淋江大學(xué)電氣工程學(xué)院基于直流大母線的大規(guī)模新能源送出技術(shù)展望浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院直流輸電團隊黃瑩徐政王國騰目錄01.大規(guī)模西部新能源的東送需求02.新能源基地外送發(fā)展方式的三個階段03.構(gòu)建直流大母線的關(guān)鍵技術(shù)04.結(jié)語01大規(guī)模西部新能源的東送需求1大規(guī)模西部新能源的東送需求按照實現(xiàn)“雙碳”自標(biāo)的要求，到2060年，根據(jù)多個權(quán)威機構(gòu)的預(yù)測，基本一致的數(shù)據(jù)是我國的總裝機規(guī)模為80億kW，發(fā)電量為16萬億kWh（2022年底8.4萬億kWh）其中風(fēng)電裝機25億kW，光伏裝機36億kW，風(fēng)電和光伏的總裝機為61億kW。在這80億kW的總裝機規(guī)模和16萬億kWh的發(fā)電量中有多少容量需要通過西電東送消納，目前尚未有權(quán)威性的數(shù)據(jù)出現(xiàn)。項目名稱業(yè)主單位風(fēng)電光伏規(guī)規(guī)模/MW模/MW華能集團40008000三峽集團40008000國家能源集團18009000華電內(nèi)蒙古公司、40008000內(nèi)蒙古庫布奇沙漠鄂爾多斯南部新能源基地內(nèi)蒙古庫布奇沙漠鄂爾多斯中北部新能源基地寧夏騰格里沙漠東南部新能源基地內(nèi)蒙古騰格里沙漠賀蘭山至中東部新能源基地華潤、遠(yuǎn)景能源等沙戈荒新能源基地送出通道示意圖沙戈荒風(fēng)光基地部分項目1大規(guī)模西部新能源的東送需求對西電東送容量進(jìn)行簡單估算，假設(shè)風(fēng)電和光伏裝機中的一半安裝在我國西部地區(qū)，那么西部地區(qū)風(fēng)電和光伏的總裝機約30億kW：再假設(shè)其中的一半裝機容量需要送電到東部地區(qū)，那么需要實施的風(fēng)電光伏西電東送規(guī)模會超過15億kW，而輸電距離都在2500km以上。采用常規(guī)的點對點特高壓直流輸電，即使每回線路輸送1千萬kW，也需要超過100回特高壓直流輸電線路，這是難以實現(xiàn)也是很不經(jīng)濟的。因此迫切需要來用新的直流輸電方式。受端電網(wǎng)西部大規(guī)模風(fēng)電光伏經(jīng)多回直流送出2022年發(fā)布的大基地規(guī)劃布局方案，明確提出到2030年在沙戈荒地區(qū)規(guī)?；ㄔO(shè)總裝機為4.55億于瓦的新能源。需超過百回特高壓直流滿足輸送需求02新能源基地外送發(fā)展方式的三個階段12.1第一階段：點對點風(fēng)光火打捆傳統(tǒng)直流輸電方式在采用傳統(tǒng)直流技術(shù)實現(xiàn)點對點風(fēng)光火打捆送出的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，送、受端均采用LCC。該結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)強度要求較高，送端換流站的短路比通常需大于5以確保穩(wěn)定運行，因此需要配套建設(shè)足夠容量的火電等同步電源?；痣姴粌H參與打捆外送，更關(guān)鍵的作用是為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓支撐增強系統(tǒng)強度，從而保障風(fēng)光新能源的可靠并入與遠(yuǎn)距離輸送。火電配電源送端LCC直流線路變端LCC本受端系線本風(fēng)光基地用光動補貨與交流濾波器點對點風(fēng)光火打捆送出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖12.1第一階段：點對點風(fēng)光火打捆傳統(tǒng)直流輸電方式點對點風(fēng)光火打捆送出方案的問題：（1）配套電源不足時短路比降低，受端電網(wǎng)故障時導(dǎo)致直流系統(tǒng)換相失敗導(dǎo)致送端LCC無功消耗為零，造成送端無功過剩。疊加電網(wǎng)空載運行，可能引發(fā)新能源側(cè)嚴(yán)重過電壓例如，在青豫直流系統(tǒng)中，換相失敗后，塔拉地區(qū)、合樂地區(qū)和香加地區(qū)的新能源暫態(tài)過電壓分別達(dá)到1.39p.u.、1.35p.u.和1.33p.u.，在某些情況下甚至接近1.4p.u.。以往工頻過電壓超過1.1pu時允許新能源發(fā)電單元脫網(wǎng)，現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)要求工頻過電壓小于1.3pu時新能源發(fā)電單元不脫網(wǎng)。但工頻過電壓超過1.3pu時一般會導(dǎo)致新能源發(fā)電單元脫網(wǎng)。2LCC本2.1第一階段：點對點風(fēng)光火打捆傳統(tǒng)直流輸電方式點對點風(fēng)光火打捆送出方案的問題：(2）風(fēng)光火打捆外送的9條特高壓直流總額定容量為8200萬kW，2022年總輸送電量為3384億kWh，平均利用小時數(shù)為4126小時。輸送新能源電量922億kWh，占比僅為27.25%，未達(dá)到輸送小時數(shù)（4500h）與可再生能源比例（50%）要求，整體外送效率偏低?；痣娕浔茧娖魉蚏LCC直汽線路愛編LCC受端系線用光功補耀具數(shù)據(jù)來源：王康：

