柔性輸電技術(shù)已成為新能源并網(wǎng)的主要趨勢

■文/呂 敬 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院風(fēng)力發(fā)電研究中心博士生導(dǎo)師

柔性直流輸電技術(shù)已成為大規(guī)模遠(yuǎn)距離新能源并網(wǎng)的最佳方案之一。

當(dāng)今，大力發(fā)展以風(fēng)電、光伏為代表的新能源已成為國際社會推動能源轉(zhuǎn)型、應(yīng)對全球氣候變化的普遍共識和一致行動。近10年來，我國新能源發(fā)展迅猛。目前，我國風(fēng)電和光伏的裝機(jī)容量均為世界第一，風(fēng)電已經(jīng)成為我國第三大主力電源。預(yù)計(jì)到2035年，我國新能源裝機(jī)容量將超過煤電成為全國第一大電源。然而，由于新能源資源的波動性和隨機(jī)性、新能源發(fā)電設(shè)備的弱支撐性和低抗擾性，大規(guī)模新能源的有效消納和安全運(yùn)行是亟須解決的世界難題。

柔性直流輸電技術(shù)已成為大規(guī)模遠(yuǎn)距離新能源電能傳輸?shù)闹饕较颉Ｎ覈笠?guī)模陸上風(fēng)電場主要坐落在“三北地區(qū)(東北、華北和西北地區(qū))”，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，需要通過高壓遠(yuǎn)距離輸電線路將風(fēng)電輸送到東部負(fù)荷中心，而大規(guī)模波動功率遠(yuǎn)距離交流傳輸存在嚴(yán)重的無功補(bǔ)償及電壓穩(wěn)定問題。此外，海上風(fēng)電匯集傳輸需要采用海底電纜，如果采用交流輸電方式，海底電纜對地電容效應(yīng)引發(fā)的無功損耗及過電壓問題將隨輸電距離的增加變得難以解決。研究表明，對于離岸距離超過50千米的海上風(fēng)電場采用直流輸電并網(wǎng)方式更具經(jīng)濟(jì)性。與交流輸電方式相比，直流輸電方式在傳輸同等功率情況下所需電纜數(shù)量少、電纜截面積小，且無充電功率和集膚效應(yīng)等問題，更適合大規(guī)模遠(yuǎn)距離電能傳輸。柔性直流輸電技術(shù)還具有有功無功獨(dú)立調(diào)節(jié)、黑啟動、諧波畸變小、無換相失敗、占地少等特點(diǎn)，已成為大規(guī)模遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電電能傳輸?shù)闹饕较颉?/p>

近年來，我國與世界先進(jìn)國家紛紛進(jìn)行新能源經(jīng)柔性直流并網(wǎng)的工程實(shí)踐。在國外，德國在北海已建成多條用于海上風(fēng)電場并網(wǎng)的柔性直流輸電工程，如BorWin1、BorWin2、DolWin1等。在我國，風(fēng)場—柔直并網(wǎng)工程的發(fā)展更為迅猛，從2011年上海南匯兩端柔直風(fēng)電場并網(wǎng)示范工程到2013年廣東南澳三端柔直風(fēng)電場并網(wǎng)示范工程，再到擬于2020年建成投運(yùn)的張北新能源基地經(jīng)四端柔直并網(wǎng)示范工程，工程實(shí)踐規(guī)模與復(fù)雜度不斷提高。柔性直流輸電技術(shù)的變革也是推動這些工程實(shí)踐的重要因素，目前已從基于兩電平或三電平電壓源型換流器的高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展到基于模塊化多電平換流器（MMC）的高壓直流輸電技術(shù)。

然而，伴隨著工程的快速發(fā)展，新能源—柔直并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重威脅了系統(tǒng)與設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于新能源發(fā)電和柔性直流輸電均采用大量的電力電子變流技術(shù)和變流裝備，其動態(tài)行為特征與由電磁化裝備主導(dǎo)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)有顯著差異。電力系統(tǒng)物理對象的變革客觀上提出了對新一代基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的迫切需求。因此，解決“新能源—柔直”復(fù)雜電力電子互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)理與控制的基礎(chǔ)理論問題，是開展新能源—柔直并網(wǎng)工程規(guī)模化建設(shè)的前提。這不僅是工程實(shí)際的迫切需求，也是對現(xiàn)有電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論的重要補(bǔ)充和發(fā)展，其意義重大。