中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
一、特高壓柔性直流輸電技術(shù)需求分析
隨著“雙碳”目標(biāo)提出，加快建設(shè)新型能源體系和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)已經(jīng)成為廣泛共識(shí)。我國能源資源與需求呈現(xiàn)逆向分布，新能源出力的隨機(jī)性、強(qiáng)時(shí)空相關(guān)性，決定了我國近期仍需擴(kuò)大交直流互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模才能滿足遠(yuǎn)距離大容量輸電和新能源跨省跨區(qū)消納需求。
我國電網(wǎng)已進(jìn)入大規(guī)模特高壓交直流混聯(lián)時(shí)代，“雙高”“雙峰”特征明顯，但當(dāng)前電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活性欠缺，遠(yuǎn)距離大容量跨區(qū)直流輸電受端換相失敗、輸電通道利用不均衡、調(diào)峰能力不足等問題凸顯，未來需積極研發(fā)與應(yīng)用先進(jìn)電網(wǎng)技術(shù)，不斷提高電網(wǎng)運(yùn)行靈活性和調(diào)節(jié)能力以適應(yīng)更高比例新能源接入。
柔性直流輸電是新一代先進(jìn)直流輸電技術(shù)，采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、集成門極換流晶閘管（IGCT）等全控型功率器件，與常規(guī)直流輸電方式相比，具有不存在換相失敗、能夠?qū)崿F(xiàn)功率連續(xù)調(diào)節(jié)、可向電網(wǎng)提供電壓和頻率支持、輸出諧波少、具備黑啟動(dòng)能力等突出優(yōu)點(diǎn)。柔性直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)決定了它是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在支撐送端弱交流電網(wǎng)下大規(guī)模新能源送出、提高多直流集中饋入受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平、實(shí)現(xiàn)大區(qū)電網(wǎng)異步互聯(lián)等場(chǎng)合具有迫切的應(yīng)用需求。
“十四五”和“十五五”期間，我國將依托新能源基地形成一批跨區(qū)輸電通道，由于部分新能源基地電源結(jié)構(gòu)受限，以光伏和風(fēng)電為主，所在的送端電網(wǎng)架構(gòu)較弱，因此大規(guī)模新能源基地經(jīng)特高壓柔性直流輸電送出將是我國未來新能源消納的一種重要形式。由于低慣性、弱阻尼等特性，高比例新能源和多饋入柔性直流輸電極大地改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)形態(tài)，亟需開展大規(guī)模新能源基地特高壓柔性直流送出關(guān)鍵技術(shù)研究，優(yōu)化柔性直流輸電控制策略，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模新能源友好送出及消納，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
二、大型新能源基地特高壓柔性直流輸電技術(shù)現(xiàn)狀分析
（一）大型新能源基地特高壓柔性直流輸電技術(shù)特點(diǎn)
大型新能源基地?cái)M輸送的新能源比例高且容量較大，根據(jù)目前規(guī)劃，部分送端換流站的容量可能達(dá)到了8000兆瓦甚至10000兆瓦，超過了已建柔性直流換流站單站5000兆瓦的最大容量規(guī)模。
其次，青海、西藏等地區(qū)大型新能源基地海拔普遍較高，最高海拔可能達(dá)到4500米左右，這對(duì)換流站主設(shè)備制造和工程設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)。
另外，位于送端弱電網(wǎng)的大型新能源基地，涉及光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、柔直等復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)提出更高要求。
