柔性直流输电技术在交直流混联电网中的应用与展望

柔性直流输电技术在交直流混联电网中的应用与展望李 岩 南方电网科学研究院2023年5月26日 平顶山 2提纲I.柔性直流的技术特点II.柔性直流的发展现状III.柔性直流在大电网中发挥的作用IV.柔性直流在新型电力系统的应用与展望2 3柔性直流技术特点柔性直流是采用全控型功率器件和模块化拓扑结构的新一代直流输电技术，可控性高、适应性好，可实现有功和无功独立解耦的全域运行有功和无功独立解耦的全域运行2(0,/)SLUX3/SCLUUXSPSQ全桥子模块半桥子模块第一象限第二象限第三象限第四象限柔性直流拓扑结构 4p柔性直流相对基于半控型器件的传统直流，无换相失败问题，对电网依赖程度小，且具备电网黑启动能力，在交直流混联电网中可发挥重要支撑作用柔性直流技术特点常规直流柔性直流技术常规直流（LCC）柔性直流（VSC）半导体器件晶闸管（半控型）IGBT (全控型)功率控制有功有功 、无功解耦控制换相失败风险是否黑启动能力否是占地150~77%过载能力强弱 5提纲I.柔性直流的技术特点II.柔性直流的发展现状III.柔性直流在大电网中发挥的作用IV.柔性直流在新型电力系统的应用与展望2 6柔性直流技术发展现状柔性直流技术已成为全球关注热点和发展趋势-已运行的直流工程，传统直流占大多数、达到70%，柔性直流占21%-规划中的直流工程，柔性直流成为主流方案，规划数量是传统直流的2倍已运行直流工程规划建设中直流工程数据来源：CIGRE B4 7柔性直流工程的电压和容量不断提高•±320kV→±450kV→±500kV→±800kV，1000MW→1250MW→3000MW→5000MW中国虽然起步晚，但无论是从发展速度还是工程容量上，都呈赶超趋势柔性直流技术发展现状 8柔性直流技术发展现状目前柔性直流在电网互联、远距离输电、新能源送出、中低压配电等四类主要场景得到了广泛应用柔性直流技术远距离输电新能源送出电网互联中低压配网柔 9柔性直流技术应用于电网互联柔直应用于电网互联，实现两个电网电力交换，并提高已有交流电网安全稳定水平-电网互联可实现互供电力、互通有无、互为备用，可减少事故备用容量，增强抵御事故能力-柔直不增加交流电网短路电流，不受交流系统短路容量限制，可快速灵活调节潮流，是电网互联的重要技术手段中南通道背靠背直流工程国内外已建成的柔直背靠背联网工程工程名称容量交流电压投入时间美国Eagle Pass工程36MW/±15.9kV132kV2000澳大利亚 Murraylink 工程220MW/±150kV132/220kV2002爱沙尼亚Estlink工程350MW/±150kV400/330kV2006英国Britain-Ireland 工程500MW/±200kV400kV2013鲁西背靠背柔直工程1000MW/±350kV500kV2016渝鄂背靠背柔直工程1250MW/±420kV500kV2019中南通道柔直工程1500MW/±400kV500kV2022柔直应用于交流电网互联分区1分区2分区3 10柔性直流技术应用于电网互联电网互联典型应用-鲁西背靠背柔直工程：首次将柔性直流用于西电东送主通道，实现电网分区柔性互联-广东电网背靠背柔直工程：应用于广东电网负荷中心，实现不同交流电网区域交流系统故障的隔离，提供快速功率控制与紧急功率支撑，增加电网稳定性滇东雨汪罗平变电站背靠背鲁西背靠背柔直工程广东电网背靠背柔直工程 11柔直运行控制、拓扑结构和核心器件的发展，促进了电压等级及输电距离的提升-双阀组串联拓扑与3000A等级器件研制，将柔直电压提升至±800kV，容量提升至5000MW-通过加装直流断路器或采用“全桥+半桥”混合拓扑换流阀，可阻隔直流故障电流，实现远距离架空线故障的清除和系统快速重启柔性直流技术应用于远距离输电国内外已建成/建设中的柔直远距离架空线输电工程工程名称容量/电压输电距离直流故障清除投入时间纳米比亚 