基于直流大母线的大规模新能源送出技术中压配电网柔性化关键技术及应用

基于直流大母线的大规模新能源送出技术中压配电网柔性化关键技术及应用第一部分基于直流大母线的大规模新能源送出技术2目录大规模新能源直流输送的需求与演进大规模新能源直流大目线关键技术3大规模新能源直流输送的需求与演进01新能源基地外送发展方式的三个阶段未来需要实施的风电光伏西电东送规模可能会超过15亿kW，而输电距离都在2500km以上。采用常规的点对点特高压直流输电，即使每回线路输送1千万kW，也需要超过100回特高压直流输电线路，这是难以实现也是很不经济的。因此迫切需要采用新的直流输电方式。2022年发布的大基地规划布局方案，明确提出到2030年在沙戈荒地区规模化建设总装机为4.55亿千瓦的新能源。受端西部大规模风电光伏••••电网经多回直流送出需超过百回特高压直流满足输送需求51.1第一阶段：点对点风光火打捆传统直流输电方式在采用传统直流技术实现点对点风光火打捆送出的电网结构中，送、受端均采用LCC。该结构对系统强度要求较高，送端换流站的短路比通常需大于5以确保稳定运行，因此需要配套建设足够容量的火电等同步电源。火电不仅参与打捆外送，更关键的作用是为电网提供稳定的电压支撑，增强系统强度，从而保障风光新能源的可靠并入与远距离输送。火电配套电源受端LCC送端LCC直流线路受端系统风光基地无功补偿与

交流滤波器点对点风光火打捆送出拓扑结构示意图61.1第一阶段：点对点风光火打捆传统直流输电方式点对点风光火打捆送出方案的问题：(1)配套电源不足时短路比降低，受端电网故障时导致直流系统换相失败导致送端LCC无功消耗为零，造成送端无功过剩。叠加电网空载运行，可能引发新能源侧严重过电压；(2)西部地区风光火打捆外送的9条特高压直流总额定容量为8200万kW，2022年总输送电量为3384亿kWh，平均利用小时数为4126小时。输送新能源电量922亿kWh，占比仅为27.25%，未达到输送小时数（4500h）与可再生能源比例（50%）要求，整体外送效率偏低。火电配套电源受墙LCC送端LCC直流线路受端系统风光基地无功补偿与

交流送波器71.2第二阶段：点对点柔性直流输电方式直流输电应用于新能源基地送出时，需较强的支撑电源以保证稳定运行。LCC无法提供此类支撑，因其必须依赖有源电网运行，因此送端需采用具有构网能力的MMC作为支撑电源。在远距离大容量架空线路应用中，直流故障清除是关键技术挑战，当前主要途径包括直流断路器和具备故障自清除能力的换流器。对于特高压等点对点或端数较少的系统，后者更受工程认可。O。。©©OO千万千瓦级评价评价评价手续费手续费OO原件原件原件OOØ新能源场站送端汇集网络柔性直流送端换流站柔性直流应用于新能源基地送出81.2第二阶段：点对点柔性直流输电方式

年份风电年平均利用小时数风电利用率光伏年平均利用小时数光伏利用率2021211496.9%146198%2022212196.8%151198.3%2023223497%129297.1%2024212795.9%121196.8%2021-2024年风电光伏利用情况统计

η：新能源利用率91.3第三阶段：基于直流大母线的柔性直流电网我国西部地域辽阔、电网稀疏，将新能源基地先接入交流电网再转为直流输电，技术经济性较差，并非最优方案。相比之下，采用直流大母线汇集多个新能源基地，再引出西电东送直流通道的方案，不依赖西部现有交流电网，技术经济效益更优。该柔性直流电网送出方案如下图所示。西电东送特高压=250kVDC新能源基地1D-C≈1100kV/5lD+CAC≈298kV新能源基地2±250kVDCAC

