“直流电厂”技术初探

“直流电厂”技术初探南网科研院直流所黄伟煌2025年09月柴达木沙漠柴达木沙漠”加大力度规划建设以大型风光电基地为基础……以稳定安全可靠的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系….”超过6000万千瓦的沙戈荒、超过7000万千瓦的深远海清洁电力通过柔性直流馈入广东电网预计到2035年，馈入广东电网的柔性直流换流站将由预计到2035年，馈入广东电网的柔性直流换流站将由1个增加到11个，形成柔性 直流24%光伏48直流成为广东电网煤电电量逐年下降气电10%核电19%直流31%光伏5%其他11%直流16%气电19%气电15%核电19%面积：200km×100km个西藏深远海西北·2025年，新能源出力瞬时渗透率全年基本不超过40%;而2060年，新能源渗透率明显上升，尤其在冬春季节，新能源出力瞬时渗透率出现大于100%的情况·在考虑直流受入电力后，电力电子瞬时渗透率全年超过一半时间高于50%,最高可到148%,呈现出冬春高，夏秋低的特征，系统的安全运行面临巨大挑战2060年电力电子瞬时渗透率2060年电力电子瞬时渗透率电力电子瞬时渗透率=(风电出力+光伏出力+直流受入电力)/负荷新能源出力瞬时渗透率=(风电出力+光伏电力电子瞬时渗透率=(风电出力+光伏出力+直流受入电力)/负荷受端电网的电力电子化程度加深，安全稳定运行面临受端电网的电力电子化程度加深，安全稳定运行面临灵活调节资源不足、频率与电压稳定性下降、宽频振荡风险增加等问题，将制约沙戈荒等清洁电力可持续馈入电力电子装备引起的宽频振荡频发电力电子装备引起的宽频振荡频发保护跳闸电源“空心化”下电压问题突出电源“空心化”下电压问题突出2035年广东电网惯量将下降至2s20202025203020352040204520506能力能力1回5GW柔性直流等容量1回5GW柔性直流19公顷5台百万千瓦火电172公顷有功调节无功支撑占地面积秒级电压等级、容量提升乌东德张北鲁西增强支撑电网能力光伏光伏风风电水电频率支撑阻尼支撑四Uakeabedq阻抗特性复杂单一控制无法适应宽范围短路比●有功/相角●无功/内电势●直流电压●子模块电压●有功●无功●直流电压送受端经高压直流送受端经高压直流跨越数千公里，为支撑受端电网频率与功率紧急控制，功率快速调用面临多能广域设备能力与时间尺度各异，受端到送端层级多、链路时延长，新能源场站功率快速调节受电压稳定性制约等难题送端子模块电容受端子模块电容受端电网送端子模块电容受端子模块电容受端电网广域多能能量传递路径广域多能：直流电容：广域多能：直流电容：快速调频、紧急功率限制快速调频、紧急功率限制控制送端直受端直控制送端直受端直流控保流控保设备通讯延时受端到送端层级多，链路时延长难点3:过负荷大电流下换流阀极端电热应力调控难电流→1目标目标现有现有优化开关损耗过压失效温度过热失效难点4:柔性直流自身储能能力有限柔性直流系统，具备类同步发电机的运行特性，将为新型电力系统提供新一代强支撑的主网侧调节手段网频率变化率RoCoF达1Hz/s,对标容量5000MW、 拓扑一：储能集成在换流阀子模块。与换流阀一体化设计，集成在子模块中拓扑二：储能直挂换流站直流母线。通过储能功率模块级联升压，直接接交流侧直挂储能交流侧直挂储能拓扑一：储能集成在换流阀子模块拓扑二：储能直挂换流站直流母线拓扑三：储能布置在换流站交流侧提升直流能量吞吐能力；在交流系统故障下，有效隔离送受端间相互影响送端交流系统故障，有功功率跌落，直挂储能可以短时提高输出功率弥补受端馈入功率的损失受端交流系统故障，降低直流侧过电压风险，不需要送端降功率，并可取消直流耗能装置受端交流系统故障以往措施：Nc●送端降功率Nc●或配置直流耗能直挂储能n系统功效——直流系统方面维持直流电压稳定，提升柔性直流构网控制的稳定裕度受端换流站采取直流电压匹配控制构网，在频率下降时，直流电压下降，需要及时补充能量来维持子模块电压。如配置储能，可就地提供能量，维持直流电压的稳定，无需与较远的送端协同，特别是送端为纯新能源场景下难以调用能量直流电压匹配控制压8有功调节有功调节为受端交流电网的频率安全稳定提供调节资源调频、爬坡、调峰电力系统调节时间尺度，功率实时平衡发挥短时快速调节作用支撑电网安全稳定运行15分钟~1小时发挥对电能的转移作发挥对电能的转移作用支撑电力保供和新能源消纳0.288Hz/s提升至0.270Hz/s),在此频率变化率下，提升系统总动能最大约5万MWs(约为全网的十四分之一)时域仿真曲线一配置500MW储能一不配储能增加系统同步机总动能增加系统同步机总动能约5万MWs3昆柳龙双极闭锁后储能对电网惯量支撑17交流系统支撑二：提高系统一次调频备用，缓解同步机一次调频备用不足情况当前通过同步机开机、预留备用容量等方式确保系统一次调频备用容量。当配置50万千瓦直挂储能，开等效替代100万千瓦同步机预留的一次调频备用交流系统支撑三：应对直流双极闭锁，抑制系统最大频率偏差，提高系统恢复频率，减少切负荷量8GW双极闭锁：2025年夏季方式，需采取两轮切负荷措施，第一轮稳控集中最大切负荷量150万千瓦，用于解决频率最低点越限问题，以及第二轮分散低频最大切负荷130万千瓦，用于满足恢复频率要求。10GW双极闭锁：根据测算，需切除490万千瓦负荷时域仿真曲线最大频率偏差准稳态准稳态分散切负荷藏粤、昆柳龙直流双极闭锁后主网频率昆柳龙直流闭锁主网频率响应情况藏粤、昆柳龙直流双极闭锁后主网频率超级电容储能：可降低系统最大频率偏差，可降低稳控集中切负荷量，但不一能减少切负荷总量直流闭锁配置500MW配置500MW超容储能参与第二道防线设想昆柳龙双极闭锁后储能对电网频率支撑储能参与第二道防线设想2025年方式，广东向上调节充裕度最小为200万千瓦(5月)、向下调节充裕度最小为-800万千瓦(1月)。直挂储能可提供50万千瓦灵活调节，若远期受端电网消纳能力有限，储能可减少直流功率受限向上调节裕度调节能力区间—最大顶峰需求—最小调峰需求·调节需求区间=系统净负荷最高点-系统净负荷最低点。·向上调节充裕度=(日调节需求峰值时刻常规机组+储能机组最大放电功率)-系统日调节需求峰值。·向下调节充裕度=(日调节需求谷值时刻常规机组最小出力+储能最大充电功率)-系统日调节需求谷值。2030年(2回区外直流):若均配置50万千瓦直挂储能，并可靠预留备用，等效替代主网10%同步机提供的总动能，可提高10万千瓦一次调频备用容量，等容量减少切负荷100万千瓦2060年(17回区外直流):若均配置50万千瓦直挂储能，并可靠预留备用，等效替代主网75%同步机提供的总动能，可减少150万千瓦一次调频备用容量，并且能等容量减少切负荷总量750万千瓦■若按直流满功率闭锁后中东部主网频率动能需求至少为25万MWs,储能可等■若17回直流均配置储能，此时约10