【国家电网】2024构网型变流器技术发展与应用报告_38页_3mb

构网型变流器技术总结

核心内容概述

构网型变流器技术是应对新能源快速发展和新型电力系统建设需求的关键设备创新方向。随着我国新能源装机容量和发电量的快速增长，电力系统面临电源侧不可控性增强、负荷特性变化、电网稳定性下降等挑战。构网型变流器通过模拟同步发电机特性，提供惯量支撑、频率和电压调节能力，提升系统稳定性，成为新型电力系统的重要组成部分。

主要观点

• 新能源快速发展：2023年我国新增新能源装机2.8亿千瓦，装机总量达10.5亿千瓦，新能源发电量占比15.5%。预计2030年新能源装机将超过20亿千瓦，成为主要电源。
• 系统特性变化：新能源占比增大导致系统惯量降低、频率调节能力减弱，同时负荷特性变化使系统调节需求增加。因此，需要新的设备特性来支撑新型电力系统运行。
• 构网型变流器的作用：构网型变流器具备一次调频、惯量支撑、无功功率调节等能力，可有效解决系统稳定性问题，适应不同电网场景运行。
• 工程应用验证：构网型柔直、储能、SVG、静止同步调相机等设备已在多个工程中应用，验证了其在弱系统和高比例新能源场景下的良好适应性和支撑能力。

关键信息

新能源发展现状与预测

• 2023年新能源装机总量：10.5亿千瓦（风电4.4亿千瓦，光伏6.1亿千瓦）。
• 2023年新能源发电量：1.47万亿千瓦时（风电0.89万亿千瓦时，光伏0.58万亿千瓦时）。
• 2030年预测：风电与光伏总装机将超过20亿千瓦，新能源最大出力将超过14亿千瓦，占最大负荷的82%。
• 2060年预测：同步机组出力占比仍大于40%，50%累计时段达全年53%。

系统特性变化

• 新能源发电具有随机性和波动性，对系统快速响应和调节能力提出更高要求。
• 电力电子设备大量接入使系统惯量降低、频率调节能力下降、宽频振荡问题突出。
• 用户侧储能、产消者涌现使负荷由单向变为双向能量互动，系统调节需求显著增加。

构网型变流器技术

• 构网型变流器通过虚拟同步发电机控制（VSG）模拟同步发电机特性，具备惯量支撑、电压频率调节能力。
• 可实现联网或孤岛运行，适应性强。
• 构网型变流器主要分为构网型柔直、构网型储能、构网型SVG、构网型静止调相机等类型。

构网型变流器与跟网型变流器区别

• 构网型变流器：具备内电势稳定、有功瞬时分担、无功瞬时响应、转动惯量、一次调频、阻尼控制、黑启动、多象限运行、适应电网强度、功率同步、并/离网运行等能力。
• 跟网型变流器：依赖电网提供电压和频率参考，不具备独立调节能力。

典型工程应用

• 张北柔直工程：采用构网型控制策略，解决新能源大功率输送下的系统振荡问题，是目前世界上最大构网换流器。
• 渝鄂背靠背柔直工程：通过构网型控制策略解决近区极弱系统条件下的稳定运行问题。
• 西藏拉果错项目：全球最大的离网型新能源电力系统，采用构网型低压储能，解决矿用负荷供电问题。
• 青海宝库项目：采用构网型高压直挂储能，解决电压支撑不足问题，单机容量13.5MW/53.8MWh。
• 四川成都项目：加装构网型SVG，提升德宝直流送电能力1100MW。

变流器拓扑结构与接入方式

拓扑结构

• 模块化多电平（MMC）：具有高度模块化、可靠性高、谐波含量低，但体积大、成本高。
• 两/三电平：结构简单、控制方便，但电压等级受限、谐波含量高，难以集成储能。

接入方式

• 高压直挂：投资成本高、结构复杂，但具备良好的暂态支撑能力和冗余可靠性。
• 低压升压后接入：投资成本低、结构简单，但响应特性差、存在环流问题。

储能接入方式

• 储能与子模块融合：成熟度高，但能量利用率低，难以应用高参数电力电子器件。
• 储能通过直流母线直挂：提高能量利用率，支持动态补偿，但控制复杂、需增加穿墙套管。

构网型变流器的优势

• 提供惯量支撑，增强系统稳定性。
• 具备更强的系统支撑能力、更高的过载能力和故障穿越能力。
• 可适应强/弱电网运行，具备独立离网带负荷能力。

技术挑战与发展方向

• 构网型变流器技术仍处于发展阶段，需进一步完善拓扑结构、优化性能、提升支撑能力。
• 需研究构网型设备与非构网设备的协调控制策略，解决多构网设备之间的配合问题。
• 需精准分析交直流混联大电网的系统支撑需求，推进构网变流器标准化，助力“双碳”目标实现和经济绿色低碳转型。