新能源基地n若每个新能源基地的利用小时数为2000小时，直流输电系统所有通道的输送容量之和按新能源基地总装机容量Stotal的30%配置，若在此输电容量配比下新能源基地的总弃电量为10%，直流输电通道的利用小时数为2000*90%/30%=6000小时，得到大幅提高10大规模新能源直流大母线关键技术02112.2直流汇集与送出技术可采用直流汇集技术，能够避免交流汇集带来的各种稳定性问题，且相同廊道资源下汇集容量更大；光伏阵列接入中压直流汇集线路，多个中压直流线路汇集升压至高压，多个高压直流线路汇集升压至特高压。中压直流大组DC高压直流DC高压直流大组变压器ACDC水电站超高压交流超高压高压直流交流DCDC集群1特高压直流'ACDC送端特高受端逆变站集群n压升压站电网光伏场站全直流汇集多个高压直流线路汇集升压至特高压直流122.2直流汇集与送出技术特高压受端采用定直流电压控制；特高压送端直流变压器负责承担高压直流线路定直流电压的任务；中压直流变压器基本模块的单向LLC谐振变换器，只需采用开环定频的控制方式受端交流故障下可以稳定穿越直流故障下可以稳定穿越132.3直流变压技术隔离型单相模块化多电平DC/DC变换器的高、低压侧均采单相MMC换流器，由于低压侧电压等级低，桥臂电流较大，采用两组单相MMC换流器交直流侧并联，称为“双分裂链式”结构。中压侧高压侧±20kV±200kV直流变换器的直流侧分别连接于直流系统高、低压两侧，中间的交流侧由中频单相二绕组交流变压器连接，实现电压等级变换和故障隔离。隔离型单相M2DC基本拓扑142.3直流变压技术高压大容量直流变压器中自耦型直流变压器使用MMC技术构建功率回路，其各个直流端口共用了部分桥臂，适用于直流电网互联，具有子模块数量少、投资成本小、体积小等优点。自耦型直流变压器使用分压原理进行变压，因而仅适用于中小变比场合。并且设计困难，增加了其应用的难度。FBSMFBSMFBSMFBSMFBSMFBSMHBSMHBSMHBSMHBSMPLHBSMHBSMHBSMFBSMHBSMHBSMHBSM

HBSMHBSMHBSMV_{原}FBSMFBSMFBSMFBSMFBSMFBSM+ArmFBa2ArmFBb2

+ArmHBa2ArmHBb2

ArmFBalArmFBb1

+ArmHBa1ArmHBb1

自耦型双端直流变压器拓扑结构示意图自耦型多端口直流变压器拓扑结构示意图152.4多端口直流断路器技术具备故障限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器实现了断路部分的复用，经济性优越，可直接利用直流电网完成充电，无需额外附加器件，并且具备快速的故障清除能力。

MMC2多端口直流断路器MMC1

MMC3线路13:80km两端口直流断路器三端系统多端口直流断路器应用示意低损耗部分DCbus

UFDUFD线路1,线路

L₁••••LCSUFDUFD,线路n线路

LDS,.H桥部分断路部分MB本C本本本Tch旁路部分******来本CdpTm本

限流部分多端口直流断路器拓扑结构162.5直流潮流控制技术在环形支路中串入输出直流电压可调节的级联子模块的方式，能够同时调节同一直流母线所连接的多条直流线路上的潮流，具有模块化和易于扩展到复杂网络中的优势。直流通路交流通路

AR,i:iAR.

1Ia;••AR潮流控制器

本本本

O本本Jb太多端口直流潮流控制器潮流调节AR桥臂17第二部分中压配电网柔性化关键技术及应用18目录中压配电网柔性化需求中压配网柔性化嵌入关键技术紧凑环保型关键装备总结与展望2022年国家重点研发计划港澳合作专项“面向智慧城市的紧凑高效环保型配网柔性化关键技术研究及装备研发”，项目负责人：黄莹执行单位：南方电网科学研究院有限责任公司、澳门大学、浙江大学、广东电网有限责任公司、许继电气股份有限公司01中压配电网柔性化需求一、中压配电柔性化需求中压配电电力系统新能源、新负荷大量接入，配电网需支撑源荷互动；传统交流配电网无法适应，需要在原有交流配网引入柔性化技术新能源消纳需求区域潮流分布不均新负荷增长亟需利用直流配电和柔性互联，提升供电容量、消纳新能源、提高能效21一、中压配电柔性化需求在智慧配电柔性化面临共性关键问题城市负荷密集区供电走廊紧缺，用地成本高，电网容量提升受限挖掘柔性调控能力，降损增效，支撑新型源荷友好接入站内空间和走廊紧张落实智慧绿色低碳发展战略，亟需环保的配电装备电缆敷设成本高昂22中压配网柔性化嵌入关键技术02三、配网柔性化嵌入典型应用场景柔性化嵌入的典型应用场景：增容改造、柔性互联、直流配电24三、配网柔性化嵌入关键技术为实现上述目标，亟需突破电缆交改直评估、柔性化嵌入选址定容、柔性化配网系统高效运行控制等关键技术电场分布[>N/W]电视画面温度分布(K)交改直电缆评估技术多物理场仿真应用方案设计电热老化试验柔性化配网系空间柔性化成本嵌入选统高效效率址定容运行控技术制技术嵌入关键节点辨识柔性互联装置定容优化系统多时间尺度运行优化25三、关键技术1：电缆交改直评估现役交流配电电缆在直流运行下的输送能力评估：综合考虑电缆绝缘温度分布、电场分布，确定电缆在多回路敷设方式和直流拓扑结构时的直流载流量和通道输送容量，不同回路情况下通道容量提升能力从1.48倍到1.93倍10kV交流配电电缆YJY22-8.7/15kV

