深度盘点电力系统新技术

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1、前沿】深度盘点电力系统新技术柔性直流技术是 20 世纪 90 年代发展起来的一种新型直流输电技 术，国际上也称为轻型直流输电(HVDCLight)、新型直流输电 (HVDCPIus)，国内将其命名为“柔性直流输电”。“柔性”一词来源于英文Flexible，表示应用先进的电力电子技术 为电网提供灵活的控制手段。柔性直流输电技术以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础，具有响应速度快、可控性好、运行方式灵活、 可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于 构成多端直流系统等优点，适用于可再生能源并网、分布式发电并网、 孤岛供电等。r里搐-FFfH电柔性直流输电适用场

2、景柔性直流与常规直流的特性对比国家电网公司于2011年7月投运上海南汇风电场柔性直流输电工 程，这是亚洲首个具有自主知识产权的柔直工程，直流电压30kV， 换流站容量 18MW。在柔性直流输电技术的基础上，进一步构成多端柔性直流输电系 统，可携带来自多个站点的风能、太阳能、地热能等清洁能源，通过大容量、长距离的电力传输通道，到达多个城市的负荷中心。2014 年，国家电网公司在浙江舟山建设了世界首个五端柔性直流 输电工程，采用200千伏直流电压，分别在定海、岱山、衢山、洋山 泗礁建设一座换流站，容量分别为 40 万千瓦、30 万千瓦、10 万千瓦 10 万千瓦、10 万千瓦，实现多个海上风电场同

3、时接入和电力输送。上海甫汇示范工程投运舟山五端直淤绅 9. 04SOUJfikV 30MW201Z 08士刖ursmiu lyw.w)20U4I5J|k .MHMiMn注西联网工程 IGkV/JMW心坯庇首个高 业丁稈舟人运在端魂建服直舉首聚柔 直试验工程（ABB ）男国设适口个棘业 工複（Siemens）柔性直流输电技术路线进一步研发和构建柔性直流电网，以多能源基地大范围直流互连 J2llkJU0llm 釧a 12为主要特征，为实现未来风、光电力能源大基地外送提供可靠技术保 证。国家电网公司目前规划在张家口国家级新能源综合示范区和冬奥 专区建设张北可再生能源500千伏柔性直流电网示范工程（以

4、下简称 “示范工程”），构建输送大规模风、光、抽蓄等多种能源的 4 端环 形柔性直流电网，预计2019 年投运。落点分别在河北的张北县、康保县、丰宁县和北京的延庆区，张 北、康保换流站为送端，丰宁换流站为调节端，北京换流站为受端。 张北、康保、丰宁、北京换流站容量分别为 300 万千瓦、150 万千瓦 150 万千瓦、300 万千瓦。示范工程系统接线采用双极方式，正负极 均可独立运行，相当于两个独立环网。一极发生故障后，通过极控系 统，另一极在设备通流能力允许情况下，可以转带故障极功率。张北500千伏柔性直流电网示范工程示意图通过在张北构建柔性直流环形电网，可以实现大规模光伏、风能 的昼夜互补

5、，以及新能源与储能电源的灵活能量交互，形成稳定可控 的电源送至受端电网，解决大规模新能源接入后的系统调峰问题，减 小间歇性能源对受端交流电网的扰动冲击，实现新能源的“友好接 入”。在欧洲，为了将北海和大西洋的远海风电、芬兰和挪威的水电、 非洲北部的太阳能接入电网，规划并实施了基于柔性直流技术的全新 输电网，用来实现大范围可再生能源的优化配置。预计在未来10 年内欧洲将建设20 条以上的柔性直流工程，用于 实现各个国家之间的互联和可再生能源的并网互补。英国、美国也均 已规划了多条柔性直流输电工程，在未来20 年逐步构建柔性直流电网， 以满足其可再生能源发展的需求。2.虚拟同步机技术为应对能源问题

