新能源发电与直流输配电发展概述

新能源发电与直流输配电发展概述 汇报人：王顺亮 单位：四川大学2025年12月3日 电力系统稳定与高压直流输电研究团队-负责人 刘天琪：二级教授博导，团队负责人（团队共23位老师） +研究方向：电力系统分析计算与稳定控制、高压直流输电、新能源接入+中国电机工程学会电力系统专委会和直流输电与电力电子专委会委员委员、CIGRESCB4中国专业委员会委员→四川省教学名师、宝钢教育奖、四川省科技进步奖二等奖（1/8）+国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家海外人才引进计划等评审专家 +负责或参与国家重点研发计划项目、国家自然基金重点项目等纵向科研项目30余项+负责或参与电力企业横向科研项目30余项主编出版教材专著3部、参编出版专著7部，发表论文300余篇其中SCI、EI检索100余篇 +获四川省科技进步二等奖、四川省教学成果二等奖、中国电源学会科学技术二等奖、中国电机工程学会直流输电与电力电子创新杯大赛一等奖、流电力优秀青年人物奖、中国电源学会吉年科技创新奖 团队直流输电与电力电子方向-主要研究人员 王顺亮，教授/博导2016年博士毕业于西南交通大学 马俊鹏，副教授/博导2018年博士毕业于西南交通大学 焦宁，副研究员2022年博士毕业于四川大学 涂皓，副研究员/硕导2020年博士毕业于北卡罗莱纳州立大学 张丙，博士后 2025年博士毕业于四川大学 研究方向：高压直流编电系统建模及分析，新能源并网变接器建模及控制、微网逆变器协调控制、大功率阻抗测量装备基础理论 电气工程系副主任、校双百人才，研究方向：高压直流输电。电力电子变流器拓扑/网、电力电子化电力系统。直流斯路器与限流器 研究方向：面向高压直流输电和新能源并网的多电平变换器的拓扑、控制与 IEEETTE副主编，四川省人才计划，校双百人才，研究方向柔性直流输电，新能源并网与微电网技术 四川大学电气工程学院个校优秀博士论文获得者研究方向：乘性直流输购、电磁暂态伤真 汇报内容|CONTENTS 1.1、能源：人类文明的动力基石 从火种到星辰，能源驱动文明演进 →火种革命：远古人类掌握了钻木取火，告别了茹毛饮血能源首次成为人类改造自然的工具，推动语言、工具制造与社会协作萌芽。 →生存与繁行：火带来温暖、抵御猛兽、煮熟食物，让人类突破环境限制，从迁徒采集走向定居，为文明诞生奠定基础 1.2、化石能源：工业文明的核心引擎 煤炭与石油，重塑世界的动力革命 能量密度突破：煤炭、石油的单位能量远超人力、畜力，解决了传统能源分散、低效、受自然限制的痛点，为大规模生产供能提供了可能。 工业革命：化石能源与蒸汽机、内燃机的结合，点燃了工业革命的火种，彻底改变了生产方式、生活方式与全球格局 1.3、化石能源大量使用的环境代价 气候变暖与污染危机 化石能源燃烧释放的温室气体包裹地球，截留太阳辐射热量，打破自然温室效应平衡，导致全球气温持续升高，气温上升引发冰川融化、海平面上升、极端天气（洪水、干旱、山火）频发 1.4、双碳目标：中国应对气候变暖的核心战略 以碳达峰碳中和推动全球气候治理与绿色发展 碳达峰：中国力争2030年前，二氧化碳排放达到峰值后逐步下降碳中和：努力争取2060年前，通过节能减排、碳汇抵消等方式，实现二氧化碳净零排放 中共中央国务院关于完整准确全面贸御新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见 5、能源转型：以可再生能源破解化石能源原气候困局 丛“高碳依赖”到“绿色低碳”的核心路径 2020年12月12月，习近平主席在气候维心峰会上讲话中进一步宣布“到2030年中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。 1.6、构建“新型电力系统” 构建以新能源为主体的新型电力系统 键期、窗口期，需要落实几项重点工作，其中第一项任务就是“要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，若力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统”。 