2024年面向双高电力系统发展需求的柔性直流输电技术报告

面向双高电力系统发展需求的柔性直流输电技术南方电网科学研究院有限责任公司L提纲I.双高电力系统发展II.柔性直流输电的应用基础V.总结2双高电力系统发展占总装机的58.2%,新增清洁能源发电量占全社会用电增量一半以上超过50%新能源-电源总装机容量装机容量比例装机容量3双高电力系统发展南方电网新能源发展：2024年已成为最大的装机电源；预计2035年前成为第一大发电量的电源；预计到2060年成为全网发电量的主体电源-2024年春节期间，受新能透率最高达到54.8%,高比例的新能源对电力供应保障、系统安全带来巨大挑战2020年2025年2030年2035年2040年2050年2060年新能源装机容量南网新能源渗透率4双高电力系统发展传统电网传统电网负荷双高电力系统特征5双高电力系统发展随着新能源和电力电子装置在电力系统的渗透率不断提升，双高电力系统转动惯量降低，调频、调压能力不足，安全问题日益突出，存在潜在运行风险澳大利亚，2016年9月28日事故前，澳大利亚南部风/光发电占比约48%。事故当日，强台风导致风电机组大规模脱网等系列故障，最终演变成持续50个小时的全州大停电。本次事故主要原因与系统转动惯量不足、风机连续低电压穿英国，2019年8月9日由于风电场和分布式光伏非正常脱网，导失机组1691MW,切除负荷931MW。本次事故过程中，网内风电、分布式电源耐受异常电压、频率的能力不足，产生连锁反6双高电力系统发展和革芫X功率模块功率模块功率模块和革芫X功率模块功率模块功率模块直流侧正极母线桥臂功率模块功率模块Lo直流侧L功率模块功率模块功率模块功平模块功率模块功率模块功率模块直流侧负极交流电网77双高电力系统发展双高电力系统的发展亟需柔性直流在现有应用基础上突破新型关键技术柔性直流需具备电网构造控制能力，进一步提升对电网的主动支撑作用柔性直流需研发新型功率器件和换流拓扑，实现容量更大、性能更强、更加经济高效短路电流控制谐波治理电压稳定阻尼控制8提纲II.柔性直流输电的应用基础V.总结9柔性直流输电的应用现状我国已投运12项柔性直流工程，主要用于风电送出、电网互联、远距离输电和无源网络供电渝鄂背靠背鲁西背靠背●2016年8月青州海上风电送出工程●2022年招标广东背靠背张北柔直工程上海南汇风电接入●2011年8月中海油文昌油田平台供电●2011年3月昆柳龙直流工程南澳工程●2013年12月如东海上风电送出工程舟山五端柔直工程●2014年厦门柔直工程●2015年12月白鹤滩工程●预计2022年柔性直流输电的应用现状截止2021年，国际上已经投运的柔性直流工程达54个，总变电容量约63GW,主要分布在欧洲和我国。数量上，我国占比20.4%;容量上，我国占比55%因不依赖电网且对电网友好，柔性直流在欧洲被大量用于海上风电和跨国互联工程数量工程数量变电容量/GW55000直流电压—个直流电压—个Hellsjon容拿鲁西张北0柔性直流技术发展现状得到了广泛应用新能源送出新能源送出中低压配网电网互联电网互联远距离输电柔性直流技术柔性直流技术压电中交流微电网提纲II.柔性直流输电的应用基础V.总结电压源自主负载变化负载同步负荷电流源电压源自主负载变化负载同步负荷电流源负载电网不提供短路电流风力发电机负荷电压弱，电网故障恢复难度加大。的电力电子设备自身稳定能力变弱。弱惯量：隔离了风电机组的转动惯量，电力系弱阻尼：新能源与弱电网的相互耦合加强，系统宽频振荡现象频发。技术背景为解决新型稳定性问题，并应对新型电力系统惯量降低、电压支撑能力不足的问题———增设大型调相机、分布式调相机或抽水蓄能机组，电机,能够提供无功支撑和短时有功支撑，具有维持电网电压稳定和频率稳定的作用方案2方案2以构网技术为核心构建具有电压源特性的电力电子国内外主要构网型电网标准及技术规范序号1HighPenetrationofPoweContributionofGridFormingCENTSO-E(欧洲)2GuidelineGridformingbehaviorofHVDCsystemsVDEFNN(德国)3GC0137MinimumSpecificationRequiredNGESO(英国)4DynamicModelAcceptanceTestGuidelineAEMO(澳大利亚)5FINGRID(芬兰)6GridFormingFunctionalSpecificationsforBPSNERC(美国)7GB/T38983.1-2020《虚拟同步机第1部分：总则》国标委(中国)8《构网型储能系统并网技术规范》T/CES243-2023《构网型储能系统并网测试规范》T/CES244-2023电工技术学会(中国)9《构网型储能变流器技术规范》(征求意见稿)(中国)构网定义与基础直流电容电压控制虚拟同步机功率同步控制虚拟振荡器控制匹配控制虚拟同步发电机负载频率控制混合同步控制同步变流器下垂控制特点结构简单，响应速度较快；具备惯性和阻尼特性；匹配控制本质上基于功率同步；构网定义与基础构网技术目前尚未有明确统一的定义。当前业内普遍认为构网是具备自同步电压源特性，可自行构建系统电压/频率，并可在次暂态到暂态时间尺度内维持恒定或基本恒定的电压源外特性构网技术三大基础：构网策略提供控制基础、能量存储单元如锂电池、超级电容提供能量基础、器件高过载提供拓扑硬件基础-2020构网控制策略构网控制策略单元能力构网型设备可分为风电变流器、光伏逆变器、储能变流器、SVG和柔性直流换流阀等不同类型，不同类型设备对电网支撑能力有差异柔性直流容量大，柔性直流构网控制技术对电网的支撑作用非常重要设备能力capability风电光伏单机容量中等中等惯量支撑√√√×√一次调频√√√×√电压支撑√√√√√惯量支撑能量来源风机转子动能有功备用电池/电容/对端电网柔性直流构网控制技术构网型柔性直流输电技术，在调频、电压稳定、阻尼振荡等方面具备支撑电网作用，提升电网对新能源的消纳建立系统电压1黑启动7722谐波/不平衡抑制谐波/不平衡抑制惯量支撑6惯量支撑3故障电流调控故障电流调控4545跟网型柔直主要采用独立有功无功解耦控制模式，对外呈现受控电流源特性，依赖锁相环实现与电网同步，弱系统下难以稳定运行构网型柔直对外呈现受控电压源特性，通过功率控制实现与电网同步，可瞬时响应电网故障，具有良好的弱电网适应性响应速度通常小于10ms,☆☆柔性直流构网工程案例-时间应用地点步控制，实现送端短路比1.2,受端1.0的弱系统稳定运行张北直流电网送端起初采用V/f控制，出现振荡后采取虚拟同步机控制连接远海风场，为系统提供电压和惯量主动支撑特斯拉将150MW级储能系统加装构网控制方式南澳约克半岛主网支撑微网频率和电压，实现100%新能源稳定运行国内首座大型构网型储能电站1.678MW光伏，IMWh/2MWh储能全球首次构网型光储系统并网性能现场测试全国首次在送端直流近区接入构网型风电机组规模最大的风电场通过构网型储能实现100%新能源黑启动以及支撑孤网运行河北建投康保风电示范项目将并网点短路比技术边界由1.5-1.8下探至1.2四川成都电网侧构网SVG项目世界首套电网侧66kV构网型SVG设备柔性直流构网工程案例由ABB建设的CapriviLink柔直工程连接了南部非洲纳米比亚和赞比亚的交流电网。该区域网架结构薄弱，采用传统跟网型控制的柔直难以满功率稳定运行本工程首次采用了构网控制(功率同步控制),实现了送端短路比1.2,受端短路比1.0的极弱系统稳定运行七立子七立子焊A南非CapriviLink柔性直流输电工程CapriviLink柔直系统结构25提纲II.柔性直流输电的应用基础V.总结我国西北部大型新能源基地送出需求，大型海上风电送出需求，新型电力系统柔高电压6500V及以上、大电流5000A及以上、更高结温150℃的IGBT工作结温由125℃提升到150℃,过负荷能力提升30%653如东阳江2流鄂1白鹤滩A4IGBT芯片结构由平面栅向沟槽栅、精细沟槽栅发展。沟槽栅结构相对平面栅结构，电流密度提升20%,导通压降降低15%左右；精细沟槽栅比起沟槽栅，栅极沟道更小，器件损耗可进一步减小，相同电压等级下器件损耗小约10%精细沟槽普通沟槽已研制出6500V/4000A、6500V/8000AIGCT,正在研制6500V/10000AIGCTCP-IGCT,可在设计在特定电压下主动击穿，精度高，本征安全新型功率器件-SiCSiC材料具有3倍于硅材料的禁带宽度，10倍于硅材料的临界击穿电场强度，3倍未来适用到柔直配电系统，SiC需要高电压(≥10kV)、结温(≥215℃)服务器、电满足的应用范围信设备电源最高结温由175℃提升到215℃,电压等级/V大电流(≥100A)、高国内外高压SiC器件布局新型换流拓扑-MMC发展已有20年。