Caprivi Link 工程300MW/-350kV970km交流断路器清除时间1.5s2010张北直流3000MW/±500kV666km直流断路器3ms开断电流2020昆柳龙直流5000MW/±800kV1452km全半桥，主动降压清除150ms电流过零2020德国ULTRANET800MW/±320kV340km全桥，主动降压清除建设中全桥和半桥混合型MMC的结构示意图 12柔性直流技术应用于远距离输电远距离输电典型应用-昆柳龙直流工程：落点广东的第10回直流输电工程，将乌东德电站（世界第7大水电）的电力输送至两广负荷中心，受端采取特高压柔性直流技术-世界上首次将柔性直流用于远距离、大容量、架空线输电昆柳龙直流工程示意图乌东德水电站 13柔性直流技术应用于新能源送出工程名称容量/电压输电距离投入时间BorWin1400MW/±150kV200km2010BorWin2800MW/±300kV200km2015DolWin1800MW/±320kV165km2015HelWin1576MW/±250kV130km2015HelWin2690MW/±320kV130km2015SylWin1864MW/±320kV205km2015DolWin2916MW/±320kV135km2017DolWin3900MW/±320kV160km2017BorWin3900MW/±320kV200km2019如东海上柔直1100MW/±400kV108km2021国内外已建成的海上风电柔直送出工程海风直流送出工程造价对比（国内）海风大容量集中送出能有效降低单位开发成本，柔直是深远海风电送出的主流方案-深远海风柔直送出，直流海缆无充电无功问题，输电距离远-国外已建成的海上风电柔直工程主要集中在德国，直流电压等级以±320kV 为主 柔性直流技术应用于新能源送出新能源送出典型应用-如东海风柔直工程：我国首个海风柔直送出工程，电压等级±400kV、容量1.1GW，当前世界之最-青州五/七柔直工程：采用±500kV/2GW柔直送出，预计2024年建成，将成为世界首个投产的2GW海上风电直流送出工程我国风能资源分布如东海风柔直工程青州五/七柔直工程14 15柔性直流技术应用于中低压配电工程名称容量/电压拓扑结构投入时间FUN-LV（英国）240（400）kVA/0.4kV（AC）两端/三端背靠背2016Network Equilibrium FPL（英国）20MW/33kV（AC）两端/三端背靠背2018FEN Research Campus MVDC（德国）7.6MW/±2.5kV三端直流配网2019Angle-DC（英国）30MW/±27kV两端柔直2020杭州大江东直流配网30MW/±10kV四端直流配网2018珠海唐家湾直流配网42MW/±10kV四端直流配网2018贵阳直流配网4MW/±10kV五端直流配网2018北京延庆交直流混合配网30MW/±10kV三端背靠背2019东莞交直流混合示范工程5.18MW/10kV多电压多层环网2020佛山多状态开关18MW/±10kV三端背靠背2021国内外已建成的柔直配电工程柔直向配电和用电延伸，可改善配电网运行性能，提高供电质量，促进节能减排-分布式光伏广泛接入、电动汽车负荷快速增长，现有配电网面临挑战-中低压直流配电应用场景丰富，如配电网柔性互联、配电线路增容改造、工业园区/楼宇直流供电交流配电 VS 直流配电 16柔性直流技术应用于中低压配电中低压配电典型应用-珠海唐家湾工程：多端多层级、可网络重构的±10kV/40MW柔直配电网，实现多个交流变电站的直流柔性互联和备用功率支撑，提高了系统供电可靠性-苏州同里工程：多电压等级、多应用场景的直流配电网，可实现各类直流电源、负荷和储能的友好互联、高效接入，满足用户高可靠供电、绿色用能和直流供电需求珠海唐家湾柔直配电工程苏州同里柔直配电工程 17提纲I.