6、和环境压力，社会对能源使用效率的要求不断提 高；同时，风能、太阳能等分布式能源大规模地接入电网，一般说来， 分布式电源主要通过并网逆变器接入电网，并网逆变器控制策略各异， 加之分布式电源输出功率具有波动性、不确定性等特点，很难实现其 即插即用与自主协调运行。如何保证这些新接入的分布式能源与电力 系统兼容成为当务之急。100 多年以来，电力系统的规模不断变大，这主要归功于同步发 电机的同步机制。如果能使并网逆变器具有类似同步发电机的运行特 性，那么必将大幅提升分布式发电的并网安全性与运行适应性，提高 高比例新能源电力系统的稳定性。虚拟同步机正是这样一种技术，它使得并网逆变器能够模拟同步 发电机的

7、运行机理、有功调频以及无功调压等特性，使并网逆变器从 内部运行机制和外部运行特性上可与传统同步发电机一样，从而能够 促进风电、光伏发电上网的稳定性、安全性，防止脱网；可实现追踪 电网运行，自动分摊功率，阻尼电网电压和频率过快波动，对电网有 天然友好性、全网唯一频率运行，真正实现“同步”。dtLE Tat二f：廿用玄xfinAV4；湎也肚顾mui也W汝足学圧朋*尝血聋案迪*坦MJX-Ti半肌工酝髀也口审|.;法暑科t虚璋Stttt*事 l?9/ih200h 卑MK1F卑2W8卑沏埠:朗门年JO柑年丄IFV目前有光伏虚拟同步机、风机虚拟同步机、储能虚拟同步机以及负荷虚拟同步机等几种应用形式，也有文

8、献披露在能量路由器和HVDC 中的应用。虚拟同步机技术可以很好地解决分布式电源与电网 的兼容性问题。虚拟同步机主要技术特性：有功频率控制即有功频率下垂控制，根据机端频率按照下垂曲线 调整有功功率输出，模拟同步机的一次调频特性。无功调压控制即无功电压下垂控制，根据机端电压按照下垂曲线 调整无功功率输出，模拟同步机的无功电压调节能力。 虚拟惯量控制 虚拟惯性控制即模拟同步发电机机转子机电暂态摇摆过程的控制， 利用储能装置来缓冲逆变器直流侧与交流侧的功率不平衡。惯量频率支撑 当高渗透率新能源系统发生较大功率缺额时，需要新能源虚拟同 步机模拟传统同步机对系统频率的惯量支撑能力，缓解系统频率下降 速率。

9、虚拟阻尼控制 阻尼控制是模拟同步发电机电气阻尼特性的控制，通过控制惯量 储能单元存储或释放能量等方式实现阻尼振荡，可以用来阻尼虚拟同 步机与系统的机电振荡，提高动态稳定性。目前国家电网公司规划在张北风光储输基地开展示范工程建设， 建设世界容量最大的虚拟同步机示范工程。通过对现有风机、光伏发电的逆变器和控制系统进行改造，新建 大容量集中式虚拟同步机，计划2017年年底建成。虚拟同步机大规模 应用后可加快功频振荡的平息速度，减轻系统故障对电网电压、频率 的影响，提升系统暂态稳定水平。张北虚拟同步机大规模应用后对系统的影响未来的电力系统在采用虚拟同步机技术后，发电设备和负荷能够 通过内在的同步机制自

10、主交互，在不需要人工调节的情况下就可以实现系统的稳定运行。虚拟同步机技术改变了原来仅由发电端调节的单向模式，实现了 负荷端和发电端的双向调节模式。3.半波长输电技术 我国的一次能源基地与负荷中心相距甚远，如新疆煤电基地、西 藏水电基地到东部负荷中心的距离约3000km。对超远距离、超大容 量的电力输送，半波长输电技术 （Half-Wave-LengthACTransmission， HWACT）成为一种可行的解决方案。由电路原理可知，输电本质上波的传播过程，当线路足够长时， 在传输功率极限和沿线电压分布等方面会出现许多与常规输电线路不 同的特性。半波长输电正是根据交流线路长度等于一个工频半波，

