2024年面向雙高電力系統(tǒng)發(fā)展需求的柔性直流輸電技術(shù)報(bào)告

面向雙高電力系統(tǒng)發(fā)展需求的柔性直流輸電技術(shù)南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司L提綱I.雙高電力系統(tǒng)發(fā)展II.柔性直流輸電的應(yīng)用基礎(chǔ)V.總結(jié)2雙高電力系統(tǒng)發(fā)展占總裝機(jī)的58.2%,新增清潔能源發(fā)電量占全社會(huì)用電增量一半以上超過(guò)50%新能源-電源總裝機(jī)容量裝機(jī)容量比例裝機(jī)容量3雙高電力系統(tǒng)發(fā)展南方電網(wǎng)新能源發(fā)展：2024年已成為最大的裝機(jī)電源；預(yù)計(jì)2035年前成為第一大發(fā)電量的電源；預(yù)計(jì)到2060年成為全網(wǎng)發(fā)電量的主體電源-2024年春節(jié)期間，受新能透率最高達(dá)到54.8%,高比例的新能源對(duì)電力供應(yīng)保障、系統(tǒng)安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)2020年2025年2030年2035年2040年2050年2060年新能源裝機(jī)容量南網(wǎng)新能源滲透率4雙高電力系統(tǒng)發(fā)展傳統(tǒng)電網(wǎng)傳統(tǒng)電網(wǎng)負(fù)荷雙高電力系統(tǒng)特征5雙高電力系統(tǒng)發(fā)展隨著新能源和電力電子裝置在電力系統(tǒng)的滲透率不斷提升，雙高電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，調(diào)頻、調(diào)壓能力不足，安全問(wèn)題日益突出，存在潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)澳大利亞，2016年9月28日事故前，澳大利亞南部風(fēng)/光發(fā)電占比約48%。事故當(dāng)日，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)等系列故障，最終演變成持續(xù)50個(gè)小時(shí)的全州大停電。本次事故主要原因與系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不足、風(fēng)機(jī)連續(xù)低電壓穿英國(guó)，2019年8月9日由于風(fēng)電場(chǎng)和分布式光伏非正常脫網(wǎng)，導(dǎo)失機(jī)組1691MW,切除負(fù)荷931MW。本次事故過(guò)程中，網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電、分布式電源耐受異常電壓、頻率的能力不足，產(chǎn)生連鎖反6雙高電力系統(tǒng)發(fā)展和革芫X功率模塊功率模塊功率模塊和革芫X功率模塊功率模塊功率模塊直流側(cè)正極母線(xiàn)橋臂功率模塊功率模塊Lo直流側(cè)L功率模塊功率模塊功率模塊功平模塊功率模塊功率模塊功率模塊直流側(cè)負(fù)極交流電網(wǎng)77雙高電力系統(tǒng)發(fā)展雙高電力系統(tǒng)的發(fā)展亟需柔性直流在現(xiàn)有應(yīng)用基礎(chǔ)上突破新型關(guān)鍵技術(shù)柔性直流需具備電網(wǎng)構(gòu)造控制能力，進(jìn)一步提升對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)支撐作用柔性直流需研發(fā)新型功率器件和換流拓?fù)?，?shí)現(xiàn)容量更大、性能更強(qiáng)、更加經(jīng)濟(jì)高效短路電流控制諧波治理電壓穩(wěn)定阻尼控制8提綱II.柔性直流輸電的應(yīng)用基礎(chǔ)V.總結(jié)9柔性直流輸電的應(yīng)用現(xiàn)狀我國(guó)已投運(yùn)12項(xiàng)柔性直流工程，主要用于風(fēng)電送出、電網(wǎng)互聯(lián)、遠(yuǎn)距離輸電和無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電渝鄂背靠背魯西背靠背●2016年8月青州海上風(fēng)電送出工程●2022年招標(biāo)廣東背靠背張北柔直工程上海南匯風(fēng)電接入●2011年8月中海油文昌油田平臺(tái)供電●2011年3月昆柳龍直流工程南澳工程●2013年12月如東海上風(fēng)電送出工程舟山五端柔直工程●2014年廈門(mén)柔直工程●2015年12月白鶴灘工程●預(yù)計(jì)2022年柔性直流輸電的應(yīng)用現(xiàn)狀截止2021年，國(guó)際上已經(jīng)投運(yùn)的柔性直流工程達(dá)54個(gè)，總變電容量約63GW,主要分布在歐洲和我國(guó)。