（二）換流站直流主設(shè)備研究進(jìn)展
1.功率器件。4500伏/3000安 IGBT器件已成功應(yīng)用于±800千伏/5000兆瓦換流站建設(shè)；應(yīng)用于±800千伏/8000兆瓦換流站的4500伏/5000安 IGBT器件已完成研發(fā)，但部分器件試驗(yàn)還需要補(bǔ)足，目前暫無實(shí)際工程應(yīng)用。
2.換流閥。±800千伏/5000兆瓦的柔性換流閥已有工程應(yīng)用?！?00千伏/8000兆瓦和±800千伏/10000兆瓦柔性換流閥技術(shù)上具備可行性，但相關(guān)換流閥功率模塊的試驗(yàn)進(jìn)度需要進(jìn)一步推進(jìn)。
3.換流變壓器。針對(duì)±800千伏柔性直流換流站，當(dāng)換流容量大于5000兆瓦時(shí)，高端單臺(tái)換流變壓器無法滿足常規(guī)整體鐵路運(yùn)輸。此外，在高海拔地區(qū)換流變壓器套管外絕緣、換流變壓器溫升等問題需要通過海拔修正和試驗(yàn)驗(yàn)證解決。
4.套管。套管類設(shè)備共分為直流穿墻套管、換流變閥側(cè)套管和普通直流復(fù)合外套等三大類，在4500米海拔均需重新研制。國內(nèi)廠家具備研制高海拔換流站直流穿墻套管、換流變閥側(cè)套管的能力。
5.電抗器。基于以往±800千伏特高壓直流輸電工程經(jīng)驗(yàn)，電抗器設(shè)計(jì)不存在無法解決的瓶頸問題。橋臂電抗器研制的主要技術(shù)難點(diǎn)在于在高海拔環(huán)境下應(yīng)嚴(yán)控等效交流電流和等效直流電流共同作用下產(chǎn)生的溫升。
6.直流高速開關(guān)?！?00千伏直流高速開關(guān)在海拔2000米或3000米條件下，國內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)廠家可以直接采用現(xiàn)有產(chǎn)品，按海拔4500米考慮，則需重新加長產(chǎn)品支柱、斷口尺寸，補(bǔ)充相應(yīng)的型式試驗(yàn)。
（三）控制保護(hù)策略
根據(jù)新能源發(fā)電和柔直輸電的運(yùn)行特點(diǎn)，新能源經(jīng)柔直送出控制保護(hù)系統(tǒng)典型策略有：
1.電網(wǎng)電壓支撐控制。新能源孤島匯集系統(tǒng)接入柔性直流輸電系統(tǒng)時(shí)，由于沒有同步電源給新能源提供并網(wǎng)電壓，因此換流站需要給新能源并網(wǎng)提供穩(wěn)定的并網(wǎng)電壓。送端換流站可采用V-F或構(gòu)網(wǎng)型控制策略，為系統(tǒng)提供電壓和慣量支撐；輸入柔直換流站的功率則由風(fēng)電、光伏的實(shí)時(shí)上網(wǎng)功率決定。
2.功率盈余控制。當(dāng)發(fā)生交流或直流系統(tǒng)故障時(shí)，由于能量重新分配，可能出現(xiàn)電壓或電流的增大，需要通過柔直內(nèi)部控制、投入耗能裝置等相應(yīng)策略實(shí)現(xiàn)能量平衡控制。由于耗能裝置可用時(shí)間較短，長時(shí)間的功率盈余需要穩(wěn)控系統(tǒng)執(zhí)行降功率或切機(jī)等操作。
3.寬頻振蕩抑制。柔直寬頻振蕩抑制技術(shù)分為一次系統(tǒng)抑制和二次系統(tǒng)抑制方案。對(duì)于一次系統(tǒng)抑制方案，可通過運(yùn)行方式優(yōu)化或增加無源濾波器的方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于二次系統(tǒng)抑制方案，可通過整體延時(shí)優(yōu)化和阻抗特性重塑的方法實(shí)現(xiàn)振蕩抑制。
4.直流故障清除控制。對(duì)于采用架空線路的特高壓柔直工程，需要加裝直流斷路器或者換流器采用“全橋+半橋”混合型MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以清除故障電流。
（四）電氣主接線方案研究
±800千伏柔直換流站采用典型對(duì)稱雙極、高低閥組串聯(lián)的換流單元接線方式。
當(dāng)換流容量為8000兆瓦時(shí)，可根據(jù)站址大件運(yùn)輸情況確定換流變的配置方案；大件運(yùn)輸受限時(shí)，換流變可按2臺(tái)并聯(lián)考慮。
