“直流电厂”技术初探

背景

• 沙戈荒、深远海等大规模新能源基地是经济负荷中心受端电网的重要电力来源，柔性直流是新能源远距离送出的重要载体。
• 预计到2035年，馈入广东电网的柔性直流换流站将由1个增加到11个，形成柔性直流密集馈入受端电网的格局。
• 本地新能源快速发展，煤电占比逐步下降，电源结构与特性发生深刻变化。
• 受端电网新能源和电力电子化渗透率大幅提升：2025年新能源出力瞬时渗透率全年基本不超过40%；2060年新能源渗透率明显上升，尤其在冬春季节，新能源出力瞬时渗透率出现大于100%的情况；考虑直流受入电力后，电力电子瞬时渗透率全年超过一半时间高于50%，最高可到148%。

受端电网运行面临挑战

• 电力电子化程度加深，安全稳定运行面临灵活调节资源不足、频率与电压稳定性下降、宽频振荡风险增加等问题，将制约沙戈荒等清洁电力可持续馈入。

技术思路

• 柔性直流是电网中构网能力最强、容量最大的电力电子设备，有功无功响应快，功率调节范围广，由“电网支撑直流”转变为“直流支撑电网”，增强支撑电网的能力是重要发展趋势。
• 通过与送端新能源场站一起构建跨越数干公里的“直流电厂”，通过控制重构实现多种主动支撑功能，通过挖掘柔性直流自身和送端广域多能设备能量解决支撑来源，通过提升直流过负荷能力奠定装备基础。

技术难点

1. 复杂电网交互下直流多种主动支撑控制实现难
   柔性直流单一控制架构难以适应运行边界复杂多变的电网，多种主动支撑控制与输电等多目标存在相互影响，多回直流时空互补协同难度大。
2. 柔性直流与送端广域多能设备的功率快速调用难
   送受端经高压直流跨越数干公里为支撑受端电网频率与功率紧急控制，功率快速调用面临多能广域设备能力与时间尺度各异、受端到送端层级多、链路时延长、亲新能源场站功率快速调节受电压稳定性制约等难题。
3. 过负荷大电流下换流阀极端电热应力调控难
   换流阀过负荷是柔性直流发挥频率与电压主动支撑的核心设备基础，过负荷运行下换流阀电热应力极剧增加，甚至突破器件安全边界导致器件击穿失效；在不增加器件容量的前提下实现过负荷，面临电热应力综合优化的挑战。
4. 柔性直流自身储能能力有限
   当前换流阀mF级干式薄膜电容支撑时间在百毫秒级，在有功功率支撑上难以具备发电机性能。若将特高压柔性直流与储能融合，结合储能支撑能量大、柔性直流接入高电压主网的优势，构建储能型柔性直流系统，具备类同步发电机的运行特性，将为新型电力系统提供新一代强支撑的主网侧调节手段。

柔性直流与储能融合的几种方式

1. 储能集成在换流阀子模块。
2. 储能直挂换流站直流母线。
3. 储能布置在换流站交流侧。

系统功效

直流系统方面

• 提升直流能量吞吐能力；在交流系统故障下，有效隔离送受端间相互影响。
• 维持直流电压稳定，提升柔性直流构网控制的稳定裕度。

交流系统方面

• 为受端交流电网的频率安全稳定提供调节资源：根据不同时间尺度，可以提供惯量、一次调频、二次调频、爬坡、调峰。
• 远期多回区外直流构建“直流电厂”对同步机的替代：2030年（2回区外直流）若均配置50万千瓦直挂储能，并可靠预留备用，等效替代主网10%同步机提供的总动能，可提高10万千瓦一次调频备用容量，等容量减少切负荷100万千瓦；若17回直流均配置储能，此时约10~15台同步机开机即可满足系统同步机总动能的需求。

技术挑战

1. 电芯均压问题。
2. 功率模块可靠性问题。
3. 阀塔抗压承重问题。
4. 阀塔高电位消防设备供电问题。
5. 电池冷却与凝露问题。
6. 高场强与电磁环境对储能本体影响问题。