柔性直流输电技术在交直流混联电网中的应用与展望

2023年5月26日 平顶山 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 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 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 半桥子模块 柔性直流拓扑结构 全桥子模块 第二象限 QS第一象限 USUC PS /XL 第三象限第四象限 SL (0,U2/X) 有功和无功独立解耦的全域运行33 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 1 50~77% 过载能力 强 弱 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 常规直流 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 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 数据来源：CIGREB4 规划建设中直流工程 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 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 新能源送出 电网互 联柔 中低压配网 性直流技 远术 柔 距离输电 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 分区2 分区1 分区3 工程名称 容量 交流电压 投入时间 美国EaglePass工程 36MW/±15.9kV 132kV 2000 澳大利亚Murraylink工程 220MW/±150kV 132/220kV 2002 爱沙尼亚Estlink工程 350MW/±150kV 400/330kV 2006 英国Britain-Ireland工程 500MW/±200kV 400kV 2013 鲁西背靠背柔直工程 1000MW/±350kV 500kV 2016 渝鄂背靠背柔直工程 1250MW/±420kV 500kV 2019 中南通道柔直工程 1500MW/±400kV 500kV 2022 国内外已建成的柔直背靠背联网工程 中南通 道背靠背直流工 程 柔直应用于交流电网互联 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 罗平变电站 雨汪 背靠背 鲁西背靠背柔直工程广东电网背靠背柔直工程10 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 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CapriviLink工程 300MW/-350kV 970km 交流断路器清除时间1.5s 2010 张北直流 3000MW/±500kV 666km 直流断路器3ms开断电流 2020 昆柳龙直流 5000MW/±800kV 1452km 全半桥，主动降压清除150ms电流过零 2020 德国ULTRANET 800MW/±320kV 340km 全桥，主动降压清除 建设中 国内外已建成/建设中的柔直远距离架空线输电工程 全桥和半桥混合型MMC的结构示意图 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 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 工程名称 容量/电压 输电距离 投入时间 BorWin1 400MW/±150kV 200km 2010 BorWin2 800MW/±300kV 200km 2015 DolWin1 800MW/±320kV 165km 2015 HelWin1 576MW/±250kV 130km 2015 HelWin2 690MW/±320kV 130km 2015 SylWin1 864MW/±320kV 205km 2015 DolWin2 916MW/±320kV 135km 2017 DolWin3 900MW/±320kV 160km 2017 BorWin3 900MW/±320kV 200km 2019 如东海上柔直 1100MW/±400kV 108km 2021 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） 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 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 15 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 2016 NetworkEquilibriumFPL（英国） 20MW/33kV（AC） 两端/三端背靠背 2018 FENResearchCampusMVDC（德国） 7.6MW/±2.5kV 三端直流配网 2019 Angle-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 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 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 西 广东 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 云南贵州 广 HVACHVDC -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 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 无功功率协调控制 百微秒级的暂停触发技术柔直控制基本架构 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 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 20 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21 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） 5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 4 3 2 1 0 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 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 主动降压控制方法 混合直流输电运行控制技术 柔直特高压高低阀组串联运行 通过降压实现架空线故障自清除 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 –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 20000 13000 区外 6720 6720 海风 3498 1749 陆风 1026 370 光伏 2611 300 总占比 74.3% 70.3% –为应对新型电力系统的可靠性、经济性、安全性和消纳挑战，直流必须从依附电网转变为主动支撑电网，从“电能输送”单一核心职能发展为“输电+运行控制”双重职能，从事实上的容量主体转变为职能上的控制主体，承担网络构建和系统运行关键责任 1）柔直频率同步控制技术