數(shù)量上，我國(guó)占比20.4%;容量上，我國(guó)占比55%因不依賴(lài)電網(wǎng)且對(duì)電網(wǎng)友好，柔性直流在歐洲被大量用于海上風(fēng)電和跨國(guó)互聯(lián)工程數(shù)量工程數(shù)量變電容量/GW55000直流電壓—個(gè)直流電壓—個(gè)Hellsjon容拿魯西張北0柔性直流技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀得到了廣泛應(yīng)用新能源送出新能源送出中低壓配網(wǎng)電網(wǎng)互聯(lián)電網(wǎng)互聯(lián)遠(yuǎn)距離輸電柔性直流技術(shù)柔性直流技術(shù)壓電中交流微電網(wǎng)提綱II.柔性直流輸電的應(yīng)用基礎(chǔ)V.總結(jié)電壓源自主負(fù)載變化負(fù)載同步負(fù)荷電流源電壓源自主負(fù)載變化負(fù)載同步負(fù)荷電流源負(fù)載電網(wǎng)不提供短路電流風(fēng)力發(fā)電機(jī)負(fù)荷電壓弱，電網(wǎng)故障恢復(fù)難度加大。的電力電子設(shè)備自身穩(wěn)定能力變?nèi)?。弱慣量：隔離了風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電力系弱阻尼：新能源與弱電網(wǎng)的相互耦合加強(qiáng)，系統(tǒng)寬頻振蕩現(xiàn)象頻發(fā)。技術(shù)背景為解決新型穩(wěn)定性問(wèn)題，并應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)慣量降低、電壓支撐能力不足的問(wèn)題———增設(shè)大型調(diào)相機(jī)、分布式調(diào)相機(jī)或抽水蓄能機(jī)組，電機(jī),能夠提供無(wú)功支撐和短時(shí)有功支撐，具有維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定的作用方案2方案2以構(gòu)網(wǎng)技術(shù)為核心構(gòu)建具有電壓源特性的電力電子國(guó)內(nèi)外主要構(gòu)網(wǎng)型電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范序號(hào)1HighPenetrationofPoweContributionofGridFormingCENTSO-E(歐洲)2GuidelineGridformingbehaviorofHVDCsystemsVDEFNN(德國(guó))3GC0137MinimumSpecificationRequiredNGESO(英國(guó))4DynamicModelAcceptanceTestGuidelineAEMO(澳大利亞)5FINGRID(芬蘭)6GridFormingFunctionalSpecificationsforBPSNERC(美國(guó))7GB/T38983.1-2020《虛擬同步機(jī)第1部分：總則》國(guó)標(biāo)委(中國(guó))8《構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》T/CES243-2023《構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)測(cè)試規(guī)范》T/CES244-2023電工技術(shù)學(xué)會(huì)(中國(guó))9《構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能變流器技術(shù)規(guī)范》(征求意見(jiàn)稿)(中國(guó))構(gòu)網(wǎng)定義與基礎(chǔ)直流電容電壓控制虛擬同步機(jī)功率同步控制虛擬振蕩器控制匹配控制虛擬同步發(fā)電機(jī)負(fù)載頻率控制混合同步控制同步變流器下垂控制特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度較快；具備慣性和阻尼特性；匹配控制本質(zhì)上基于功率同步；構(gòu)網(wǎng)定義與基礎(chǔ)構(gòu)網(wǎng)技術(shù)目前尚未有明確統(tǒng)一的定義。