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柔性直流输电在交直流混联电网中的应用与展望

柔性直流技术的核心内容与主要特点

柔性直流输电（VSC-HVDC）是一种新一代直流输电技术，采用全控型功率器件和模块化拓扑结构，具有高可控性、良好适应性和有功与无功独立解耦的全域运行能力。其技术特点包括：

• 高可控性：实现有功和无功功率的独立调节，适用于复杂工况。
• 灵活运行：可支持多模式运行，包括电网互联、远距离输电、新能源送出和中低压配电。
• 适应性强：能够有效应对电网故障、短路电流、频率波动等挑战，提升系统稳定性。

柔性直流的发展现状

• 已运行项目：目前全球已运行的直流工程中，传统直流占70%，柔性直流占21%。
• 在建项目：柔性直流已成为规划中的主流方案，其规划数量是传统直流的两倍。
• 技术进步：随着双阀组串联拓扑、3000A级器件的研制，柔性直流的电压等级已提升至±800kV，容量达到5000MW。
• 国际应用：德国、英国等国家已建成多个海上风电柔性直流输电工程。

柔性直流在大电网中的作用

1. 电网互联

柔性直流可实现不同区域电网之间的电力交换，提高电网安全性和稳定性。其优势包括：

• 无增容限制：不增加交流短路电流，不受交流系统短路容量限制。
• 快速调节：可快速灵活调节潮流，提高电网互为备用能力。
• 典型案例：
  • 鲁西背靠背工程：首次将柔直用于西电东送主通道，实现异步电网的柔性互联。
  • 粤港澳大湾区中、南通道工程：显著降低短路电流，提升系统稳定性。

2. 远距离输电

• 提升能力：通过混合拓扑和主动反压技术，实现远距离架空线故障的快速清除与重启。
• 典型案例：
  • 昆柳龙工程：世界首个特高压柔直工程，容量达5000MW，输电距离1452km，有效缓解多回直流同时换相失败的风险。
  • 张北直流工程：实现大容量新能源送出，容量3000MW，电压±500kV。

3. 新能源送出

• 海上风电：柔直技术可有效降低海上风电送出的无功问题，提升输电效率。
• 典型案例：
  • 如东海风柔直工程：中国首个海风柔直工程，容量1100MW，电压±400kV。
  • 青州五/七柔直工程：预计2024年建成，将成为世界首个2GW海上风电直流送出工程。

4. 中低压配电

• 提升供电质量：柔直技术可改善配电网运行性能，提高供电可靠性。
• 应用场景：包括配电网柔性互联、增容改造、工业园区/楼宇直流供电等。
• 典型案例：
  • 珠海唐家湾工程：实现多端多层级直流配网，提升系统供电可靠性。
  • 苏州同里工程：支持多种直流电源和储能设备的接入，实现高效、绿色供电。

柔性直流在新型电力系统中的应用与展望

新型电力系统的挑战

• 强随机波动性：新能源出力波动大，对电网稳定性构成挑战。
• 低转动惯量：传统同步机比例下降，导致频率波动加剧。
• 电力电子控制主导：带来新的同步、电压、频率和振荡稳定问题。

柔性直流的应对策略

• 频率同步控制技术：通过调节两侧电网频率差值，实现异步电网的频率同步，提升调频资源共享能力。
• 异同步控制技术：模拟交流联络线，实现功率自动控制和互济，提高系统灵活性和稳定性。
• 控制与保护创新：如鲁西工程中的多换流器协调控制、昆柳龙工程中的混合直流控制技术等，提升系统安全性。

未来发展方向

• 从输电向控制转变：柔性直流将从“电能输送”发展为“输电+运行控制”双重职能。
• 提升系统韧性：通过附加惯量和一次调频控制，增强系统频率稳定性。
• 构建统一市场：推动异步电网调频辅助服务市场的建设，实现资源优化配置。

关键数据与案例

工程名称	容量/电压	输电距离	主要特点
美国Eagle Pass	36MW/±15.9kV	-	早期柔直工程
澳大利亚Murraylink	220MW/±150kV	-	早期柔直工程
爱沙尼亚Estlink	350MW/±150kV	-	早期柔直工程
英国Britain-Ireland	500MW/±200kV	-	早期柔直工程
鲁西背靠背工程	1000MW/±350kV	-	首次将柔直用于500kV主网架
渝鄂背靠背工程	1250MW/±420kV	-	提升电网安全与稳定性
中南通道柔直工程	1500MW/±400kV	-	提高电网互联能力
纳米比亚Caprivilink	300MW/±350kV	970km	远距离架空线输电
张北直流工程	3000MW/±500kV	666km	大容量新能源送出
昆柳龙直流工程	5000MW/±800kV	1452km	特高压柔直工程，提升系统稳定性
如东海风柔直工程	1100MW/±400kV	108km	我国首个海风柔直工程
青州五/七柔直工程	2GW/±500kV	-	世界首个2GW海上风电柔直工程
珠海唐家湾工程	42MW/±10kV	-	多端直流配网，提升供电可靠性
苏州同里工程	多电压等级	-	支持多种直流电源和负荷接入

技术创新与成果

• 鲁西背靠背工程：

  • 提出多类型换流器的有功/无功协调控制技术。
  • 实现柔直暂停触发和快速恢复故障穿越控制。
  • 提出常直与柔直并联运行的控制保护系统架构。

• 昆柳龙工程：

  • 首创混合直流稳态及暂态运行控制技术。
  • 采用“全桥+半桥”混合拓扑，实现远距离架空线故障自清除。
  • 提升南方电网已有11回直流的多馈入有效短路比（MIESCR）。

• 频率同步控制技术：

  • 已应用于鲁西和粤港澳大湾区项目，实现异步电网频率同步。
  • 提升主网与云南电网调频资源的共享能力。

• 异同步控制技术：

  • 模拟交流联络线，实现功率自动控制与互济。
  • 提升电网在故障时的隔离与抑制能力。

展望与意义

柔性直流输电技术在未来新型电力系统中将发挥更加重要的作用，特别是在以下方面：

• 提升电网安全与稳定性：通过优化控制策略和拓扑结构，降低多回直流同时换相失败风险。
• 促进新能源消纳：实现海上风电等大容量新能源的高效送出。
• 推动电网智能化：从“电能输送”向“运行控制”转变，承担更多系统调节职能。
• 构建统一市场：助力异步电网调频辅助服务市场建设，提升资源配置效率。

综上所述，柔性直流输电技术凭借其灵活性、可控性和高效性，已成为交直流混联电网中不可或缺的重要组成部分，并将在未来新型电力系统中发挥更大作用。