當(dāng)換流容量為10000兆瓦時(shí)，由于現(xiàn)階段4500伏/6250安 IGBT器件尚不具備工程應(yīng)用可行性，可采用4500伏/3000安 IGBT器件并通過并聯(lián)接線實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有并聯(lián)接線包括直流極線并聯(lián)、換流閥橋臂并聯(lián)、功率器件并聯(lián)等3種方案。經(jīng)研究評(píng)估，初步判斷相較于直流極線并聯(lián)，橋臂并聯(lián)在投資與占地方面較優(yōu)，但運(yùn)行檢修靈活性略遜，且器件并聯(lián)技術(shù)上仍存在一定不確定性，該方案在造價(jià)和占地方面可能具有優(yōu)勢(shì)，未來需開展進(jìn)一步研究工作。
三、特高壓柔性直流輸電技術(shù)問題分析
（一）有載分接開關(guān)、干式電容器薄膜材料等少數(shù)核心部件（材料）長期依賴進(jìn)口
分接開關(guān)是大型變壓器的核心部件之一，國內(nèi)在運(yùn)特高壓換流變壓器的分接開關(guān)100%依賴進(jìn)口，分接開關(guān)已成為制約我國特高壓重大裝備研發(fā)和制造的關(guān)鍵“卡脖子”問題。
截至2022年底，國內(nèi)已建成的柔性直流輸電工程中，柔直換流閥用干式直流電容器全部依賴進(jìn)口。近年來，進(jìn)口2.8千伏/9毫法電容器已實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)，國內(nèi)企業(yè)采用國產(chǎn)薄膜開展了高壓大容量干式直流電容器的研制，并掛網(wǎng)試用。但國內(nèi)產(chǎn)品和國外相比，仍存在能量密度偏低、研制迭代周期長等問題。
（二）特高壓直流套管和大功率電力電子器件產(chǎn)品成熟度相對(duì)較低
經(jīng)過多年的不斷研發(fā)，國產(chǎn)套管取得了長足進(jìn)步，目前可以生產(chǎn)直流±100千伏~±1100千伏套管。近年來，±1100千伏直流穿墻套管、±800千伏直流穿墻套管、±800千伏換流變閥側(cè)套管已分別在昌吉—古泉、陜北—武漢、青海—河南等特高壓工程帶電運(yùn)行。但是國內(nèi)制造的特高壓套管核心制造技術(shù)仍待突破，產(chǎn)品成熟度低，同時(shí)進(jìn)口套管近期也發(fā)生一些故障，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)安全穩(wěn)定和供電可靠性。因此，特高壓套管目前仍是制約我國特高壓工程建設(shè)的瓶頸，是亟需補(bǔ)強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)的短板。
從工程應(yīng)用來看，國產(chǎn)IGBT的使用率正逐步增長。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，張北柔直工程IGBT國產(chǎn)化率整體約為4%，如東柔直工程海上站和陸上站IGBT國產(chǎn)化率分別約為8%和16.7%，廣東中南通道柔直背靠背工程中應(yīng)用率達(dá)到50%，白鶴灘—江蘇工程中應(yīng)用率達(dá)到66.7%。但總的來說，在高壓大容量柔直輸電領(lǐng)域IGBT國產(chǎn)化率整體還是偏低。相較于國外產(chǎn)品，國內(nèi)產(chǎn)品在飽和壓降、導(dǎo)通損耗、結(jié)溫等方面還有一定的差距，故障率也偏高，需要提高技術(shù)要求，更新迭代產(chǎn)品。
（三）特高壓柔性直流工程輸送容量、損耗和單位造價(jià)等關(guān)鍵指標(biāo)相比常規(guī)直流仍存在差距
我國近年來建設(shè)投產(chǎn)的±800千伏特高壓常規(guī)直流換流站的換流容量最高達(dá)8000兆瓦甚至10000兆瓦，±1100千伏換流站可達(dá)到12000兆瓦。而目前±800千伏特高壓柔直換流站最大容量為5000兆瓦，遠(yuǎn)小于常規(guī)直流工程。特高壓柔直換流容量技術(shù)上難以做到常規(guī)直流的水平，主要受限于當(dāng)前功率器件通流能力。
在損耗方面，特高壓柔性直流工程額定功率運(yùn)行時(shí)，換流閥、換流變損耗率超過1%，而特高壓常規(guī)直流工程中換流閥、換流變損耗率約為0.75%，兩者存在差距，主要體現(xiàn)在換流閥方面。柔性直流換流閥損耗主要包括子模塊通態(tài)損耗、開通損耗和斷態(tài)損耗，與器件特性和調(diào)制策略緊密相關(guān)，未來需加強(qiáng)低損耗器件研發(fā)，優(yōu)化調(diào)制策略，合理設(shè)計(jì)開關(guān)頻率。