當(dāng)前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為構(gòu)網(wǎng)是具備自同步電壓源特性，可自行構(gòu)建系統(tǒng)電壓/頻率，并可在次暫態(tài)到暫態(tài)時(shí)間尺度內(nèi)維持恒定或基本恒定的電壓源外特性構(gòu)網(wǎng)技術(shù)三大基礎(chǔ)：構(gòu)網(wǎng)策略提供控制基礎(chǔ)、能量存儲(chǔ)單元如鋰電池、超級(jí)電容提供能量基礎(chǔ)、器件高過(guò)載提供拓?fù)溆布A(chǔ)-2020構(gòu)網(wǎng)控制策略構(gòu)網(wǎng)控制策略單元能力構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備可分為風(fēng)電變流器、光伏逆變器、儲(chǔ)能變流器、SVG和柔性直流換流閥等不同類(lèi)型，不同類(lèi)型設(shè)備對(duì)電網(wǎng)支撐能力有差異柔性直流容量大，柔性直流構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的支撐作用非常重要設(shè)備能力capability風(fēng)電光伏單機(jī)容量中等中等慣量支撐√√√×√一次調(diào)頻√√√×√電壓支撐√√√√√慣量支撐能量來(lái)源風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能有功備用電池/電容/對(duì)端電網(wǎng)柔性直流構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)構(gòu)網(wǎng)型柔性直流輸電技術(shù)，在調(diào)頻、電壓穩(wěn)定、阻尼振蕩等方面具備支撐電網(wǎng)作用，提升電網(wǎng)對(duì)新能源的消納建立系統(tǒng)電壓1黑啟動(dòng)7722諧波/不平衡抑制諧波/不平衡抑制慣量支撐6慣量支撐3故障電流調(diào)控故障電流調(diào)控4545跟網(wǎng)型柔直主要采用獨(dú)立有功無(wú)功解耦控制模式，對(duì)外呈現(xiàn)受控電流源特性，依賴(lài)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步，弱系統(tǒng)下難以穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)網(wǎng)型柔直對(duì)外呈現(xiàn)受控電壓源特性，通過(guò)功率控制實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步，可瞬時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)故障，具有良好的弱電網(wǎng)適應(yīng)性響應(yīng)速度通常小于10ms,☆☆柔性直流構(gòu)網(wǎng)工程案例-時(shí)間應(yīng)用地點(diǎn)步控制，實(shí)現(xiàn)送端短路比1.2,受端1.0的弱系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行張北直流電網(wǎng)送端起初采用V/f控制，出現(xiàn)振蕩后采取虛擬同步機(jī)控制連接遠(yuǎn)海風(fēng)場(chǎng)，為系統(tǒng)提供電壓和慣量主動(dòng)支撐特斯拉將150MW級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)加裝構(gòu)網(wǎng)控制方式南澳約克半島主網(wǎng)支撐微網(wǎng)頻率和電壓，實(shí)現(xiàn)100%新能源穩(wěn)定運(yùn)行國(guó)內(nèi)首座大型構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能電站1.678MW光伏，IMWh/2MWh儲(chǔ)能全球首次構(gòu)網(wǎng)型光儲(chǔ)系統(tǒng)并網(wǎng)性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試全國(guó)首次在送端直流近區(qū)接入構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組規(guī)模最大的風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)100%新能源黑啟動(dòng)以及支撐孤網(wǎng)運(yùn)行河北建投康保風(fēng)電示范項(xiàng)目將并網(wǎng)點(diǎn)短路比技術(shù)邊界由1.5-1.8下探至1.2四川成都電網(wǎng)側(cè)構(gòu)網(wǎng)SVG項(xiàng)目世界首套電網(wǎng)側(cè)66kV構(gòu)網(wǎng)型SVG設(shè)備柔性直流構(gòu)網(wǎng)工程案例由ABB建設(shè)的CapriviLink柔直工程連接了南部非洲納米比亞和贊比亞的交流電網(wǎng)。