“新能源消納成績單發(fā)布，特高壓難解大基地送出難題！”，發(fā)表于“零點能源智庫”2.1第二階段：點對點柔性直流輸電方式直流輸電應(yīng)用于新能源基地送出時，需較強的支撐電源以保證穩(wěn)定運行。LCC無法提供此類支撐，因其必須依賴有源電網(wǎng)運行，因此送端需來用具有構(gòu)網(wǎng)能力的MMC作為支撐電源在遠(yuǎn)距離大容量架空線路應(yīng)用中，直流故障清除是關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，當(dāng)前主要途徑包括直流斷路器和具備故障自清除能力的換流器。對于特高壓等點對點或端數(shù)較少的系統(tǒng)，后者更受工程認(rèn)可?；诎霕蜃幽K的MMC無法自清除故障，因此不能獨立用作此類系統(tǒng)中的換流器。平波電抗器大規(guī)模新能0203LCC木 中源發(fā)電基地FHMMC光伏電站HMMC風(fēng)電場LCC架空線路柔性直流應(yīng)用于新能源基地送出102.1第二階段：點對點柔性直流輸電方式對任何一種用于大規(guī)模新能源基地送出的直流輸電系統(tǒng)，需要滿足如下3個條件1)能夠向送端交流電網(wǎng)提供支撐電壓2)受端交流電網(wǎng)故障時不產(chǎn)生嚴(yán)重的換相失敗影響3）具有直流線路故障自清除能力。而送端LCC-MMC串聯(lián)混合型直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種可行的方案平波電抗器Lae大規(guī)模新能本LCC源發(fā)電基地AOYFHMMC光伏電站受端HMMC風(fēng)電場本LCC架空線路1112.1第二階段：點對點柔性直流輸電方式運行條件：1)由送端MMC提供送端電網(wǎng)支撐電源，送端MMC按照所謂的f/V控制模式運行，控制換流站交流母線頻率恒定和電壓幅值恒定，送端的光伏和風(fēng)機按照鎖相同步控制方式運行。2)受端交流電網(wǎng)故障時無換相失敗問題。3)直流線路故障時通過送端LCC強制移相抵消MMC直流電壓使送端換流站電壓極性反轉(zhuǎn)，從而清除直流線路故障電流。平波電抗器大規(guī)模新能源發(fā)電基地2LCCFHMMC光伏電站HMMC風(fēng)電場LCC架空線路122.1第二階段：點對點柔性直流輸電方式當(dāng)采用點對點柔性直流輸電方式100%輸送新能源時，由于風(fēng)電和光伏的利用小時數(shù)低，使得點對點柔性直流輸電通道的利用小時數(shù)仍然比較低。舉例來說，設(shè)新能源基地的裝機容量為Sbase，利用小時數(shù)為2000小時，直流輸電系統(tǒng)按新能源基地裝機容量的60%配置輸電容量即Shvdc=Sbase*60%若在此輸電容量配比下新能源基地的棄電量為5%，那么直流輸電通道的利用小時數(shù)為2000*95%/60%=3167小時。顯然，3167的利用小時數(shù)對直流輸電通道來說，利用率過低。*Sbase*