11、即3000公 里（50Hz ）时，输送功率极限可以达到无穷大这一特性而确定的输电 方式（适用于理想的无损线路）。基于传输线和二端口理论推导出可用于工程计算的特高压半波长交流线路的准稳态模型。输电线路的正序参数可以等效为n形二端口 形式。从理论分析上看，当输送距离为半波长时，输电特性等同于一条 极短电气距离的输电线路。理论上输电功率可达到无穷大。但实际的输送功率要受到沿线电压分布和线路绝缘水平等因素的 制约。对于理想半波长输电，首端和末端的电压、电流幅值都相等，相 位差 180?。因此，末端电压和末端电流之间的夹角与首端电压和首端电流之 间的夹角相同，电源与负荷之间的电气距离接近于零，经半波长交

12、流 输电的远方电源在某些电气特性上几乎等同于受端本地电源。对无损半波输电线路来说，输电过程既不消耗和吸收有功，也不 消耗和吸收无功，有功和无功都无损地从首端传到末端。半波长输电技术应用场景点对网远距离大容量输电输电能力可达到 550 万千瓦左右。考虑半波长输电自身特点，远 方电源的电气特性相当于就地电源，可实现全线无功自平衡，无需安 装无功补偿设备，全线无需设置中间开关站，可以和直流输电系统一 样实现点对点或点对网输电，但在输电距离方面不如直流输电灵活。 未来还可用于 6000km、9000km 甚至 12000km 的输电距离。送端电网与受端电网之间的联网初步的经济性比较研究表明，半波长输电

13、与直流输电相比，单位 容量年费用具有一定的优势或持平。但值得指出的是，半波长线路不 可与普通长度的线路并联。但值得指出的是，半波长线路不可与普通长度的线路并联可利用半波长点对网双落点线路进行立体电网构建。利用半波长线路电气距离近似为0 的特性，通过两（多）条起点相同 的半波长线路分别落点至受端电网不同的点，即可将受端电网内 2（多） 个相隔较远的落点通过半波长线路及其共同送端联接在一起，构建 “立体电网”。“立体电网”可极大改变电网形态，大大缩短落点之间的电气距离，将显著改变同步电网的结构，明显改善同步电网的稳定性，提高同步电网内部发电机的直接同步功率支援能力。4.调相机技术同步调相机的结构基

14、本上与同步电动机相同，不带机械负载也不带原动机，在需要时向系统快速提供或吸收无功功率。在我国电网发展过程中，如省间联网初期，由于电压等级低、输 电距离远（多采用 220kV 线路远距离输电），系统功角和电压稳定问 题突出，通过在受端电网配置调相机来提高系统稳定性。20世纪八十年代以来，500kV电网发展加快，受端电网装机容量快速增加，替代了调相机作用，系统稳定性显著提高。随着调相机设 备老化，逐渐退出了电网运行。国外从20世纪五十年代开始有多个国家应用调相机提高系统的稳 定性。如瑞典、阿根廷、加拿大、埃及、巴西等国家在大规模水电基 地远距离外送的受端变电站加装调相机。法国、日本电网早期使用调

15、相机较多，随着电网网架加强和电源增加，法国调相机没有新的增加。 日本东京地区在1987年7月23日发生静态电压崩溃事故后，增加了 抽水蓄能、调相机和SVC等动态无功补偿装置。随着我国特高压直流的快速发展、清洁能源的大规模开发、大比 例受电地区的集中出现，电网特性发生较大变化，部分地区动态无功 储备下降、电压支撑不足的问题愈发突出，电压稳定问题成为大电网 安全稳定的主要问题之一。客观要求直流大规模有功输送，必须匹配 大规模动态无功，即“大直流输电、强无功支撑”。为提高电网动态 无功补偿能力，增加地区电网动态无功储备水平，有效解决电压支撑 不足的问题，需要在电网中加装调相机等动态无功设备，提高电网动 态无功补偿能力。目前国内的电机设备制造厂商正在积极研制新型调相机，具备大 容量（额定容量最大300Mvar）、少维护的特点，同时其瞬时无功输 出能力、暂态无功响应速度及过载能力相比传统调相机大大提高，是 提升电网运行安全性、满足系统稳定要求的新一代设备。TOkV站用变高压母线变频启动 SSFCI-升压变启动励磁变 励磁变启动电诲 切换装逊垂统