电缆直流电场分布计算通道截面容量提升能力运行方式三芯电缆根数输送容量容量提升能力伪双极直流（90℃）单根9150kW1.48伪双极直流（90℃）双根22680kW1.9326三、关键技术2：柔性化嵌入选址定容柔性化嵌入关键节点辨识提出一种基于有功/无功灵敏度的选址策略，有效甄别对线路调节能力强的节点V_{i-1}VV馈线1母线M

10kVSNOP

馈线2母线N10kV配电环网等效分析模型

VV馈线1

母线M

10kV馈线1侧等效分析模型

有功/无功灵敏度分析

改进灵敏度计算

灵敏度统计排序嵌入节点集合27三、关键技术2：柔性化嵌入选址定容基于双层规划模型的定容方法√上层以年综合费用最小为目标函数，下层以系统网络损耗、节点电压偏差以及装置内部损耗综合最优为目标，上下层迭代优化确定换流器容量光伏、储能源网架结构…柔直换流器运行影网响因素电动汽车…荷数据中心…上层规划模型目标：配电环网年综合费用最小约束：网架约束、潮流约束、安全约束、地理约束、环境约束等变量：换流器容量交替迭代优化下层运行模型目标：配电环网线路损耗费用、换流器运行损耗成本、节点电压偏差约束：网架约束、潮流约束、安全约束变量：电压、电流28三、关键技术3：柔性化配网系统高效运行控制研究柔性化嵌入配网的多时间尺度优化调控技术，实现节能增效及电压质量提升；针对分钟级调控引发的换流器功率阶跃，通过自适应动态参考控制实现动态过程毫秒级精准控制多时间尺度柔性配网优化调控框架电压安全日内双机会约束优化模型分钟级下发调控指令目前随机规划模型实现调度中心小时级优化调控(日前)电压偏差概负荷、新能源波动性率分布时空分布场景生成稳定性约束图题编低典型运行场景最优下垂控制系数最优潮流安全约束源荷分布机会约束台区(目内)机会约束模型变流器最优参考点换流器自适应动态参考控制消除超调震荡3pJ-CMS

PitakP*k自适应动态参换流器考模块(实时)→tQ*k

自适应动态参考模块29三、关键技术3：柔性化配网系统高效运行控制换流器超短时动态响应自适应控制：采用自适应动态参考控制，精准控制日内调控引发的换流器功率阶跃过程，功率超调由37.6%下降到0%；提出基于数据驱动代理模型的参数智能化筛选方法，实现不同功率调控速度控制参数的秒级优化自适应动态参考控制多场景实时仿真结果智能化参数筛选P*↑t功率调控指令引发阶跃换流器调控中心P*(k+1)p*k自适应动态参考模块Q*(k=Q*k自适应动态参考模块VSC1(P-Control)III500[3]0.05-[3]00.05T=0.62sT=0.02s(adm)5overshoot0.50.0.50-[Se]0.05.0-0.05-Overshoe37.6%[无法识别]dP=5MWQdP=4M3800.020.060.080.10.0400.12实时仿真器最小化目标函数f(k)(RTDS)满足约束K验证元启发式优化性能多场景参数优化评估仿真离线训练dP代理模型文件存储30紧凑环保型关键装备03四、关键装备面临的挑战（挑战1紧凑）现有柔直换流器占地面积大、功率密度低，制约其在密集区配网应