津大學(xué)、南瑞繼保、天津三源智能制造等單位在天津電科院組建科研、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用協(xié)同的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊，從故障辨識、可靠限流、快速自愈三方面入手，全面推進(jìn)項目研究和成果落地應(yīng)用。
項目深度融合電網(wǎng)生產(chǎn)應(yīng)用需求和各單位技術(shù)專長，下設(shè)3個子課題技術(shù)組。各課題技術(shù)組按照任務(wù)分工與協(xié)作單位對接，從研發(fā)、應(yīng)用和成果目標(biāo)等維度細(xì)化節(jié)點(diǎn)計劃，常態(tài)化溝通交流，實行定期技術(shù)聯(lián)絡(luò)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)督導(dǎo)和階段成果評審機(jī)制，并及時做好攻關(guān)過程中的總結(jié)評估和再部署、再推動，保證課題的研究進(jìn)度和質(zhì)量。
科研團(tuán)隊開始學(xué)習(xí)前沿技術(shù)，參考多項國內(nèi)外柔性直流配電系統(tǒng)典型供電模式和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。按照節(jié)點(diǎn)計劃，團(tuán)隊開始了艱辛的理論探索和技術(shù)攻關(guān)。
攻堅克難 突破關(guān)鍵技術(shù)難題
直流快速保護(hù)原理和裝置在當(dāng)時屬于國際首創(chuàng)，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)都沒有成熟可靠的暫態(tài)量算法的研發(fā)經(jīng)驗。“柔性交直流混合配電網(wǎng)保護(hù)與自愈控制技術(shù)采用數(shù)學(xué)算法，通過辨識故障電流電壓與正常運(yùn)行時的差別來判斷故障。而在2015年，國內(nèi)外既沒有成熟的軟件系統(tǒng)和算法，也沒有成熟的硬件平臺作為載體。”袁中琛說。
科研團(tuán)隊在研究出直流暫態(tài)量保護(hù)原理后，自主開展軟硬件系列研發(fā)工作。有一次，團(tuán)隊成員在進(jìn)行某算法編程開發(fā)時，發(fā)現(xiàn)實驗過程中總是出現(xiàn)暫態(tài)量提取結(jié)果削頂?shù)默F(xiàn)象，與理論分析不符。對此，團(tuán)隊集思廣益，開展專題研討和理論分析。經(jīng)過上百次仿真計算和模擬測試，他們確定該現(xiàn)象是由高頻段的二次抽取導(dǎo)致的信號丟失造成的，并提出了新型改進(jìn)算法，解決了傳統(tǒng)算法的信號丟失問題。
傳統(tǒng)的直流故障限流方法一般是加裝限流電抗器，但這既會影響系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)速度和運(yùn)行穩(wěn)定性，又會阻礙斷路器快速熄弧。如何實現(xiàn)故障電流的有效抑制與快速開斷是柔性交直流混合配電網(wǎng)故障隔離的核心技術(shù)難點(diǎn)。
科研團(tuán)隊經(jīng)過數(shù)百次的拓?fù)涮剿髋c理論驗證，確定了技術(shù)方案。然而工程應(yīng)用不同于理論研究，在整個方案幾近完成時，實驗驗證環(huán)節(jié)卻難以得到和仿真模型同樣完美的波形。這也就無法滿足實際工程對電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求。
為此，團(tuán)隊反復(fù)開展仿真計算和模擬測試，在驗證近百種設(shè)想后，創(chuàng)新提出了“預(yù)動作”的控制策略，首創(chuàng)了自適應(yīng)限流的直流故障開斷方案。“采用‘預(yù)動作’的方法，增加了負(fù)荷支路，也就是平時工作電流走負(fù)荷支路，主支路開路備用，在有故障時，先將主支路閉合、負(fù)荷支路斷開，讓緩沖電路電容放電，當(dāng)接收到跳閘指令時，斷開主支路。若無跳閘指令，則閉合負(fù)荷支路斷開主支路，回到正常工作狀態(tài)。”袁中琛介紹。“預(yù)動作”的控制策略實現(xiàn)限流電抗器在系統(tǒng)運(yùn)行正常態(tài)與故障態(tài)的自適應(yīng)快速投切，解決了工程實際問題。