推动平台经济规范健康持续发展中央财经委员会第九次会仪强调巴碳达峰族中和纳入生态文明津设整体布局 推动平台经济规范健康持续发展中央财经委员会第九次会议强调把残达峰谈中和纳入生态文明建设鉴体布局 1.6、构建“新型电力系统 构建以新能源为主体的新型电力系统 技术瓶颈与挑战--新能源发电的间歌性、波动性、随机性特点：新能源发电远距离安全送出问题 .7.E我国能源分布与负荷中心 我国电网特点 能源与负荷中心分布非常不均衡。 电网输送距离长、输送容量大、电压等级高、电网规模大、结构复杂、世界罕见。 1.8、直流输电：能源跨区输送的最优解 破解能源-负荷空间错配 类型 低损耗 常规直流（LCC-HVDC）+柔性直流（VSC-HVDC） 低损耗：1000km+损耗降5%-10%大客量：单回千万千瓦圾高稳定：无同步稳定性问然低成本长距离编综合成本更低 工程实践 价值总结 保障东部用电+消纳西部螺电双碳目标的电网接心支撑 白鹤滩-江苏：西南水电送长三角(800万kW)昌吉-古泉：西北风光火送华东（超3000km，1200万kw） 1.9、直流配电：负荷中心能源转型 负荷中心分布式新能源就地消纳的最优路径 ?负荷中心不仅作为“电力消费端”而是大规模发展分布式新能源：如建筑光伏、分布式风电、用户侧储能等， ?相比于交流配用电，直流配用电在电动汽车、数据中心等场景下能更好的适配直流源荷，在电能变换效率、用能灵活安全等方面有明显优势。 汇报内容|CONTENTS 发展背景 新能源发电 2.1、光伏发电 工作原理 光伏(Photovoltaic,PV)发电是指在“光伏效应”下，利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电形式。 光伏效应：当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成电位差。当外部接通电路时，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。 2.1、光伏发电 光伏系统 典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等构成 2.2、风力发电 风力发电机组的主要部件 由叶片、齿轮箱、发电机、控制系统、变流器、塔架、偏航系统、轮毂、变桨系统和主轴等组 成感础与结架 、风机内部 2.2、风力发电-异步双馈 双馈风力发电系统 》由定子绕组直连定频三相电网的异步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背变流器组成 》流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，而且可以双向流动， 优点 ·减小了逆变器成本，因为逆变器功率只需为系统总功率的1/3，变流器只需要控制转子转差功率。 ·减小逆变器和电磁噪声滤波损失。 缺点 双馈电机使用滑环，有齿轮箱，需要定期维修，极为不方便，尤其是用于海上风力发电时。·低电压穿越能力较差。 2.2、风力发电-永磁直驱 永磁直驱风力发电系统 系统的变速恒频控制是在定子电路实现的，把永磁发电机发出的频率变化的交流电通过交-直-交并网变频器转变为与电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量相同，为全功率变频器。 优点 缺点 ·风轮与永磁同步发电机直接相连，无需升速齿轮箱。·转子为永磁式结构，无需励磁绕组，因此不存在励磁绕组的损耗，提高了效率。·转子上设有滑环，运行更加安全可靠 ·永磁体增加了电机的成本，永磁物质具去醛性，并且电机的功率因数不可控。·变流器所需容量较大，对器件的耐压，耐流能力要求较高 2.3.1储能技术 引入储能的新型电力系统 ●电力系统：“发-输-变-配-用”到“发-输-变-配-用-储”储能是增强电能使用灵活性的重要手段 对储能系统的要求：大容量、大功率、快响应、长寿命、低成本、易维护、便安装 2.3.