“直流电厂”技术方案

“直流电厂”技术初探>沙戈荒、深远海等大规模新能源基地是经济负荷中心受端电网的重要电力来源，柔性直流是新能源远距离送出的重要载体国务院办公厅转发国家发展改革委国家能源局关于促进新时代新能源国家发改委国家能源局《关于促进新时代新能源高质量发展实施方案》”

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

高压输变电线路为载体…特_风电基地_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乌兰布和沙漠首页

信息公开领导活动新闻中心能源费间在线办事

巴丹吉林沙漠

库布齐沙漠目

录项的基本信息公开事项名称

：国务院力山厅种注国家主果监军善D奶蛋关于

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国

办

函(2021

9号素引号：000u/2a2-0050

主办单位：中国翩制发日期：202-

号

-

0国家能源局National

EnergyAdministration您当前位置

蓝

》正文的新能源供给消纳体系

.”腾格里沙漠海南戈壁背景库木塔格沙漠

柴达木沙漠面积：200

km×100km个DC新能源基地142035西藏清洁能源基地深远海风电基地预计到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

直流密集馈入受端电网的格局。同时，本地新能源快速发展，煤电占比逐步下降，

电源的结构与特性发生深刻变化光

伏48直流成为广东电网

第一大电量来源煤电电量逐年下降2035年其

他气

电

1

0

%核

电

1

9

%直

流

3

1

%风电19%一

区外直流电量—本地煤电电量其

他

1

1

%直气

电

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%核电流

1

6

%风

电8%气

电

1

5

%核

电

1

9

%直

流

2

4

%风电10%13%光

伏

3

%2025年柔直站个数2220背景光

伏

5

%2060年常规直流

柔性直流206020502040广东电网20302025煤

电

2

0

%西北煤

电

3

0

%年份受端广东电网新能源和电力电子化渗透率大幅提升·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73482060年电力电子瞬时渗透率1

.61.

41.20.80.60.40.2

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8Z6980S699EL94001.20.80.60.40.2会新能源出力瞬时渗透率=(风电出力+光伏出力)/负荷2060年新能源出力瞬时渗透率521554525689592661634030426745043319355926082845758578228533687421341186371571111.

4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500kV母线三相电压瞬时值SVG换流阀三相桥臂电容电压平均值T≈0.069sf≈15Hz广东合和海风场振荡事件2035年广东电网惯量将下降至2sH=2si0.220202025203020352040204520502060惯量随新能源装机占比提升而下降电源“空心化”下电压问题突出Tme(sec)受端电网运行面临挑战东鹏N-1深圳电压失稳风险保护

跳闸6柔性直流是电网中构网能力最强、容量最大的电力电子设备，有功无功响应快，功率调节范围广，由“电网支撑直流”转变为“直流支撑电网”,增强支撑电网的能

力是重要发展趋势—

国内电压等级、容量提升Transbay

cable400MWHellsjon

南

汇10MW

20MW1997

2010乌东德5000MW张

北3000MWINEFLE1000MW鲁西1000MW2016藏东南、青桂NordLink1400MW增强支撑电网能力2020构网型柔性直流：增

强主动支撑电网能力

71回5GW柔性直流等容量1回5GW柔性直流

19公顷2.5台百万千瓦火电5台百万千瓦火电

172公顷现阶段柔性直流：提升电压等级、容量、

输电距离技术思路有功调节

无

功

支

撑占地面积能力强

比较

弱(0.3,1)p.u.

秒级调节范围

调节速度(-1,1)

p.u.

毫秒级与送端新能源场站一起，构建跨越数千公里的“直流电厂”通过控制重构实现多种主动支撑功能，通过挖掘柔性直流自身和送端广域多能设备

能量解决支撑来源，通过提升直流过负荷能力奠定装备基础广域多能功率快速调用

直流过负荷

主动支撑控制功能

多区域多直流有序高效协同新能源基地面积达数万平方公里

输送距离达数千公里多区域通过直流调节资源共享与互济DC技术方案风

电

水

电光

伏联网/孤岛受端电网主动支撑下控制目标●有功/相角●无功/内电势●直流电压●子模块电压●宽频阻抗、谐波柔性直流单一控制架构难以适应运行边界复杂多变的电网，多种主动支撑控制与输电等多目标存在相互影响，多回直流时空互补协同难度大功能融合惯

量

支

撑

电压支撑频

率

支

撑

阻尼支撑协同配合Ua四一Ko难点1:复杂电网交互下直流多种主动支撑控制实现难以输电为主控制目标●

有功●

无功●直流电压阻抗特性复杂单一控制无法适

应宽范围短路比Uake

abe

dq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500kV0.8kV

35kV

220kV8%

12%4-10%14%33%SCR逐渐减小集群

送端直

受端直控制

流控保

流控保30-50ms30-50ms30ms难点2:柔性直流与送端广域多能设备的功率快速调用难送端广域多能能量传递路径通讯延时

受端到送端层级多，链路时延长电网需求：快速调频、紧急功率限制设备

AGC10-30s直流电容：启动快、能量有限广域多能：启动慢、能量大送端子模块电容受端子模块电容受端电网场站光伏10换流阀过负荷是柔性直流发挥频率与电压主动支撑的核心设备基础过负荷运行下换流阀电热应力极剧增加，甚至突破器件安全边界，导致器件击穿失效；在不增加器件容量的前提下实现过负荷，面临电热应力综合优化的挑战难点3:过负荷大电流下换流阀极端电热应力调控难个电应力现有水平保护限值1开关过冲↓目

标水平电流1.3倍1.6倍电热应力综合优化目标

过负荷时器件电热应力极剧增加

器件失效示意图

11过压失效过热失效电热应力

约束曲线→

1.6倍通态电流!