該區(qū)域網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，采用傳統(tǒng)跟網(wǎng)型控制的柔直難以滿(mǎn)功率穩(wěn)定運(yùn)行本工程首次采用了構(gòu)網(wǎng)控制(功率同步控制),實(shí)現(xiàn)了送端短路比1.2,受端短路比1.0的極弱系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行七立子七立子焊A南非CapriviLink柔性直流輸電工程CapriviLink柔直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)25提綱II.柔性直流輸電的應(yīng)用基礎(chǔ)V.總結(jié)我國(guó)西北部大型新能源基地送出需求，大型海上風(fēng)電送出需求，新型電力系統(tǒng)柔高電壓6500V及以上、大電流5000A及以上、更高結(jié)溫150℃的IGBT工作結(jié)溫由125℃提升到150℃,過(guò)負(fù)荷能力提升30%653如東陽(yáng)江2流鄂1白鶴灘A4IGBT芯片結(jié)構(gòu)由平面柵向溝槽柵、精細(xì)溝槽柵發(fā)展。溝槽柵結(jié)構(gòu)相對(duì)平面柵結(jié)構(gòu)，電流密度提升20%,導(dǎo)通壓降降低15%左右；精細(xì)溝槽柵比起溝槽柵，柵極溝道更小，器件損耗可進(jìn)一步減小，相同電壓等級(jí)下器件損耗小約10%精細(xì)溝槽普通溝槽已研制出6500V/4000A、6500V/8000AIGCT,正在研制6500V/10000AIGCTCP-IGCT,可在設(shè)計(jì)在特定電壓下主動(dòng)擊穿，精度高，本征安全新型功率器件-SiCSiC材料具有3倍于硅材料的禁帶寬度，10倍于硅材料的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，3倍未來(lái)適用到柔直配電系統(tǒng)，SiC需要高電壓(≥10kV)、結(jié)溫(≥215℃)服務(wù)器、電滿(mǎn)足的應(yīng)用范圍信設(shè)備電源最高結(jié)溫由175℃提升到215℃,電壓等級(jí)/V大電流(≥100A)、高國(guó)內(nèi)外高壓SiC器件布局新型換流拓?fù)?MMC發(fā)展已有20年。電網(wǎng)中10kV以上應(yīng)用場(chǎng)景幾乎都首選MMC,應(yīng)區(qū)別發(fā)展高壓輸電領(lǐng)域短期內(nèi)仍以MMC為主體結(jié)構(gòu)，但可以集成更多功能。比如，全橋+半橋混合換流器集成了故障清除功能；能量自平衡柔直換流器集成了分布式耗能功能十全格量白平衡子模狹十全格量白平衡子模狹十耗能電阻耗能閥新型換流拓?fù)?能量自平衡換流閥拓?fù)?針對(duì)遠(yuǎn)距離新能源送出場(chǎng)景，系統(tǒng)故障時(shí)存在功率盈余的風(fēng)險(xiǎn)，影響設(shè)備安全常規(guī)方式：MMC+交直流耗能新方式：能量自平衡換流閥拓?fù)?送端交流耗能，取消直流耗能，受端交流故障時(shí)閥承受短時(shí)間暫態(tài)能量沖擊能力，解決新能源-柔性直流系統(tǒng)的能量平衡難題十螺交流耗能主要應(yīng)對(duì)直流單極閉鎖、直流架空線(xiàn)故障的能量不平衡問(wèn)題交流耗能新型換流拓?fù)?能量自平衡換閥拓?fù)溽槍?duì)交直流故障時(shí)百毫秒級(jí)別的暫態(tài)能量沖擊，南網(wǎng)科研院提出集成分布式耗能功能的換流閥新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在全站每個(gè)半橋/全橋功率模塊的直流側(cè)并聯(lián)由泄能電阻+泄能電能量自平衡的含義：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率模塊電容電壓，自動(dòng)控制泄能電阻的投入和退出。當(dāng)退出投入定值定值……功率模塊過(guò)壓保護(hù)定值能量自平衡支路動(dòng)作區(qū)間…穩(wěn)態(tài)最大模塊電壓…………穩(wěn)態(tài)最小模塊電壓態(tài)態(tài)工況工況新型換流拓?fù)?