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大型新能源基地特高压柔性直流输电技术研究现状与发展建议

一、特高压柔性直流输电技术需求分析

随着“双碳”目标提出，加快建设新型能源体系和构建新型电力系统已经成为广泛共识。我国能源资源与需求呈现逆向分布，新能源出力的随机性、强时空相关性，决定了我国近期仍需扩大交直流互联电网规模才能满足远距离大容量输电和新能源跨省跨区消纳需求。

我国电网已进入大规模特高压交直流混联时代，“双高”“双峰”特征明显，但当前电力系统调节灵活性欠缺，远距离大容量跨区直流输电受端换相失败、输电通道利用不均衡、调峰能力不足等问题凸显，未来需积极研发与应用先进电网技术，不断提高电网运行灵活性和调节能力以适应更高比例新能源接入。

柔性直流输电是新一代先进直流输电技术，采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）等全控型功率器件，与常规直流输电方式相比，具有不存在换相失败、能够实现功率连续调节、可向电网提供电压和频率支持、输出谐波少、具备黑启动能力等突出优点。柔性直流输电技术的特点决定了它是构建新型电力系统的关键技术之一，在支撑送端弱交流电网下大规模新能源送出、提高多直流集中馈入受端电网安全稳定水平、实现大区电网异步互联等场合具有迫切的应用需求。

“十四五”和“十五五”期间，我国将依托新能源基地形成一批跨区输电通道，由于部分新能源基地电源结构受限，以光伏和风电为主，所在的送端电网架构较弱，因此大规模新能源基地经特高压柔性直流输电送出将是我国未来新能源消纳的一种重要形式。由于低惯性、弱阻尼等特性，高比例新能源和多馈入柔性直流输电极大地改变了传统电力系统形态，亟需开展大规模新能源基地特高压柔性直流送出关键技术研究，优化柔性直流输电控制策略，实现大规模新能源友好送出及消纳，助力“双碳”目标的实现。

二、大型新能源基地特高压柔性直流输电技术现状分析

（一）大型新能源基地特高压柔性直流输电技术特点

大型新能源基地拟输送的新能源比例高且容量较大，根据目前规划，部分送端换流站的容量可能达到了8000兆瓦甚至10000兆瓦，超过了已建柔性直流换流站单站5000兆瓦的最大容量规模。

其次，青海、西藏等地区大型新能源基地海拔普遍较高，最高海拔可能达到4500米左右，这对换流站主设备制造和工程设计带来新的挑战。

另外，位于送端弱电网的大型新能源基地，涉及光伏、风电、储能、柔直等复杂系统，对直流控制保护系统提出更高要求。

（二）换流站直流主设备研究进展

1.功率器件。4500伏/3000安IGBT器件已成功应用于±800千伏/5000兆瓦换流站建设；应用于±800千伏/8000兆瓦换流站的4500伏/5000安IGBT器件已完成研发，但部分器件试验还需要补足，目前暂无实际工程应用。

2.换流阀。±800千伏/5000兆瓦的柔性换流阀已有工程应用。±800千伏/8000兆瓦和±800千伏/10000兆瓦柔性换流阀技术上具备可行性，但相关换流阀功率模块的试验进度需要进一步推进。

3.换流变压器。针对±800千伏柔性直流换流站，当换流容量大于5000兆瓦时，高端单台换流变压器无法满足常规整体铁路运输。此外，在高海拔地区换流变压器套管外绝缘、换流变压器温升等问题需要通过海拔修正和试验验证解决。

4.套管。套管类设备共分为直流穿墙套管、换流变阀侧套管和普通直流复合外套等三大类，在4500米海拔均需重新研制。国内厂家具备研制高海拔换流站直流穿墙套管、换流变阀侧套管的能力。

5.电抗器。基于以往±800千伏特高压直流输电工程经验，电抗器设计不存在无法解决的瓶颈问题。桥臂电抗器研制的主要技术难点在于在高海拔环境下应严控等效交流电流和等效直流电流共同作用下产生的温升。

6.直流高速开关。±800千伏直流高速开关在海拔2000米或3000米条件下，国内设备生产厂家可以直接采用现有产品，按海拔4500米考虑，则需重新加长产品支柱、断口尺寸，补充相应的型式试验。

（三）控制保护策略

根据新能源发电和柔直输电的运行特点，新能源经柔直送出控制保护系统典型策略有：

1.电网电压支撑控制。新能源孤岛汇集系统接入柔性直流输电系统时，由于没有同步电源给新能源提供并网电压，因此换流站需要给新能源并网提供稳定的并网电压。送端换流站可采用V-F或构网型控制策略，为系统提供电压和惯量支撑；输入柔直换流站的功率则由风电、光伏的实时上网功率决定。

2.功率盈余控制。当发生交流或直流系统故障时，由于能量重新分配，可能出现电压或电流的增大，需要通过柔直内部控制、投入耗能装置等相应策略实现能量平衡控制。由于耗能装置可用时间较短，长时间的功率盈余需要稳控系统执行降功率或切机等操作。

3.宽频振荡抑制。柔直宽频振荡抑制技术分为一次系统抑制和二次系统抑制方案。对于一次系统抑制方案，可通过运行方式优化或增加无源滤波器的方式实现。