面向雙高電力系統發展需求的柔性直流輸電技術南方電網科學研究院有限責任公司L提綱I.雙高電力系統發展II.柔性直流輸電的應用基礎V.總結2雙高電力系統發展占總裝機的58.2%,新增清潔能源發電量占全社會用電增量一半以上超過50%新能源-電源總裝機容量裝機容量比例裝機容量3雙高電力系統發展南方電網新能源發展：2024年已成為最大的裝機電源；預計2035年前成為第一大發電量的電源；預計到2060年成為全網發電量的主體電源-2024年春節期間，受新能透率最高達到54.8%,高比例的新能源對電力供應保障、系統安全帶來巨大挑戰2020年2025年2030年2035年2040年2050年2060年新能源裝機容量南網新能源滲透率4雙高電力系統發展傳統電網傳統電網負荷雙高電力系統特征5雙高電力系統發展隨著新能源和電力電子裝置在電力系統的滲透率不斷提升，雙高電力系統轉動慣量降低，調頻、調壓能力不足，安全問題日益突出，存在潛在運行風險澳大利亞，2016年9月28日事故前，澳大利亞南部風/光發電占比約48%。事故當日，強臺風導致風電機組大規模脫網等系列故障，最終演變成持續50個小時的全州大停電。本次事故主要原因與系統轉動慣量不足、風機連續低電壓穿英國，2019年8月9日由于風電場和分布式光伏非正常脫網，導失機組1691MW,切除負荷931MW。本次事故過程中，網內風電、分布式電源耐受異常電壓、頻率的能力不足，產生連鎖反6雙高電力系統發展和革芫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正極母線橋臂功率模塊功率模塊Lo直流側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負極交流電網77雙高電力系統發展雙高電力系統的發展亟需柔性直流在現有應用基礎上突破新型關鍵技術柔性直流需具備電網構造控制能力，進一步提升對電網的主動支撐作用柔性直流需研發新型功率器件和換流拓撲，實現容量更大、性能更強、更加經濟高效短路電流控制諧波治理電壓穩定阻尼控制8提綱II.柔性直流輸電的應用基礎V.總結9柔性直流輸電的應用現狀我國已投運12項柔性直流工程，主要用于風電送出、電網互聯、遠距離輸電和無源網絡供電渝鄂背靠背魯西背靠背●2016年8月青州海上風電送出工程●2022年招標廣東背靠背張北柔直工程上海南匯風電接入●2011年8月中海油文昌油田平臺供電●2011年3月昆柳龍直流工程南澳工程●2013年12月如東海上風電送出工程舟山五端柔直工程●2014年廈門柔直工程●2015年12月白鶴灘工程●預計2022年柔性直流輸電的應用現狀截止2021年，國際上已經投運的柔性直流工程達54個，總變電容量約63GW,主要分布在歐洲和我國。數量上，我國占比20.4%;容量上，我國占比55%因不依賴電網且對電網友好，柔性直流在歐洲被大量用于海上風電和跨國互聯工程數量工程數量變電容量/GW55000直流電壓—個直流電壓—個Hellsjon容拿魯西張北0柔性直流技術發展現狀得到了廣泛應用新能源送出新能源送出中低壓配網電網互聯電網互聯遠距離輸電柔性直流技術柔性直流技術壓電中交流微電網提綱II.柔性直流輸電的應用基礎V.總結電壓源自主負載變化負載同步負荷電流源電壓源自主負載變化負載同步負荷電流源負載電網不提供短路電流風力發電機負荷電壓弱，電網故障恢復難度加大。的電力電子設備自身穩定能力變弱。弱慣量：隔離了風電機組的轉動慣量，電力系弱阻尼：新能源與弱電網的相互耦合加強，系統寬頻振蕩現象頻發。技術背景為解決新型穩定性問題，并應對新型電力系統慣量降低、電壓支撐能力不足的問題———增設大型調相機、分布式調相機或抽水蓄能機組，電機,能夠提供無功支撐和短時有功支撐，具有維持電網電壓穩定和頻率穩定的作用方案2方案2以構網技術為核心構建具有電壓源特性的電力電子國內外主要構網型電網標準及技術規范序號1HighPenetrationofPoweContributionofGridFormingCENTSO-E(歐洲)2GuidelineGridformingbehaviorofHVDCsystemsVDEFNN(德國)3GC0137MinimumSpecificationRequiredNGESO(英國)4DynamicModelAcceptanceTestGuidelineAEMO(澳大利亞)5FINGRID(芬蘭)6GridFormingFunctionalSpecificationsforBPSNERC(美國)7GB/T38983.1-2020《虛擬同步機第1部分：總則》國標委(中國)8《構網型儲能系統并網技術規范》T/CES243-2023《構網型儲能系統并網測試規范》T/CES244-2023電工技術學會(中國)9《構網型儲能變流器技術規范》(征求意見稿)(中國)構網定義與基礎直流電容電壓控制虛擬同步機功率同步控制虛擬振蕩器控制匹配控制虛擬同步發電機負載頻率控制混合同步控制同步變流器下垂控制特點結構簡單，響應速度較快；具備慣性和阻尼特性；匹配控制本質上基于功率同步；構網定義與基礎構網技術目前尚未有明確統一的定義。當前業內普遍認為構網是具備自同步電壓源特性，可自行構建系統電壓/頻率，并可在次暫態到暫態時間尺度內維持恒定或基本恒定的電壓源外特性構網技術三大基礎：構網策略提供控制基礎、能量存儲單元如鋰電池、超級電容提供能量基礎、器件高過載提供拓撲硬件基礎-2020構網控制策略構網控制策略單元能力構網型設備可分為風電變流器、光伏逆變器、儲能變流器、SVG和柔性直流換流閥等不同類型，不同類型設備對電網支撐能力有差異柔性直流容量大，柔性直流構網控制技術對電網的支撐作用非常重要設備能力capability風電光伏單機容量中等中等慣量支撐√√√×√一次調頻√√√×√電壓支撐√√√√√慣量支撐能量來源風機轉子動能有功備用電池/電容/對端電網柔性直流構網控制技術構網型柔性直流輸電技術，在調頻、電壓穩定、阻尼振蕩等方面具備支撐電網作用，提升電網對新能源的消納建立系統電壓1黑啟動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故障電流調控故障電流調控4545跟網型柔直主要采用獨立有功無功解耦控制模式，對外呈現受控電流源特性，依賴鎖相環實現與電網同步，弱系統下難以穩定運行構網型柔直對外呈現受控電壓源特性，通過功率控制實現與電網同步，可瞬時響應電網故障，具有良好的弱電網適應性響應速度通常小于10ms,☆☆柔性直流構網工程案例-時間應用地點步控制，實現送端短路比1.2,受端1.0的弱系統穩定運行張北直流電網送端起初采用V/f控制，出現振蕩后采取虛擬同步機控制連接遠海風場，為系統提供電壓和慣量主動支撐特斯拉將150MW級儲能系統加裝構網控制方式南澳約克半島主網支撐微網頻率和電壓，實現100%新能源穩定運行國內首座大型構網型儲能電站1.678MW光伏，IMWh/2MWh儲能全球首次構網型光儲系統并網性能現場測試全國首次在送端直流近區接入構網型風電機組規模最大的風電場通過構網型儲能實現100%新能源黑啟動以及支撐孤網運行河北建投康保風電示范項目將并網點短路比技術邊界由1.5-1.8下探至1.2四川成都電網側構網SVG項目世界首套電網側66kV構網型SVG設備柔性直流構網工程案例由ABB建設的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。該區域網架結構薄弱，采用傳統跟網型控制的柔直難以滿功率穩定運行本工程首次采用了構網控制(功率同步控制),實現了送端短路比1.2,受端短路比1.0的極弱系統穩定運行七立子七立子焊A南非CapriviLink柔性直流輸電工程CapriviLink柔直系統結構25提綱II.柔性直流輸電的應用基礎V.總結我國西北部大型新能源基地送出需求，大型海上風電送出需求，新型電力系統柔高電壓6500V及以上、大電流5000A及以上、更高結溫150℃的IGBT工作結溫由125℃提升到150℃,過負荷能力提升30%653如東陽江2流鄂1白鶴灘A4IGBT芯片結構由平面柵向溝槽柵、精細溝槽柵發展。溝槽柵結構相對平面柵結構，電流密度提升20%,導通壓降降低15%左右；精細溝槽柵比起溝槽柵，柵極溝道更小，器件損耗可進一步減小，相同電壓等級下器件損耗小約10%精細溝槽普通溝槽已研制出6500V/4000A、6500V/8000AIGCT,正在研制6500V/10000AIGCTCP-IGCT,可在設計在特定電壓下主動擊穿，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強度，3倍未來適用到柔直配電系統，SiC需要高電壓(≥10kV)、結溫(≥215℃)服務器、電滿足的應用范圍信設備電源最高結溫由175℃提升到215℃,電壓等級/V大電流(≥100A)、高國內外高壓SiC器件布局新型換流拓撲-MMC發展已有20年。