論壇丨大規(guī)模新能源直流并網(wǎng)技術(shù)仍待突破
來(lái)源：中國(guó)電力報(bào) 時(shí)間：2024-01-22 10:52
劉晨 程翀 段松濤
與傳統(tǒng)交流并網(wǎng)方式相比，采用直流并網(wǎng)方式可以有效簡(jiǎn)化電能變換環(huán)節(jié)，提高設(shè)備功率密度和傳輸效率，是適應(yīng)未來(lái)大規(guī)模新能源組網(wǎng)的主要發(fā)展方向。然而，由于交、直流功率變換機(jī)制與物理特性的差異，直流并網(wǎng)系統(tǒng)在整體架構(gòu)、升壓變換、運(yùn)行控制、故障保護(hù)等方面均面臨獨(dú)特的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，需要系統(tǒng)梳理新能源并網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)。
分析研判新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)需求
為積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化，實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，需要加強(qiáng)以風(fēng)電、光伏為代表的新能源高效開(kāi)發(fā)利用體系建設(shè)。為此，需要針對(duì)典型新能源發(fā)電場(chǎng)景分析研判相適應(yīng)的并網(wǎng)技術(shù)需求，推動(dòng)新能源規(guī)模化開(kāi)發(fā)和高效利用。
分布式新能源通常建設(shè)于用戶負(fù)荷周邊，所發(fā)電能與本地負(fù)荷在配網(wǎng)層面實(shí)現(xiàn)消納與平衡。傳統(tǒng)分布式新能源發(fā)電采用交流方式并網(wǎng)。隨著新能源滲透率不斷提高，交流并網(wǎng)方式問(wèn)題凸顯：大量分布式逆變器接入配電網(wǎng)將產(chǎn)生諧波污染與諧振問(wèn)題；增加了用戶側(cè)直流型負(fù)載中間功率變換環(huán)節(jié)。采用直流并網(wǎng)方式可以有效解決上述問(wèn)題，顯著提升系統(tǒng)對(duì)分布式電源的承載與消納能力。
當(dāng)前，我國(guó)正在規(guī)劃建設(shè)以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電光伏基地，未來(lái)區(qū)域內(nèi)多個(gè)新能源基地趨于互聯(lián)，采用交流匯集方式將導(dǎo)致弱同步電網(wǎng)支撐系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題突出，制約系統(tǒng)發(fā)電與送出能力；同時(shí)，采用交流匯集方式線路交流損耗大，且需經(jīng)多次變換升壓，制約系統(tǒng)效率提升。如何進(jìn)一步提升大規(guī)模新能源友好并網(wǎng)能力，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
隨著海上新能源開(kāi)發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和離岸距離的不斷增加，采用交流匯集方式的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性顯著降低。而且海上新能源場(chǎng)站的電能變換裝備需要在海上平臺(tái)集成，采用交流匯集方式需要使用龐大的交流變壓設(shè)備，不利于提升海上平臺(tái)的功率密度。此外，海上新能源匯集需要采用海底電纜，交流電纜的電容效應(yīng)將導(dǎo)致更為突出的無(wú)功問(wèn)題。因此，大規(guī)模深遠(yuǎn)海新能源發(fā)電對(duì)新型匯集并網(wǎng)技術(shù)提出了更為迫切的需求。
大規(guī)模新能源直流并網(wǎng)面臨多重技術(shù)挑戰(zhàn)
一是直流匯集組網(wǎng)架構(gòu)亟待優(yōu)化。由于風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電固有的分散性特點(diǎn)，需要設(shè)置具備能量匯聚功能的內(nèi)部匯集網(wǎng)；同時(shí)，受各基本發(fā)電單元絕緣和耐壓水平限制，其輸出直流電壓等級(jí)通常無(wú)法滿足能量高效匯集與遠(yuǎn)距離送出需求，需要在完成能量匯聚的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益直流升壓。因此，直流匯集并網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)與新能源發(fā)電特性和系統(tǒng)要求密切相關(guān)。
二是大容量直流升壓變換技術(shù)亟待突破。高壓大容量直流—直流（DC/DC）變換器是實(shí)現(xiàn)中壓直流匯集與高壓直流送出的樞紐，用于集中升壓的DC/DC變換器電壓需達(dá)到數(shù)十甚至上百千伏，容量需達(dá)到百兆瓦甚至吉瓦級(jí)，這對(duì)DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和性能提出了極高的要求。同時(shí)，新能源各基本發(fā)電單元輸出電壓遠(yuǎn)低于并網(wǎng)傳輸電壓，需要DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)很高的電壓增益，并具備一定的故障隔離能力。然而，采用隔離變壓器會(huì)導(dǎo)致整個(gè)DC/DC變換裝置極為笨重，難以適應(yīng)海上風(fēng)電等對(duì)裝備功率密度要求很高的場(chǎng)景需求。提高工作頻率可以顯著減小隔離變壓器的體積重量，但會(huì)給變壓器本體設(shè)計(jì)和多物理場(chǎng)特性控制帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，也對(duì)兩側(cè)電力電子裝置的控制運(yùn)行提出了更高的要求。這成為制約DC/DC變換器向高壓大容量方向發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
