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。对于二次系统抑制方案，可通过整体延时优化和阻抗特性重塑的方法实现振荡抑制。

4.直流故障清除控制。对于采用架空线路的特高压柔直工程，需要加装直流断路器或者换流器采用“全桥+半桥”混合型MMC拓扑结构，以清除故障电流。

（四）电气主接线方案研究

±800千伏柔直换流站采用典型对称双极、高低阀组串联的换流单元接线方式。

当换流容量为8000兆瓦时，可根据站址大件运输情况确定换流变的配置方案；大件运输受限时，换流变可按2台并联考虑。

当换流容量为10000兆瓦时，由于现阶段4500伏/6250安 IGBT器件尚不具备工程应用可行性，可采用4500伏/3000安 IGBT器件并通过并联接线实现。现有并联接线包括直流极线并联、换流阀桥臂并联、功率器件并联等3种方案。经研究评估，初步判断相较于直流极线并联，桥臂并联在投资与占地方面较优，但运行检修灵活性略逊，且器件并联技术上仍存在一定不确定性，该方案在造价和占地方面可能具有优势，未来需开展进一步研究工作。

三、特高压柔性直流输电技术问题分析

（一）有载分接开关、干式电容器薄膜材料等少数核心部件（材料）长期依赖进口

分接开关是大型变压器的核心部件之一，国内在运特高压换流变压器的分接开关100%依赖进口，分接开关已成为制约我国特高压重大装备研发和制造的关键“卡脖子”问题。

截至2022年底，国内已建成的柔性直流输电工程中，柔直换流阀用干式直流电容器全部依赖进口。近年来，进口2.8千伏/9毫法电容器已实现挂网，国内企业采用国产薄膜开展了高压大容量干式直流电容器的研制，并挂网试用。但国内产品和国外相比，仍存在能量密度偏低、研制迭代周期长等问题。

（二）特高压直流套管和大功率电力电子器件产品成熟度相对较低

经过多年的不断研发，国产套管取得了长足进步，目前可以生产直流±100千伏~±1100千伏套管。近年来，±1100千伏直流穿墙套管、±800千伏直流穿墙套管、±800千伏换流变阀侧套管已分别在昌吉—古泉、陕北—武汉、青海—河南等特高压工程带电运行。但是国内制造的特高压套管核心制造技术仍待突破，产品成熟度低，同时进口套管近期也发生一些故障，严重影响了电网安全稳定和供电可靠性。因此，特高压套管目前仍是制约我国特高压工程建设的瓶颈，是亟需补强关键核心技术的短板。

从工程应用来看，国产IGBT的使用率正逐步增长。据不完全统计，张北柔直工程IGBT国产化率整体约为4%，如东柔直工程海上站和陆上站IGBT国产化率分别约为8%和16.7%，广东中南通道柔直背靠背工程中应用率达到50%，白鹤滩—江苏工程中应用率达到66.7%。但总的来说，在高压大容量柔直输电领域IGBT国产化率整体还是偏低。相较于国外产品，国内产品在饱和压降、导通损耗、结温等方面还有一定的差距，故障率也偏高，需要提高技术要求，更新迭代产品。

（三）特高压柔性直流工程输送容量、损耗和单位造价等关键指标相比常规直流仍存在差距

我国近年来建设投产的±800千伏特高压常规直流换流站的换流容量最高达8000兆瓦甚至10000兆瓦，±1100千伏换流站可达到12000兆瓦。而目前±800千伏特高压柔直换流站最大容量为5000兆瓦，远小于常规直流工程。特高压柔直换流容量技术上难以做到常规直流的水平，主要受限于当前功率器件通流能力。

在损耗方面，特高压柔性直流工程额定功率运行时，换流阀、换流变损耗率超过1%，而特高压常规直流工程中换流阀、换流变损耗率约为0.75%，两者存在差距，主要体现在换流阀方面。柔性直流换流阀损耗主要包括子模块通态损耗、开通损耗和断态损耗，与器件特性和调制策略紧密相关，未来需加强低损耗器件研发，优化调制策略，合理设计开关频率。

近十年来，随着技术进步，柔直输电工程的成本逐步下降，但整体仍较常规直流工程高出20%以上。我国近年来建设投产的特高压常规直流换流站，其单位造价基本控制在600~800元/千瓦，而特高压柔直换流站单位造价在900~1300元/千瓦。从投资费用构成来看，柔直换流阀等关键设备投资仍是导致柔直输电工程建设费用大幅超过常规直流工程的主要影响因素。其中高压大功率IGBT器件约占柔直换流阀总价的40%，未来随着国产化IGBT器件使用率的进一步提高，柔直输电工程造价将进一步降低。