電網中10kV以上應用場景幾乎都首選MMC,應區別發展高壓輸電領域短期內仍以MMC為主體結構，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撲-能量自平衡換流閥拓撲-針對遠距離新能源送出場景，系統故障時存在功率盈余的風險，影響設備安全常規方式：MMC+交直流耗能新方式：能量自平衡換流閥拓撲+送端交流耗能，取消直流耗能，受端交流故障時閥承受短時間暫態能量沖擊能力，解決新能源-柔性直流系統的能量平衡難題十螺交流耗能主要應對直流單極閉鎖、直流架空線故障的能量不平衡問題交流耗能新型換流拓撲-能量自平衡換閥拓撲針對交直流故障時百毫秒級別的暫態能量沖擊，南網科研院提出集成分布式耗能功能的換流閥新型拓撲結構，在全站每個半橋/全橋功率模塊的直流側并聯由泄能電阻+泄能電能量自平衡的含義：實時監測功率模塊電容電壓，自動控制泄能電阻的投入和退出。當退出投入定值定值……功率模塊過壓保護定值能量自平衡支路動作區間…穩態最大模塊電壓…………穩態最小模塊電壓態態工況工況新型換流拓撲-能量自平衡換流閥拓撲泄能電力電子開關選用焊接式IGBT,利用其開路失效模式，在IGBT器件故障時將泄能電阻隔離，不影響換流閥的正常運行，電壓等級應與閥主開關器件保持一致流流××√√×X√√√√√√富士×××××√√√時間/s不同電阻值時能量自平衡支路的泄放電流對比新型換流拓撲-能量自平衡換流閥拓撲能量自平衡換流閥技術經濟性優：受端交流故障后，通過換流閥泄能支路釋放不平衡能量，避免電容過壓，有助于降低換流閥功率模塊電容容值；直流架空線故障自清除時，通過換流閥泄能支路承受暫態能量沖擊，可有效降低全橋模塊數量以遠距離特高壓柔直輸電系統中5000MW換流閥為例面積新型換流拓撲-能量自平衡換流閥拓撲-針對海上風電柔性直流送出場景，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，通過送端柔直閥與送端風機耗能配合處理直流系統故障-節省了設備成本2.1億，節約陸上土地資源8300平方米換流閥7.1億元新型換流拓撲-高壓大模塊海上平臺、城市電網應用等對電力電子裝備體積、重量敏感，緊湊化、高功率密度電力電子拓撲十分迫切近年來，“高電壓、大模塊”成為研究熱點，如采用多器件串聯、三電平模塊兩器件串聯電路結構新型換流拓撲-二極管整流Diole臨Diole55臨體體新型換流拓撲-MCC積極發展非MMC的柔直拓撲：清華大學提出模塊化換向式兼顧了低頻調制、多電平輸出等優勢，開關器件用量減少25%,相同容量下電容用量減少87%占占占占SM:半橋模塊串聯SM:半橋模塊串聯新型換流拓撲采用全控器件改善半控器件用于輸電的技術不足可控換相換流器CLCC:采用IGBT+晶閘管混合閥，解決換相失敗風險；主支路電流轉移到輔助支路輔品閘管閥V14避雷器可控換相換流器CLCC混合換相換流器HCC多源自適應換相換流器SLCC40新型換流拓撲-CLCC-可控換相換流器CLCC:采用IGBT+晶閘管混合閥，解決換相失敗風險，應用于葛南直流工程南橋換流站改造六脈動換流器拓撲每個橋臂由主支路和輔助支路并聯構成，主支路由常規晶閘管閥串聯低壓大電流IGBT閥構成，輔助支路由高壓IGBT閥和高壓晶閘管閥串聯構t米米以化米米N可控換相換流器CLCC主支路電流轉移到輔助支路可控換相換流器CLCC:閥塔采用懸吊式四重閥塔型式，與原有LCC閥共用閥塔，不改變系統運行特性及系統設計，兼容最高6250A直流工程，換流站損耗0.75%,具備電壓電流獨立調節能力，故障期間可根據系統需要進行靈活的有功/無功支撐2023年6月葛南工程受端南橋換流站投運15個月以來，共遭遇6次交流故障，未發生換相失敗，保持0換相失敗紀錄。同期周邊所有換流站均先后發生換相失敗靜態均壓電阻混合換相換流器HCC:可減小換流閥的無功需求至原來的40%-50%(典型44%),在現有無功配置下可滿足濾波需求、諧波因數，拓寬換流閥運行范圍HCC換流閥相比于傳統LCC閥，損耗、體積基本相當，成本增加15%左右，可用于未來常規直