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“十三五”期間，我國以水風光為主的可再生能源實現跨越式發(fā)展，2020年底，三類可再生能源總裝機容量達到8.7億kW，占全國總裝機約40%，是構建清潔低碳能源體系的核心組成部分。“十四五”時期我國可再生能源將進入高質量躍升發(fā)展新階段，為早日實現“碳達峰、碳中和”目標提供主力支撐。

然而，風光發(fā)電受天氣影響較大，出力的波動性與隨機性使其并不具備傳統(tǒng)火電機組的強可控性，帶來嚴重的消納問題。隨著可再生能源并網規(guī)模的快速擴大，占比不斷提高，輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行等問題進一步突出。而可再生能源的多能互補送出是平抑能源波動、解決可再生能源接入難題的重要途徑。

常規(guī)水電具有技術成熟、調節(jié)能力穩(wěn)定的優(yōu)勢，與風光發(fā)電有良好的互補性。因此，充分發(fā)揮水電既有調峰潛力，實施“水風光一體化”統(tǒng)籌開發(fā)是支撐可再生能源可靠消納的有效舉措。依托西南水電基地統(tǒng)籌推進水風光綜合基地開發(fā)建設是我國“十四五”期間可再生能源發(fā)展的重大舉措之一。

針對可再生能源大規(guī)模跨區(qū)輸送問題，國內外學者圍繞常規(guī)直流和柔性直流兩種輸電技術方案開展了大量研究工作。基于電網換相換流器（LCC）的常規(guī)高壓直流輸電（LCC-HVDC）技術成熟，目前我國已投運數十條±800kV及以上的常規(guī)高壓直流輸電工程。基于模塊化多電平換流器（MMC）的柔性直流輸電（MMC-HVDC）具有無需換相支撐電壓、有功和無功功率獨立控制、可直接連接弱電網與新能源孤島等技術優(yōu)勢，其在大規(guī)模遠距離架空線應用場景下的可行性也在2020年投運的張北工程和昆柳龍工程中得到驗證。

然而上述研究場景中送端多是單個換流站，未充分考慮到水風光等多類型可再生能源分布于不同地理位置的情況。

針對我國西部地區(qū)大規(guī)模可再生能源跨區(qū)輸送場景，綜合考慮可再生能源地理分布情況與可靠消納需求，強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院）、國網經濟技術研究院有限公司的孟沛彧、向往、潘爾生、趙崢、李探、文勁宇，在2022年第19期《電工技術學報》上撰文，提出一種適用于不同地理位置新能源基地接入的分址建設特高壓直流輸電系統(tǒng)。

圖1 分址建設直流輸電系統(tǒng)拓撲

該系統(tǒng)送端高壓換流站布置于以水電為主的能源基地，低壓換流站布置于水風光混合能源基地，高低壓閥組通過短距離的直流架空線路串聯，再經長距離直流線路連接受端換流站，從而實現可再生能源的多能互補分址送出。

研究人員指出，在分址建設的應用場景下，直流輸電系統(tǒng)主要面臨以下問題與挑戰(zhàn)：

1）對于西部地區(qū)的可再生能源特高壓直流輸送，已有工程送端全部采用常規(guī)直流輸電技術。然而，可再生能源集中于偏遠地區(qū)，接入點網架相對較弱，隨著風電等低慣量的可再生能源大規(guī)模接入，送端系統(tǒng)呈現含高比例新能源弱系統(tǒng)的特點，常規(guī)直流輸電穩(wěn)定性存在惡化風險。

2）遠距離傳輸和分址建設使得換流站之間存在多條直流架空線路，直流短路故障下存在多電壓等級故障穿越問題，該問題在柔性直流輸電技術中尤為突出。

3）受端交流故障給常規(guī)直流輸電系統(tǒng)帶來的換相失敗問題以及給柔性直流輸電系統(tǒng)帶來的盈余功率耗散問題。

因此，應開展分址建設特高壓直流拓撲構建方案選型與暫穩(wěn)態(tài)運行特性研究，以實現分址建設直流輸電系統(tǒng)的拓撲優(yōu)選與可靠運行。

研究人員圍繞圍繞常規(guī)直流輸電與柔性直流輸電兩種可行技術方案，考慮分址建設場景下地理距離對系統(tǒng)的影響，分別分析了分址建設系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)運行情況，提出了高、低壓輸電線路直流故障和送、受端系統(tǒng)交流故障的應對策略，并提出一種分址建設特高壓直流輸電系統(tǒng)的拓撲結構，在送端高低壓閥組間引入直流架空線路，從而實現多類型可再生能源基地跨區(qū)接入。

他們根據系統(tǒng)運行特性、控制能力和設備投資情況，從技術可行性和經濟性等方面對兩種方案進行了對比分析，給出了不同場景下的優(yōu)選方案，討論了LCC-MMC混合型分址建設直流輸電系統(tǒng)的潛在方案，并在PSCAD/EMTDC中搭建分址建設特高壓直流輸電系統(tǒng)模型，仿真驗證系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)下的運行特性。

圖2 分址建設直流輸電系統(tǒng)的混合型結構

圖2a為送端采用柔性直流、受端采用常規(guī)直流的端間混合方案，既可發(fā)揮柔性直流為可再生能源送出提供電壓支撐的技術優(yōu)勢，又能有效降低工程造價。圖2b為送受端都采用LCC與MMC混聯結構的方案，該方案同樣綜合了兩種換流器的技術經濟優(yōu)勢，可利用LCC處理長距離架空線路的直流故障問題，受端混聯結構可以充分發(fā)揮MMC的無功支撐能力抑制換相失敗。

研究人員最后表示，隨著IGBT、子模塊電容等柔直關鍵器件的進一步升級，柔直換流閥正在向特高壓大容量方向發(fā)展，分址建設直流輸電系統(tǒng)的混合型結構未來將具有較強的工程實用性，值得進一步研究。

本文編自2022年第19期《電工技術學報》，論文標題為“分址建設直流輸電系統(tǒng)拓撲方案與運行特性研究”。本課題得到國家電網有限公司總部管理科技項目“4000米高海拔下接入弱交流系統(tǒng)的分址建設特高壓直流設計關鍵技術研究”的支持。