电网中10kV以上应用场景几乎都首选MMC,应区别发展高压输电领域短期内仍以MMC为主体结构，但可以集成更多功能。比如，全桥+半桥混合换流器集成了故障清除功能；能量自平衡柔直换流器集成了分布式耗能功能十全格量白平衡子模狭十全格量白平衡子模狭十耗能电阻耗能阀新型换流拓扑-能量自平衡换流阀拓扑-针对远距离新能源送出场景，系统故障时存在功率盈余的风险，影响设备安全常规方式：MMC+交直流耗能新方式：能量自平衡换流阀拓扑+送端交流耗能，取消直流耗能，受端交流故障时阀承受短时间暂态能量冲击能力，解决新能源-柔性直流系统的能量平衡难题十螺交流耗能主要应对直流单极闭锁、直流架空线故障的能量不平衡问题交流耗能新型换流拓扑-能量自平衡换阀拓扑针对交直流故障时百毫秒级别的暂态能量冲击，南网科研院提出集成分布式耗能功能的换流阀新型拓扑结构，在全站每个半桥/全桥功率模块的直流侧并联由泄能电阻+泄能电能量自平衡的含义：实时监测功率模块电容电压，自动控制泄能电阻的投入和退出。当退出投入定值定值……功率模块过压保护定值能量自平衡支路动作区间…稳态最大模块电压…………稳态最小模块电压态态工况工况新型换流拓扑-能量自平衡换流阀拓扑泄能电力电子开关选用焊接式IGBT,利用其开路失效模式，在IGBT器件故障时将泄能电阻隔离，不影响换流阀的正常运行，电压等级应与阀主开关器件保持一致流流××√√×X√√√√√√富士×××××√√√时间/s不同电阻值时能量自平衡支路的泄放电流对比新型换流拓扑-能量自平衡换流阀拓扑能量自平衡换流阀技术经济性优：受端交流故障后，通过换流阀泄能支路释放不平衡能量，避免电容过压，有助于降低换流阀功率模块电容容值；直流架空线故障自清除时，通过换流阀泄能支路承受暂态能量冲击，可有效降低全桥模块数量以远距离特高压柔直输电系统中5000MW换流阀为例面积新型换流拓扑-能量自平衡换流阀拓扑-针对海上风电柔性直流送出场景，同样可取消直流耗能装置，将耗能功能集成在送端柔性直流换流阀中，通过送端柔直阀与送端风机耗能配合处理直流系统故障-节省了设备成本2.1亿，节约陆上土地资源8300平方米换流阀7.1亿元新型换流拓扑-高压大模块海上平台、城市电网应用等对电力电子装备体积、重量敏感，紧凑化、高功率密度电力电子拓扑十分迫切近年来，“高电压、大模块”成为研究热点，如采用多器件串联、三电平模块两器件串联电路结构新型换流拓扑-二极管整流Diole临Diole55临体体新型换流拓扑-MCC积极发展非MMC的柔直拓扑：清华大学提出模块化换向式兼顾了低频调制、多电平输出等优势，开关器件用量减少25%,相同容量下电容用量减少87%占占占占SM:半桥模块串联SM:半桥模块串联新型换流拓扑采用全控器件改善半控器件用于输电的技术不足可控换相换流器CLCC:采用IGBT+晶闸管混合阀，解决换相失败风险；主支路电流转移到辅助支路辅品闸管阀V14避雷器可控换相换流器CLCC混合换相换流器HCC多源自适应换相换流器SLCC40新型换流拓扑-CLCC-可控换相换流器CLCC:采用IGBT+晶闸管混合阀，解决换相失败风险，应用于葛南直流工程南桥换流站改造六脉动换流器拓扑每个桥臂由主支路和辅助支路并联构成，主支路由常规晶闸管阀串联低压大电流IGBT阀构成，辅助支路由高压IGBT阀和高压晶闸管阀串联构t米米以化米米N可控换相换流器CLCC主支路电流转移到辅助支路可控换相换流器CLCC:阀塔采用悬吊式四重阀塔型式，与原有LCC阀共用阀塔，不改变系统运行特性及系统设计，兼容最高6250A直流工程，换流站损耗0.75%,具备电压电流独立调节能力，故障期间可根据系统需要进行灵活的有功/无功支撑2023年6月葛南工程受端南桥换流站投运15个月以来，共遭遇6次交流故障，未发生换相失败，保持0换相失败纪录。同期周边所有换流站均先后发生换相失败静态均压电阻混合换相换流器HCC:可减小换流阀的无功需求至原来的40%-50%(典型44%),在现有无功配置下可满足滤波需求、谐波因数，拓宽换流阀运行范围HCC换流阀相比于传统LCC阀，损耗、体积基本相当，成本增加15%左右，可用于未来常规直