能量自平衡換流閥拓?fù)湫鼓茈娏﹄娮娱_(kāi)關(guān)選用焊接式IGBT,利用其開(kāi)路失效模式，在IGBT器件故障時(shí)將泄能電阻隔離，不影響換流閥的正常運(yùn)行，電壓等級(jí)應(yīng)與閥主開(kāi)關(guān)器件保持一致流流××√√×X√√√√√√富士×××××√√√時(shí)間/s不同電阻值時(shí)能量自平衡支路的泄放電流對(duì)比新型換流拓?fù)?能量自平衡換流閥拓?fù)淠芰孔云胶鈸Q流閥技術(shù)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)：受端交流故障后，通過(guò)換流閥泄能支路釋放不平衡能量，避免電容過(guò)壓，有助于降低換流閥功率模塊電容容值；直流架空線(xiàn)故障自清除時(shí)，通過(guò)換流閥泄能支路承受暫態(tài)能量沖擊，可有效降低全橋模塊數(shù)量以遠(yuǎn)距離特高壓柔直輸電系統(tǒng)中5000MW換流閥為例面積新型換流拓?fù)?能量自平衡換流閥拓?fù)?針對(duì)海上風(fēng)電柔性直流送出場(chǎng)景，同樣可取消直流耗能裝置，將耗能功能集成在送端柔性直流換流閥中，通過(guò)送端柔直閥與送端風(fēng)機(jī)耗能配合處理直流系統(tǒng)故障-節(jié)省了設(shè)備成本2.1億，節(jié)約陸上土地資源8300平方米換流閥7.1億元新型換流拓?fù)?高壓大模塊海上平臺(tái)、城市電網(wǎng)應(yīng)用等對(duì)電力電子裝備體積、重量敏感，緊湊化、高功率密度電力電子拓?fù)涫制惹薪陙?lái)，“高電壓、大模塊”成為研究熱點(diǎn)，如采用多器件串聯(lián)、三電平模塊兩器件串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)新型換流拓?fù)?二極管整流Diole臨Diole55臨體體新型換流拓?fù)?MCC積極發(fā)展非MMC的柔直拓?fù)洌呵迦A大學(xué)提出模塊化換向式兼顧了低頻調(diào)制、多電平輸出等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)關(guān)器件用量減少25%,相同容量下電容用量減少87%占占占占SM:半橋模塊串聯(lián)SM:半橋模塊串聯(lián)新型換流拓?fù)洳捎萌仄骷纳瓢肟仄骷糜谳旊姷募夹g(shù)不足可控?fù)Q相換流器CLCC:采用IGBT+晶閘管混合閥，解決換相失敗風(fēng)險(xiǎn)；主支路電流轉(zhuǎn)移到輔助支路輔品閘管閥V14避雷器可控?fù)Q相換流器CLCC混合換相換流器HCC多源自適應(yīng)換相換流器SLCC40新型換流拓?fù)?CLCC-可控?fù)Q相換流器CLCC:采用IGBT+晶閘管混合閥，解決換相失敗風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用于葛南直流工程南橋換流站改造六脈動(dòng)換流器拓?fù)涿總€(gè)橋臂由主支路和輔助支路并聯(lián)構(gòu)成，主支路由常規(guī)晶閘管閥串聯(lián)低壓大電流IGBT閥構(gòu)成，輔助支路由高壓IGBT閥和高壓晶閘管閥串聯(lián)構(gòu)t米米以化米米N可控?fù)Q相換流器CLCC主支路電流轉(zhuǎn)移到輔助支路可控?fù)Q相換流器CLCC:閥塔采用懸吊式四重閥塔型式，與原有LCC閥共用閥塔，不改變系統(tǒng)運(yùn)行特性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，兼容最高6250A直流工程，換流站損耗0.75%,具備電壓電流獨(dú)立調(diào)節(jié)能力，故障期間可根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行靈活的有功/無(wú)功支撐2023年6月葛南工程受端南橋換流站投運(yùn)15個(gè)月以來(lái)，共遭遇6次交流故障，未發(fā)生換相失敗，保持0換相失敗紀(jì)錄。同期周邊所有換流站均先后發(fā)生換相失敗靜態(tài)均壓電阻混合換相換流器HCC:可減小換流閥的無(wú)功需求至原來(lái)的40%-50%(典型44%),在現(xiàn)有無(wú)功配置下可滿(mǎn)足濾波需求、諧波因數(shù)，拓寬換流閥運(yùn)行范圍HCC換流閥相比于傳統(tǒng)LCC閥，損耗、體積基本相當(dāng)，成本增加15%左右，可用于未來(lái)常規(guī)直