三是直流控制與故障保護(hù)技術(shù)亟待創(chuàng)新。從控制層面看，大規(guī)模新能源接入對(duì)交流主網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。需要研究大規(guī)模新能源友好并網(wǎng)機(jī)制與控制策略，為新能源場(chǎng)站的運(yùn)行控制提供理論依據(jù)。從保護(hù)層面看，大規(guī)模新能源直流并網(wǎng)系統(tǒng)的可控設(shè)備多、控制方式復(fù)雜、系統(tǒng)慣性弱且阻抗較低，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)故障電流傳遞速度快，時(shí)間僅為幾毫秒到幾十毫秒。因此，對(duì)故障的可靠快速檢測(cè)、保護(hù)裝置的快速準(zhǔn)確動(dòng)作等均提出更高的要求。
推動(dòng)大規(guī)模新能源直流并網(wǎng)技術(shù)突破與示范應(yīng)用
一是增強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)能力。直流匯集并網(wǎng)技術(shù)可以從根本上解決交流匯集存在的問(wèn)題，但仍然有諸多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破：在系統(tǒng)架構(gòu)方面，需要研究適應(yīng)不同直流匯集場(chǎng)景的組網(wǎng)形態(tài)，建立涵蓋系統(tǒng)前端架構(gòu)、輸出架構(gòu)、接線形式、母線布置等的選型和評(píng)估方法體系；在大容量直流升壓變換方面，需要突破直流變換拓?fù)鋬?yōu)化選型、大容量高頻隔離變壓器設(shè)備研制、直流變換裝置高效運(yùn)行等技術(shù)瓶頸；在直流并網(wǎng)運(yùn)行控制與故障保護(hù)方面，需要研究不同時(shí)間尺度下直流并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，以及適應(yīng)直流故障發(fā)展模式和特性的新型保護(hù)和控制技術(shù)。為此，需要圍繞上述關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)一步開(kāi)展理論研究、裝備研發(fā)、仿真模擬、原理試驗(yàn)等前瞻性研究工作，打造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)解決方案。
二是推動(dòng)技術(shù)裝備示范應(yīng)用和轉(zhuǎn)化落地。當(dāng)前，以中壓直流升壓變換器為代表的直流并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)裝備研制取得進(jìn)展，在多地建立了光伏中壓直流接入實(shí)證平臺(tái)，但需進(jìn)一步驗(yàn)證技術(shù)裝備可靠性并積累經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上探索商業(yè)化應(yīng)用路徑。對(duì)于更大規(guī)模新能源集中外送場(chǎng)景的全直流匯集并網(wǎng)系統(tǒng)，需要進(jìn)一步加大技術(shù)研發(fā)力度，在核心關(guān)鍵技術(shù)取得突破后，積極爭(zhēng)取在大型新能源基地、深遠(yuǎn)海新能源送出等實(shí)際場(chǎng)景下開(kāi)展示范應(yīng)用，推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和裝備轉(zhuǎn)化落地，為我國(guó)在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得先發(fā)優(yōu)勢(shì)。
三是深化國(guó)際交流合作和標(biāo)準(zhǔn)制定。加強(qiáng)與國(guó)外同行交流合作，推動(dòng)我國(guó)先進(jìn)技術(shù)和裝備“走出去”。一方面，針對(duì)以深遠(yuǎn)海風(fēng)電送出為代表的大規(guī)模新能源集中外送場(chǎng)景，與歐洲具備豐富海上風(fēng)電先發(fā)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)積累的國(guó)家探索建立合作研究機(jī)制，共同推進(jìn)創(chuàng)新能力提高；另一方面，針對(duì)以大型直流光伏電站與高比例分布式光伏匯集為代表的中壓直流匯集并網(wǎng)場(chǎng)景，借助與周邊國(guó)家電力互聯(lián)互通規(guī)劃契機(jī)，研究在老撾、蒙古等國(guó)開(kāi)展示范應(yīng)用的可行性；同時(shí)探索通過(guò)援外資金在非洲地區(qū)開(kāi)發(fā)“小而美”的惠民生分布式光伏直流微網(wǎng)項(xiàng)目，推動(dòng)相關(guān)研究成果的跨國(guó)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。此外，通過(guò)聯(lián)合研究和示范應(yīng)用，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，積極參與相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定，使我國(guó)技術(shù)方案和標(biāo)準(zhǔn)更好地走向國(guó)際舞臺(tái)。
（作者單位：電力規(guī)劃總院有限公司）
責(zé)任編輯：楊娜