近十年來，隨著技術(shù)進(jìn)步，柔直輸電工程的成本逐步下降，但整體仍較常規(guī)直流工程高出20%以上。我國近年來建設(shè)投產(chǎn)的特高壓常規(guī)直流換流站，其單位造價(jià)基本控制在600~800元/千瓦，而特高壓柔直換流站單位造價(jià)在900~1300元/千瓦。從投資費(fèi)用構(gòu)成來看，柔直換流閥等關(guān)鍵設(shè)備投資仍是導(dǎo)致柔直輸電工程建設(shè)費(fèi)用大幅超過常規(guī)直流工程的主要影響因素。其中高壓大功率IGBT器件約占柔直換流閥總價(jià)的40%，未來隨著國產(chǎn)化IGBT器件使用率的進(jìn)一步提高，柔直輸電工程造價(jià)將進(jìn)一步降低。
（四）超高海拔、重覆冰等復(fù)雜環(huán)境下的特高壓柔直輸電工程技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)
我國目前已建成的特高壓換流站工程海拔高度均在3000米以下，而未來建設(shè)的特高壓換流站工程的海拔可能會(huì)達(dá)到4000米以上，工程建設(shè)尚無先例，特高壓電氣設(shè)備的絕緣配置和空氣間隙、架空線路重冰區(qū)覆冰特性及鐵塔設(shè)計(jì)、試驗(yàn)條件、施工建設(shè)等方面均將面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是4000米以上特高壓直流工程的絕緣問題，國際上可供借鑒的研究成果很少。另外，隨著特高壓建設(shè)的快速推進(jìn)，特高壓輸電走廊資源將逐漸趨于飽和，克服復(fù)雜電磁環(huán)境、提高單位寬度走廊輸送能力也是亟需深入研究的問題。
（五）柔性直流電壓主動(dòng)支撐技術(shù)有待突破
100%大規(guī)模純新能源基地送端電源系統(tǒng)由眾多電力電子變換器組網(wǎng)構(gòu)成，沒有常規(guī)電源支撐，慣量近乎為零。其中，柔性直流換流器是最大的電力電子變換器，除了負(fù)責(zé)整個(gè)電網(wǎng)的功率平衡，還需要為新能源基地提供并網(wǎng)所需的電壓和慣量支撐，即柔直的構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)，這需依靠成熟的理論分析和精確的仿真計(jì)算，針對(duì)系統(tǒng)層面以及多時(shí)間尺度復(fù)雜控制系統(tǒng)提出控制策略。目前高比例電力電子裝備下的電力系統(tǒng)同步特性研究需要控制系統(tǒng)理論、電力電子和電力系統(tǒng)等多學(xué)科的有機(jī)融合，研究工作尚處于起步階段，整個(gè)理論體系還有待進(jìn)一步發(fā)展完善，柔性直流電壓主動(dòng)支撐等關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。
四、發(fā)展建議
（一）推動(dòng)跨行業(yè)融合發(fā)展，避免產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)受制于人
當(dāng)前，我國柔直重大輸變電裝備中諸如干式電容器薄膜材料、電纜絕緣料等少數(shù)高端電工材料仍然受制于人，要擺脫目前這種窘境，國家有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)政策引導(dǎo)和促進(jìn)行業(yè)協(xié)同，繼續(xù)鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合，組織電力、石化等行業(yè)聯(lián)合攻關(guān)高端電工材料的基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)制造，通過合資或資本運(yùn)作等方式，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)和利益共享，推動(dòng)跨行業(yè)融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國電工裝備和材料由大變強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈短板，逐步化解技術(shù)裝備受制于人的風(fēng)險(xiǎn)。
