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“十三五”期間，我國以水風(fēng)光為主的可再生能源實現(xiàn)跨越式發(fā)展，2020年底，三類可再生能源總裝機容量達到8.7億kW，占全國總裝機約40%，是構(gòu)建清潔低碳能源體系的核心組成部分?！笆奈濉睍r期我國可再生能源將進入高質(zhì)量躍升發(fā)展新階段，為早日實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標提供主力支撐。

然而，風(fēng)光發(fā)電受天氣影響較大，出力的波動性與隨機性使其并不具備傳統(tǒng)火電機組的強可控性，帶來嚴重的消納問題。隨著可再生能源并網(wǎng)規(guī)模的快速擴大，占比不斷提高，輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行等問題進一步突出。而可再生能源的多能互補送出是平抑能源波動、解決可再生能源接入難題的重要途徑。

常規(guī)水電具有技術(shù)成熟、調(diào)節(jié)能力穩(wěn)定的優(yōu)勢，與風(fēng)光發(fā)電有良好的互補性。因此，充分發(fā)揮水電既有調(diào)峰潛力，實施“水風(fēng)光一體化”統(tǒng)籌開發(fā)是支撐可再生能源可靠消納的有效舉措。依托西南水電基地統(tǒng)籌推進水風(fēng)光綜合基地開發(fā)建設(shè)是我國“十四五”期間可再生能源發(fā)展的重大舉措之一。

針對可再生能源大規(guī)?？鐓^(qū)輸送問題，國內(nèi)外學(xué)者圍繞常規(guī)直流和柔性直流兩種輸電技術(shù)方案開展了大量研究工作。基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）的常規(guī)高壓直流輸電（LCC-HVDC）技術(shù)成熟，目前我國已投運數(shù)十條±800kV及以上的常規(guī)高壓直流輸電工程?；谀K化多電平換流器（MMC）的柔性直流輸電（MMC-HVDC）具有無需換相支撐電壓、有功和無功功率獨立控制、可直接連接弱電網(wǎng)與新能源孤島等技術(shù)優(yōu)勢，其在大規(guī)模遠距離架空線應(yīng)用場景下的可行性也在2020年投運的張北工程和昆柳龍工程中得到驗證。

然而上述研究場景中送端多是單個換流站，未充分考慮到水風(fēng)光等多類型可再生能源分布于不同地理位置的情況。

針對我國西部地區(qū)大規(guī)模可再生能源跨區(qū)輸送場景，綜合考慮可再生能源地理分布情況與可靠消納需求，強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院）、國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司的孟沛彧、向往、潘爾生、趙崢、李探、文勁宇，在2022年第19期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，提出一種適用于不同地理位置新能源基地接入的分址建設(shè)特高壓直流輸電系統(tǒng)。

圖1 分址建設(shè)直流輸電系統(tǒng)拓撲

該系統(tǒng)送端高壓換流站布置于以水電為主的能源基地，低壓換流站布置于水風(fēng)光混合能源基地，高低壓閥組通過短距離的直流架空線路串聯(lián)，再經(jīng)長距離直流線路連接受端換流站，從而實現(xiàn)可再生能源的多能互補分址送出。

研究人員指出，在分址建設(shè)的應(yīng)用場景下，直流輸電系統(tǒng)主要面臨以下問題與挑戰(zhàn)：

1）對于西部地區(qū)的可再生能源特高壓直流輸送，已有工程送端全部采用常規(guī)直流輸電技術(shù)。然而，可再生能源集中于偏遠地區(qū)，接入點網(wǎng)架相對較弱，隨著風(fēng)電等低慣量的可再生能源大規(guī)模接入，送端系統(tǒng)呈現(xiàn)含高比例新能源弱系統(tǒng)的特點，常規(guī)直流輸電穩(wěn)定性存在惡化風(fēng)險。

2）遠距離傳輸和分址建設(shè)使得換流站之間存在多條直流架空線路，直流短路故障下存在多電壓等級故障穿越問題，該問題在柔性直流輸電技術(shù)中尤為突出。

3）受端交流故障給常規(guī)直流輸電系統(tǒng)帶來的換相失敗問題以及給柔性直流輸電系統(tǒng)帶來的盈余功率耗散問題。

因此，應(yīng)開展分址建設(shè)特高壓直流拓撲構(gòu)建方案選型與暫穩(wěn)態(tài)運行特性研究，以實現(xiàn)分址建設(shè)直流輸電系統(tǒng)的拓撲優(yōu)選與可靠運行。

研究人員圍繞圍繞常規(guī)直流輸電與柔性直流輸電兩種可行技術(shù)方案，考慮分址建設(shè)場景下地理距離對系統(tǒng)的影響，分別分析了分址建設(shè)系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)運行情況，提出了高、低壓輸電線路直流故障和送、受端系統(tǒng)交流故障的應(yīng)對策略，并提出一種分址建設(shè)特高壓直流輸電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，在送端高低壓閥組間引入直流架空線路，從而實現(xiàn)多類型可再生能源基地跨區(qū)接入。

他們根據(jù)系統(tǒng)運行特性、控制能力和設(shè)備投資情況，從技術(shù)可行性和經(jīng)濟性等方面對兩種方案進行了對比分析，給出了不同場景下的優(yōu)選方案，討論了LCC-MMC混合型分址建設(shè)直流輸電系統(tǒng)的潛在方案，并在PSCAD/EMTDC中搭建分址建設(shè)特高壓直流輸電系統(tǒng)模型，仿真驗證系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)下的運行特性。

圖2 分址建設(shè)直流輸電系統(tǒng)的混合型結(jié)構(gòu)

圖2a為送端采用柔性直流、受端采用常規(guī)直流的端間混合方案，既可發(fā)揮柔性直流為可再生能源送出提供電壓支撐的技術(shù)優(yōu)勢，又能有效降低工程造價。圖2b為送受端都采用LCC與MMC混聯(lián)結(jié)構(gòu)的方案，該方案同樣綜合了兩種換流器的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，可利用LCC處理長距離架空線路的直流故障問題，受端混聯(lián)結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮MMC的無功支撐能力抑制換相失敗。

研究人員最后表示，隨著IGBT、子模塊電容等柔直關(guān)鍵器件的進一步升級，柔直換流閥正在向特高壓大容量方向發(fā)展，分址建設(shè)直流輸電系統(tǒng)的混合型結(jié)構(gòu)未來將具有較強的工程實用性，值得進一步研究。

本文編自2022年第19期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“分址建設(shè)直流輸電系統(tǒng)拓撲方案與運行特性研究”。本課題得到國家電網(wǎng)有限公司總部管理科技項目“4000米高海拔下接入弱交流系統(tǒng)的分址建設(shè)特高壓直流設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究”的支持。