（四）超高海拔、重覆冰等复杂环境下的特高压柔直输电工程技术面临新的挑战

我国目前已建成的特高压换流站工程海拔高度均在3000米以下，而未来建设的特高压换流站工程的海拔可能会达到4000米以上，工程建设尚无先例，特高压电气设备的绝缘配置和空气间隙、架空线路重冰区覆冰特性及铁塔设计、试验条件、施工建设等方面均将面临新的技术挑战，特别是4000米以上特高压直流工程的绝缘问题，国际上可供借鉴的研究成果很少。另外，随着特高压建设的快速推进，特高压输电走廊资源将逐渐趋于饱和，克服复杂电磁环境、提高单位宽度走廊输送能力也是亟需深入研究的问题。

（五）柔性直流电压主动支撑技术有待突破

100%大规模纯新能源基地送端电源系统由众多电力电子变换器组网构成，没有常规电源支撑，惯量近乎为零。其中，柔性直流换流器是最大的电力电子变换器，除了负责整个电网的功率平衡，还需要为新能源基地提供并网所需的电压和惯量支撑，即柔直的构网型技术，这需依靠成熟的理论分析和精确的仿真计算，针对系统层面以及多时间尺度复杂控制系统提出控制策略。目前高比例电力电子装备下的电力系统同步特性研究需要控制系统理论、电力电子和电力系统等多学科的有机融合，研究工作尚处于起步阶段，整个理论体系还有待进一步发展完善，柔性直流电压主动支撑等关键技术亟待突破。

四、发展建议

（一）推动跨行业融合发展，避免产业链关键环节受制于人

当前，我国柔直重大输变电装备中诸如干式电容器薄膜材料、电缆绝缘料等少数高端电工材料仍然受制于人，要摆脱目前这种窘境，国家有关部门应加强政策引导和促进行业协同，继续鼓励产学研用联合，组织电力、石化等行业联合攻关高端电工材料的基础研究和生产制造，通过合资或资本运作等方式，实现优势互补、风险共担和利益共享，推动跨行业融合发展，实现我国电工装备和材料由大变强，补强产业链供应链短板，逐步化解技术装备受制于人的风险。

（二）依托新能源大基地开发，加大国产化重大技术装备示范应用扶持力度

在大基地建设中，应给予特高压直流套管、大功率电力电子器件等国产化技术装备更多的发展空间，为新能源电力汇集和特高压送出相关的先进技术装备应用留出适度应用场景。出台鼓励性政策，对实现成功投运的用户、研发机构和制造企业予以表彰，依托大型新能源基地特高压柔性直流工程推进关键电力装备和核心部件等科技创新成果应用，加快推动科技成果转化为现实生产力，为后续高海拔地区大规模电力外送奠定良好的基础，并为后续沙戈荒新能源开发送出提供借鉴。

（三）利用“揭榜挂帅”“赛马”等立项机制，加快支撑特高压柔性直流输电系统构建的重大技术攻关

充分利用“揭榜挂帅”“赛马”等立项机制，聚焦超高海拔等复杂环境下的特高压柔直工程建设、大功率电力电子器件研发、柔直系统电压主动支撑和宽频振荡抑制、数字化和智能化等核心技术攻关需求，激励优势科研团队积极申报和承担重大核心技术攻关，实施签订“军令状”“里程碑”等考核管理方式。

（四）制定新能源大基地特高压柔直工程建设标准提升行动计划

在现有标准体系基础上，结合技术创新应用情况，开展标准化提升行动对支撑新能源大基地建设具有重要意义。在新能源送出方面，进一步优化特高压柔性直流标准体系，为主干网架和跨区输电通道建设提供标准支撑，建立健全科技与标准化互动支撑机制，推动标准化与创新融合发展，全面科学指导新能源基地特高压柔直送出项目的规范设计和安全运行。

（五）坚持政府推动和企业主导，助力国产柔直输电技术装备“走出去”

加快中国装备“走出去”和推进国际产能合作，是实现中国经济提质增效升级和提高企业竞争力的重要举措。虽然当前地缘政治、逆全球化等因素叠加给国际贸易带来了严峻挑战，但长远来看国际合作的大趋势不会改变，未来仍应通过政府推动、企业主导的方式，推进产融结合，全面促进特高压柔性直流输电等优势装备、技术、标准“走出去”，提升我国在国际能源合作中的影响力和话语权。

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