开关损耗电

压热应力温度综合优

化现有水平90°2.3kV难点4:柔性直流自身储能能力有限当前本身换流阀mF级干式薄膜电容支撑时间在百毫秒级，在有功功率支撑上难以具备发电机性能。若将特高压柔性直流与储能融合，结合储能支撑能量大、柔性直流接入高电压主网的优势，构建储能型

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拟的惯性常数H(s)支撑时间(ms)以5GW柔直为例考虑较为严苛故障，假设受端电

网频率变化率RoCoF达1Hz/s,对标容量5000MW、

惯量时间常数2s的同步发电机，应提供瞬时支撑功

率为：8个阀组子模块电容共可调用约69.12MWs的能量

(电容电压2.1kV→

1.9kV),则柔直提供400MW

支撑功率最多可持续时间为：不同频率变化率下柔性直流可模拟的惯性常数与支撑时间12柔性直流与储能融合的几种方式拓扑一：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，直接接入换流站极母线与中性母线拓扑三：储能布置在换流站交流侧。储能与柔性直流协同支撑拓扑一：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

13huuc-huc-huchuc-5MISMSM2

SM3交

流

侧

直挂储能直流侧

直挂储能hic-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功率盈余期间储能吸收功率

hnNC直挂储能hnC受端交流系统故障以往措施：●送端降功率●或配置直流耗能系统功效——直流系统方面INcNcnnc14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2.1284.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

1525024702.440k2430kCO:Graphs系统功效——直流系统方面频率功率子模块电

压◎0.&△

0.

0Max0Dfou6.35

7.0端为纯新能源场景下难以调用能量直流电压匹配控制55惯量

3-5秒内解决系统故障

瞬间频率快速

变化问题一次调频

二次调频1分钟内

15分钟内解决系统故障导致的有功

功率缺额和频率稳定问题爬坡15分钟~1小时解决新能源机组短时出力随机性和波动性带来的爬坡和潮流控制问题调峰小时级以上解决风电反调峰特性带来的系统调峰压力，以及光伏在午间出力较大而晚高峰无法顶峰

等问题，提升新能源消纳和电力保供能力为受端交流电网的频率安全稳定提供调节资源：根据不同时间尺度，可以提供惯量、一次调频、二次调频、爬坡、调峰系统功效——交流系统方面平滑新能源短时功率波动提升新能源可预见性发挥对电能的转

移作用支撑电力保供和新能源消纳发挥短时快速调

节作用支撑电网安全稳定运行电力系统调节时间尺度，功率实时平衡有功调节16为新型电力系统的安全稳定提供调节资源对交流系统支撑一：提升系统等效惯量水平，抑制频率变化率配置50万千瓦直挂储能后双极闭锁中东部主网1s频率变化减少0.018

Hz(1

s频率变化率由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100-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2时

间(s)0.25

0.5频率变化率df/dt

(Hzls)

昆柳龙双极闭锁后储能对电网惯量支撑

17一

储能功率500MW增加系统同步机总动能

约5万MWs80604020储能等

效惯量

(

s

)0.03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为新型电力系统的安全稳定提供调节资源中东部主网全年多时段一次调频上调备用紧张储能提供一次调频

同步机提供一次调频50.049.949.849.71000090008000上700060040003000200023年8Z3年9/月

23年10月

23年11月

22年12月

24年1月

24年2月

24年3月

24年4月20

25

3015时间/s系统频率/Hz24年6月

24年7月

24年8月1810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。10

GW双极闭锁：根据测算，需切除490万千瓦负荷时域仿真曲线昆

柳

龙

直

流

满

功

率

闭

锁

无

策

略

藏

粤

直

流

满

功

率

闭

锁

无

策

略昆柳龙双极闭锁藏粤直流双极闭锁为新型电力系统的安全稳定提供调节资源集中切负荷发

电损失或负荷

波

动Os昆柳龙直流闭锁主网频率响应情况2040

60

80

时

间(s)最大频率

偏

差分散切

负

荷12019藏粤、昆柳龙直流双极闭锁后主网频率50.250.049.849.649.449.249.048.8准稳态频偏差±0.2Hz系统频率HZ60s

时

间48.61000电化学储能：可等容量减少切负荷总量，直挂储能可作为全网储能一部分，来应对大容量直流闭锁超级电容储能：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配置500

MW

电化学储能配置500MW超容不配储能-时

间

(

8

)昆柳龙双极闭锁后储能对电网频率支撑为新型电力系统的安全稳定提供调节资源前为额D8储能参与第二道防线设想直

流

闭

锁配

置500M

电

化

学

储

能50.049.949.849.749.649.549.4配

置50

DMW超

容20R、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交流系统支撑四：电力平衡调节，抑波动区外以及海风新能源波动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广东2025年调节裕度向上调节裕度向下调节不足·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。为新型电力系统的安全稳定提供调节资源MW14000012000010000080000600004000020000调节能力区间—

最大顶峰需求—最小调峰需求2

1远期多回