支撑以新能源为主体新型电力系统构建的直流输电技术展望

信息来源:南方电网报  发布时间2021-12-14

  要实现碳达峰、碳中和目标,能源是“主战场”,电力是“主力军”,作为我国碳排放占比最大的单一行业,电力行业减排进程将直接影响碳达峰、碳中和整体进程。2021年3月中央财经委员会第九次会议首次提出构建以新能源为主体的新型电力系统,为电网企业把握新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局提供了战略指引。

  在碳达峰、碳中和目标指导下,初步测算到2030和2060年我国新能源发电量占比将分别超过25%和60%,新能源将逐步在电源结构中占据主导地位。随着电力系统从可预测的火电和水电、相对稳定的负荷,变为出力难以预测的风电和光伏以及随机性更高的电动汽车、微网系统等新型负荷,电力系统实时平衡、电力保障将面临巨大挑战,系统调节资源需求增大。

  为建设以新能源为主体的新型电力系统,未来电网将形成“跨省区主干电网+中小型区域电网+配网及微网”的柔性互联形态,实现新能源按资源禀赋因地制宜广泛接入、多元化负荷用能需求,电网作为消纳高比例新能源的核心枢纽作用更加显著。直流输电是实现远距离大容量电力输送、增强电网互联灵活性和可控性、提升电网对新能源接纳能力的重要手段。

  新发展阶段直流输电技术发展趋势

  随着新型电力系统建设的持续推进,直流输电技术将在大规模清洁能源超远距离、跨区域、大容量传输,电网柔性分区,深远海上风电高效送出,海量分布式新能源消纳和直流负荷接入等领域迎来新的发展机遇。

  在大规模清洁能源经济高效送出和柔性互联方面,直流输电以其快速控制的调节性能、大容量远距离送电等优点,将成为推动云南风光水打捆一体化直流送出、藏东南等大型综合能源基地开发送出和深远海上风电集群大规模电源开发利用的重要手段。针对藏东南等清洁能源超远距离、跨区域、大容量传输需求,需进一步开展适应于超远距离、超高海拔等直流输电系统设计、设备研发等研究。针对远海风电开发,经济高效送出是海上风电进一步发展的关键,需要开展海上风电直流组网技术、柔性中低频输电技术等经济高效的输电技术研究。柔性直流背靠背是实现电网柔性分区互联的重要技术,可实现电网合理分层分区,增强电网互联灵活性和可控性。

  在直流配用电技术方面,随着大量分布式新能源、微电网和柔性负荷接入,配电网逐步进入具有电力电子化特征的“交直流混合”时代,在交流配电网中嵌入柔性直流以实现分布式电源和直流负荷接入,促进分布式新能源消纳,充分满足未来多样化用能需求,需要研究技术经济性优的紧凑化直流配电技术,解决大量分布式新能源消纳和城市密集区解决线路走廊受限的增容改造。

  直流输电技术发展展望

  1、支撑大规模清洁能源传输的超远距离、跨区域、大容量直流输电技术

  推动云南风光水打捆一体化直流送出、藏东南等大型综合能源基地开发直流送出,需要进一步研究超远距离、跨区域、大容量特高压直流输电送端与受端电网系统接入方案及稳定特性,突破超远距离大容量特高压直流输电控制保护技术、超高海拔外绝缘和电磁环境设计技术和跨区域智能化运维技术,支撑重大示范工程建设。发展多种形式的多端直流输电系统,直流和交直流混合组网技术,直流电网故障高速识别、隔离与恢复技术等,支撑电网灵活运行控制能力的提升。

  2、支撑大规模深远海风电经济高效送出的新型直流输电技术

  开展海上风电送出新型直流汇集技术和柔性中低频汇集送出、无常规电源支撑的海上风电直流外送技术研究,为大规模深远海风电送出提供经济优选、安全稳定、绿色环保的整体解决方案。海上平台型柔性直流输电送出具有与陆上不同的特点,需要适应海上换流站复杂严酷使用条件,开展柔性直流轻型化换流平台设计研究,研发紧凑化、高可靠性、免运维、环保型的海上关键装备和运维技术。

  3、支撑大电网柔性互联的背靠背柔性直流技术

  针对支撑广东等联网型柔直背靠背重大工程建设需要,研究电网背靠背柔性互联异同步控制技术,提升柔性直流对电网的支撑能力;结合电网对潮流调节的不同应用需求,研究新型区域电网主动潮流调节关键技术与装备;面向柔性异步及交直流柔性并列结构,研究协同电压控制、快速故障隔离等高动态的控制保护技术;自主化研制高可靠性柔性直流输电核心装备,实现工程示范应用。

  4、支撑分布式新能源消纳和直流负荷接入的紧凑经济型直流配用电技术

  面向分布式新能源消纳和多元用户负荷接入技术需求,在现有交流配电网中嵌入柔性直流,形成交直流混合配电系统,需要开展交直流混合配电系统规划与评估方法,配电网柔性直流系统高可靠、高效率、技术经济合理的拓扑技术装备与标准化方案研究。在负荷密集区的城市配电网难以满足负荷的增长,交流线路转供能力不足,长期处于重载运行状态,利用直流来进行增容改造是较好的解决方案,但需要解决紧凑化和经济性方面难题,研究直流配电紧凑化、模块化、经济型、差异化技术方案来进行增容改造。在部分直流负荷占比较高的园区或区域,直接建设直流配用电系统,利用其潮流灵活可控、配电能力与供电可靠性高等优势,实现多能互补系统高效接入。直流配电在新能源消纳、增容改造方面具有技术优势和灵活性,提升紧凑经济性能将促进直流配电技术持续进步和规模化推广应用。

  5、直流输电基础支撑技术

  直流输电技术已经实现诸多关键技术和设备突破,随着基础器件和关键技术的提高,数字技术与传统电力技术的深度融合,可靠性和可用性也在不断提升。进一步开展直流关键设备和组部件国产化技术研究,实现先进半导体器件等直流主设备的国产化;开展直流主设备运行状态评估与延寿技术研究,开展直流主设备数字化样机与内特性可视化技术研究,建立内特性可视化系统,提出运行状态评估及延寿方法,支撑直流系统可靠安全运行。

  结语

  直流输电技术对推动构建以新能源为主体的新型电力系统将起主力军作用。南方电网公司将根据新型电力系统建设需求不断深化直流输电技术研究,为大规模新能源高效送出和消纳、电网柔性互联、海量分布式新能源消纳和多元用户负荷用能需求等方面提供更有力的支撑。

  (作者黄莹 为南方电网公司高级技术专家、南网科学研究院直流输电与电力电子技术研究所三级职员)

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