（二）依托新能源大基地開發(fā)，加大國產(chǎn)化重大技術(shù)裝備示范應(yīng)用扶持力度
在大基地建設(shè)中，應(yīng)給予特高壓直流套管、大功率電力電子器件等國產(chǎn)化技術(shù)裝備更多的發(fā)展空間，為新能源電力匯集和特高壓送出相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)裝備應(yīng)用留出適度應(yīng)用場(chǎng)景。出臺(tái)鼓勵(lì)性政策，對(duì)實(shí)現(xiàn)成功投運(yùn)的用戶、研發(fā)機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)予以表彰，依托大型新能源基地特高壓柔性直流工程推進(jìn)關(guān)鍵電力裝備和核心部件等科技創(chuàng)新成果應(yīng)用，加快推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，為后續(xù)高海拔地區(qū)大規(guī)模電力外送奠定良好的基礎(chǔ)，并為后續(xù)沙戈荒新能源開發(fā)送出提供借鑒。
（三）利用“揭榜掛帥”“賽馬”等立項(xiàng)機(jī)制，加快支撐特高壓柔性直流輸電系統(tǒng)構(gòu)建的重大技術(shù)攻關(guān)
充分利用“揭榜掛帥”“賽馬”等立項(xiàng)機(jī)制，聚焦超高海拔等復(fù)雜環(huán)境下的特高壓柔直工程建設(shè)、大功率電力電子器件研發(fā)、柔直系統(tǒng)電壓主動(dòng)支撐和寬頻振蕩抑制、數(shù)字化和智能化等核心技術(shù)攻關(guān)需求，激勵(lì)優(yōu)勢(shì)科研團(tuán)隊(duì)積極申報(bào)和承擔(dān)重大核心技術(shù)攻關(guān)，實(shí)施簽訂“軍令狀”“里程碑”等考核管理方式。
（四）制定新能源大基地特高壓柔直工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)提升行動(dòng)計(jì)劃
在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系基礎(chǔ)上，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用情況，開展標(biāo)準(zhǔn)化提升行動(dòng)對(duì)支撐新能源大基地建設(shè)具有重要意義。在新能源送出方面，進(jìn)一步優(yōu)化特高壓柔性直流標(biāo)準(zhǔn)體系，為主干網(wǎng)架和跨區(qū)輸電通道建設(shè)提供標(biāo)準(zhǔn)支撐，建立健全科技與標(biāo)準(zhǔn)化互動(dòng)支撐機(jī)制，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化與創(chuàng)新融合發(fā)展，全面科學(xué)指導(dǎo)新能源基地特高壓柔直送出項(xiàng)目的規(guī)范設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行。
（五）堅(jiān)持政府推動(dòng)和企業(yè)主導(dǎo)，助力國產(chǎn)柔直輸電技術(shù)裝備“走出去”
加快中國裝備“走出去”和推進(jìn)國際產(chǎn)能合作，是實(shí)現(xiàn)中國經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級(jí)和提高企業(yè)競(jìng)爭力的重要舉措。雖然當(dāng)前地緣政治、逆全球化等因素疊加給國際貿(mào)易帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但長遠(yuǎn)來看國際合作的大趨勢(shì)不會(huì)改變，未來仍應(yīng)通過政府推動(dòng)、企業(yè)主導(dǎo)的方式，推進(jìn)產(chǎn)融結(jié)合，全面促進(jìn)特高壓柔性直流輸電等優(yōu)勢(shì)裝備、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)“走出去”，提升我國在國際能源合作中的影響力和話語權(quán)。