nThvde=

Toase風(fēng)電年平均光伏年平均Shvde年份利用小時數(shù)風(fēng)電利用率利用小時數(shù)2021211496.9%146198%2022212196.8%151198.3%2023223497%129297.1%2024212795.9%121196.8%光伏利用率Tarvde：直流輸電通道利用小時數(shù)Svde：直流輸電容量Tas：新能源基地利用小時數(shù)Spase：新能源基地裝機容量2021-2024年風(fēng)電光伏利用情況統(tǒng)計n7:新能源利用率1312.1第三階段：基于直流大母線的柔性直流電網(wǎng)我國西部地域遼闊、電網(wǎng)稀疏，將新能源基地先接入交流電網(wǎng)再轉(zhuǎn)為直流輸電，技術(shù)經(jīng)濟性較差，并非最優(yōu)方案。相比之下，采用直流大母線匯集多個新能源基地再引出西電東送直流通道的方案，不依賴西部現(xiàn)有交流電網(wǎng)，技術(shù)經(jīng)濟效益更優(yōu)。該柔性直流電網(wǎng)送出方案如下圖所示。榮性直寬電網(wǎng)若每個新能源基地的利用小時數(shù)為2000小時，直流輸電系統(tǒng)所有通道的輸送容量之和按新能源基地總裝機容量Stotal的30%配置，若在此輸電容量配比下新能源基地的總棄電量為10%，直流輸電通道的利用小時數(shù)為2000*90%/30%=6000小時，得到大幅提高03構(gòu)建直流大母線的關(guān)鍵技術(shù)3.1直流匯集與送出技術(shù)可采用直流匯集技術(shù)，能夠避免交流匯集帶來的各種穩(wěn)定性問題，且相同廊道資源下匯集容量更大；·光伏陣列接入中壓直流匯集線路，多個中壓直流線路匯集升壓至高壓，多個高壓直流線路匯集升壓至特高壓。中壓直流DC高壓直流超高壓超高壓交流高壓直漆交流DDCDC特高樂直流大組受端高壓直流變壓器集群送端特高壓開壓站逆變站電網(wǎng)光伏場站全直流匯集多個高壓直流線路匯集升壓至特高壓直流163.2直流變壓技術(shù)隔離型單相模塊化多電平DC/DC變換器的高、低壓側(cè)均采單相MMC換流器，由于低壓側(cè)電壓等級低，橋臂電流較大，采用兩組單相MMC換流器交直流側(cè)并聯(lián)，稱為“雙分裂鏈?zhǔn)健苯Y(jié)構(gòu)。中壓側(cè)±20

kV高壓側(cè)±200

AV直流變換器的直流側(cè)分別連接于直流系統(tǒng)高、低壓兩側(cè)，中間的交流側(cè)由中頻單相二繞組交流變壓器連接，實現(xiàn)電壓等級變換和故障隔離。隔離型單相M2DC基本拓?fù)?.多端口直流斷路器技術(shù)具備故障限流和快速故障清除能力的多端口直流斷路器實現(xiàn)了斷路部分的復(fù)用，經(jīng)濟性優(yōu)越，可直接利用直流電網(wǎng)完成充電，無需額外附加器件，并且具備快速的故障清除能力。抵損耗部分線路1DS線路m+DS.-...線路IBUS112線路12100km線路mDS.DS,耳橋部分路部分K杰多端口直流斷路器MMC1旁路部分MMC3RIC線路13:80km兩端口直流斷路器限流部分本··本本三端系統(tǒng)多端口直流斷路器應(yīng)用示意多端口直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)183.直流潮流控制技術(shù)在環(huán)形支路中串入輸出直流電壓可調(diào)節(jié)的級聯(lián)子模塊的方式，能夠同時調(diào)節(jié)同一直流母線所連接的多條直流線路上的潮流，具有模塊化和易于擴展到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢。交流通路直流通路ARTAR.用流控制名多端口直流潮流控制器潮流調(diào)節(jié)AR橋臂195.結(jié)語面對我國能源轉(zhuǎn)型中大規(guī)模