經(jīng)過千百個日夜的奮戰(zhàn)，團(tuán)隊完成了柔性交直流混合配電網(wǎng)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究、設(shè)備研制和工程應(yīng)用，攻克了柔性交直流混合配電網(wǎng)保護(hù)與自愈控制世界級難題，實現(xiàn)了交直流配電網(wǎng)故障“準(zhǔn)辨識-速隔離-穩(wěn)自愈”重大突破，為示范工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
落地應(yīng)用 打造智慧示范工程
“柔性交直流混合配電網(wǎng)保護(hù)與自愈控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項目成果包括直流配電線路保護(hù)和新型直流故障限流裝置、交直流混合配電網(wǎng)故障自愈控制系統(tǒng)等在內(nèi)的核心裝備與平臺。成果已于2020年整體應(yīng)用于天津北辰大張莊智慧能源小鎮(zhèn)交直流混合配電網(wǎng)，并先后推廣至江蘇、浙江等地的柔性交直流混合配電網(wǎng)示范工程和北京大興國際機(jī)場軌道交通系統(tǒng)，大幅縮短了故障隔離和恢復(fù)時間，提升了應(yīng)用區(qū)域的供電可靠性。
在天津北辰大張莊智慧能源小鎮(zhèn)，交直流混合配電網(wǎng)正為這里的直流智能樓宇及電梯、空調(diào)、顯示大屏等22種直流用電設(shè)備提供著源源不斷、穩(wěn)定可靠的綠色電源。集成在開關(guān)柜中的保護(hù)裝置及整套自愈控制系統(tǒng)默默守護(hù)著整個供電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全。
“直流系統(tǒng)如果發(fā)生故障通常發(fā)展很快，達(dá)到電流峰值不到10毫秒，容易燒毀一次設(shè)備。我們的技術(shù)成果應(yīng)用后，從發(fā)現(xiàn)故障到切除故障只需7毫秒，故障電流也被抑制在極低水平。”天津電科院電網(wǎng)中心副主任姚程介紹，“打個比方，我們這項技術(shù)就像柔性交直流混合配電網(wǎng)的‘貼身保鏢’，能準(zhǔn)確識別并快速切除直流線路上的故障，保障供電網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行。應(yīng)用該技術(shù)后，用戶幾乎感受不到電力系統(tǒng)的故障擾動，供電質(zhì)量大幅提升。”
天津北辰大張莊智慧能源小鎮(zhèn)的一汽富維本特勒汽車零部件(天津)有限公司主要生產(chǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和碰撞強(qiáng)度較高的汽車精密部件，對電能質(zhì)量要求很高，電壓的細(xì)微變化可能影響設(shè)備正常運(yùn)行和零部件質(zhì)量。該公司的一級負(fù)荷為78臺電焊機(jī)器人，屬于極敏感負(fù)荷，一旦電壓低于98%就有可能生產(chǎn)出次品。
“現(xiàn)在我們生產(chǎn)時的電壓質(zhì)量大幅提升。柔性交直流混合配電網(wǎng)技術(shù)僅投運(yùn)8個月，就節(jié)省了我們因治理電能質(zhì)量引發(fā)的成本近106萬元。”一汽富維本特勒公司設(shè)備部部長袁義波說。
交直流混合配電網(wǎng)技術(shù)成果在天津等地投運(yùn)以來，保護(hù)動作正確率達(dá)100%，保障了新能源零脫網(wǎng)、設(shè)備零損壞、電壓零閃動，為區(qū)域內(nèi)智能制造、精密儀器等企業(yè)發(fā)展提供了可靠的供電保障。（張揚(yáng)）
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