柔性直流的技术特点II.柔性直流的发展现状III.柔性直流在大电网中发挥的作用IV.柔性直流在新型电力系统的应用与展望 18一、优化电网结构，提升电网本质安全水平 广西贵州广东 云南HVACHVDC鲁西背靠背柔性直流工程-云南电网超过70%功率由直流传输，直流故障后大规模潮流转移到交流通道，易造成同步失稳-南网首次将柔直用于500kV主网架，建成鲁西直流，用于西电东送主通道，实现电网分区互联-柔直运行稳定可靠，年利用小时数超5000小时（2018年），交流故障下还能发无功支撑电网恢复系统功角失稳风险基本被消除多直流持续换相失败引起系统失稳风险得到缓解低频振荡风险得到缓解云南水电送出增加250-340万千瓦 19一、优化电网结构，提升电网本质安全水平鲁西背靠背柔性直流工程主要创新点-首次提出多类型换流器的有功\无功协调控制技术，实现了多换流器控制模式自动识别与功率互济-提出柔直暂停触发和快速恢复故障穿越控制技术，避免了交流故障下柔直停运，并提供动态支撑-首次提出了常直与柔直并联运行的控制保护系统架构，成为工程控制保护系统设计范式柔性直流无功输出常规直流滤波器投切百微秒级的暂停触发技术柔直控制基本架构无功功率协调控制 20粤港澳大湾区中、南通道背靠背柔性直流工程-粤港澳大湾区负荷高度聚集，电网联系紧密，短路电流水平高，极端故障下存在大面积停电风险-南网首次将柔直用于解决负荷中心电网安全稳定问题，工程投产前，粤港澳湾区电网全接线、全开机短路电流最大值67.6kA；工程投产后，短路电流降低14~25kA-化解了直流密集馈入运行风险，避免了负荷中心大面积停电，提高湾区电网电力供应和配置能力一、优化电网结构，提升电网本质安全水平故障期间同步机电源与柔直提供电流对比500千伏站点附近短路电流水平 21二、降低多回直流同时换相失败的安全风险昆柳龙特高压柔性直流工程-多回直流集中馈入的受端电网中，交直流相互影响问题突出，存在多回直流同时换相失败风险-南网首次提出特高压柔直向负荷中心送电的技术路线，为广东电网的安全稳定提供了保障-受端采用柔直，扭转了系统稳定恶化的趋势，多回直流同时换相失败范围显著减小、风险大幅降低受端换流站采用柔直扭转了系统稳定恶化的趋势 22012345牛从高肇普侨天广楚穗滇西北兴安三广金中永富鲁西受端均采用LCC受端均采用VSC南方电网已有各回直流工程多馈入有效短路比(MIESCR)变化情况昆柳龙直流受端采用柔直，南方电网已有11回直流的多馈入有效短路比均有提升-平均提升17.6%，最大提升40%（金中直流），最小提升4%（永富直流）二、降低多回直流同时换相失败的安全风险 23昆柳龙直流工程主要创新点-首创了混合直流稳态及暂态运行控制技术，实现混合直流在各种工况下的全域稳定运行-提出了特高压柔直阀组能量平衡、阀组在线投退等控制技术，满足柔直双阀组灵活转换及运行需求-面向柔直远距离架空线故障清除国际难题，首创全半桥混合拓扑和主动反压架空线故障自清除方法柔直特高压高低阀组串联运行二、降低多回直流同时换相失败的安全风险通过降压实现架空线故障自清除主动降压控制方法混合直流输电运行控制技术 24提纲I.柔性直流的技术特点II.柔性直流的发展现状III.柔性直流在大电网中发挥的作用IV.柔性直流在新型电力系统的应用与展望 25新型电力系统面临挑战−新型电力系统面临源侧强随机波动性和低转动惯量带来的多时间尺度功率平衡灵活调节问题，以及电力电子控制主导的新形态同步、电压、频率和振荡稳定控制问题−多直流送受端电网部分时段直流、新能源等非同步机电源装机和出力占负荷比例将超过70%，其中直流是单体容量最大的灵活可控电源类型2030年大方式装机2030年小方式出力负荷2000013000区外67206720海风34981749陆风1026370光伏2611300总占比74.3%70.3% 26新型电力系统面临挑战−为应对新型电力系统的可靠性、经济性、安全性和消纳挑战，直流