储能技术 2.4、问题与挑战 高比例新能源发电带来的问题与挑战 ·风电、光伏等新能源出力具有间接性与波动性，发电功率难以精准预测，电网难以实现能量平衡·新能源通过电力电子设备并网具有低惯量、弱抗扰动特征，使得系统短路容量与主动支撑能力降低。·新能源并网暂态特性多样，与传统同步电源耦合机制复杂，故障后连锁反应特性复杂，故障难以防控·新能源经电力电子设备并网可能与系统发生谐振，导致系统振荡基至失稳，威助电网安全稳定运行。 汇报内容|CONTENTS 发展背景 3.1、直流输电 概念与应用领域 直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成稳定的直流电，然后通过直流输电线路送往另外一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。X 高压直流输电的应用场景有：长距离大容量电能输送、异步互联，大规模新能源基地外送、5跨海/跨江辅电、孤岛供电与弱电网补强。 3.2、直流输电与交流输电的比较 直流优势 ●交流与直流等价输电距离约500~1000km，超过该距离直流的经济性更优。直流输电输送容量大，可达300万干瓦一1200万干瓦：送电距离远，可达3000公里：输电通道走廊窄，单位走廊的送电功率是交流的4倍，节省宝贵土地资源。 3.3、常规直流与柔性直流 直流输电形式分类 常规直流输电（LCC-HVDC)：以品闸管换流器为核心，基于电网换相技术的直流输电方式，换相过程依赖交流电网提供的换相电压 柔性直流输电(VSC-HVDC)：以电压源换流器为核心，基于自换相技术的直流输电方式，换相过程不依赖交流电网，可动控制电压电流。 3.4、问题与挑战 常规直流输电“功勋元老”的固有顽疾 柔性直流输电“技术新贵”自的成长烦恼 ·换相失败风险 ·初始投资成本高品 依赖交流系统电压进行换相，受端电网故障时极易发生换相失败，导致功率中断，感励电网安全 核心器件（如IGBT）成本高，子模块数量多，控制系统复杂 ·受端电网支撑能力弱 运行损耗与能耗巨大 无法像传统发电机一样提供转动惯量和电压支撑，对弱电网适应性差 柔性直流/储能设备造价偏高，短期投资回报周期较长 ●谐波污染与滤波器占地 ●宽频振荡稳定新问题 大量电力电子设备与交流电网交互，易引发次/超同步振弱等宽频带稳定性题 换流器在运行中会产生大量谐波，需配套交流滤波器，显著增加了占地面积 ·运行方式不灵活 ●故障保护与清除难度大 功率反转需要改变电压极性，操作相对繁项，且难以实现多端直流网络互联 直流侧短路故障电流上升极快，且无法像交流一样通过过零熄弧 汇报内容|CONTENTS 4.1、分布式新能源与直流配电 新能源推动直流配电发展 ·分布式新能源（光伏、燃料电池等）的核心输出形式为直流电，新兴负荷也需直流供电，而传统交流配电需经“直流一交流一直流多次转换，转换环节多、损耗大，成本高。 ·直流配电系统直接承接新能源直流电，大幅减少转换阶段，成为分布式发电集成的最优解，形成“新能源发展一直流配电需求一技术送代”的正向循环。 4.2、直流配电优势与应用场景 直流配电核心优势 ●直流配电可以减少“直-交/交-直”转换环节，损耗降低10%-30%，适配高比例新能源场景灵活适配新能源与多元负荷，能够直连光伏／储能/直流负荷，简化控制响应快无频率、相位同步困扰，规避同步谐波问题，电压稳定无闪变，供电质量与可靠性双重提升●直流电缆载流量较交流高30%以上，设备结构紧凌，节省输电走廊与占地空间，适配城市中心等受限场景 4.2、直流配电优势与应用场景 柔性互联 建筑电气 ·密集负荷区域，减少重载跳闻?重要负转供，提高供电可置性·配网改造增容，减少占地和投资·光伏就地消纳等 ?光储直柔（光伏+储能+直流+柔性）●光储充（光伏+储能+充电设施）·新能源汇集（分布式能源） 直流远供 各类园区 ·偏远地区供电·高速公路用电·电网、地铁中压远距离供电·海上平台供电 ·数据中心·工业优质供电（地铁牵引船