论坛丨大规模新能源直流并网技术仍待突破

来源：中国电力报 时间：2024-01-22 10:52

刘晨　程翀　段松涛

　　与传统交流并网方式相比，采用直流并网方式可以有效简化电能变换环节，提高设备功率密度和传输效率，是适应未来大规模新能源组网的主要发展方向。然而，由于交、直流功率变换机制与物理特性的差异，直流并网系统在整体架构、升压变换、运行控制、故障保护等方面均面临独特的问题与挑战，需要系统梳理新能源并网发展现状与未来趋势。

分析研判新能源发电并网技术需求

　　为积极应对全球气候变化，实现“双碳”战略目标，需要加强以风电、光伏为代表的新能源高效开发利用体系建设。为此，需要针对典型新能源发电场景分析研判相适应的并网技术需求，推动新能源规模化开发和高效利用。

　　分布式新能源通常建设于用户负荷周边，所发电能与本地负荷在配网层面实现消纳与平衡。传统分布式新能源发电采用交流方式并网。随着新能源渗透率不断提高，交流并网方式问题凸显：大量分布式逆变器接入配电网将产生谐波污染与谐振问题；增加了用户侧直流型负载中间功率变换环节。采用直流并网方式可以有效解决上述问题，显著提升系统对分布式电源的承载与消纳能力。

　　当前，我国正在规划建设以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地，未来区域内多个新能源基地趋于互联，采用交流汇集方式将导致弱同步电网支撑系统稳定性问题突出，制约系统发电与送出能力；同时，采用交流汇集方式线路交流损耗大，且需经多次变换升压，制约系统效率提升。如何进一步提升大规模新能源友好并网能力，已经成为当前研究的热点问题。

　　随着海上新能源开发规模的不断扩大和离岸距离的不断增加，采用交流汇集方式的经济性与稳定性显著降低。而且海上新能源场站的电能变换装备需要在海上平台集成，采用交流汇集方式需要使用庞大的交流变压设备，不利于提升海上平台的功率密度。此外，海上新能源汇集需要采用海底电缆，交流电缆的电容效应将导致更为突出的无功问题。因此，大规模深远海新能源发电对新型汇集并网技术提出了更为迫切的需求。

大规模新能源直流并网面临多重技术挑战

　　一是直流汇集组网架构亟待优化。由于风电、光伏等新能源发电固有的分散性特点，需要设置具备能量汇聚功能的内部汇集网；同时，受各基本发电单元绝缘和耐压水平限制，其输出直流电压等级通常无法满足能量高效汇集与远距离送出需求，需要在完成能量汇聚的同时实现高增益直流升压。因此，直流汇集并网系统架构与新能源发电特性和系统要求密切相关。

　　二是大容量直流升压变换技术亟待突破。高压大容量直流—直流（DC/DC）变换器是实现中压直流汇集与高压直流送出的枢纽，用于集中升压的DC/DC变换器电压需达到数十甚至上百千伏，容量需达到百兆瓦甚至吉瓦级，这对DC/DC变换器的拓扑结构和性能提出了极高的要求。同时，新能源各基本发电单元输出电压远低于并网传输电压，需要DC/DC变换器实现很高的电压增益，并具备一定的故障隔离能力。然而，采用隔离变压器会导致整个DC/DC变换装置极为笨重，难以适应海上风电等对装备功率密度要求很高的场景需求。提高工作频率可以显著减小隔离变压器的体积重量，但会给变压器本体设计和多物理场特性控制带来诸多挑战，也对两侧电力电子装置的控制运行提出了更高的要求。这成为制约DC/DC变换器向高压大容量方向发展的关键技术瓶颈。

　　三是直流控制与故障保护技术亟待创新。从控制层面看，大规模新能源接入对交流主网的稳定运行带来诸多挑战。需要研究大规模新能源友好并网机制与控制策略，为新能源场站的运行控制提供理论依据。从保护层面看，大规模新能源直流并网系统的可控设备多、控制方式复杂、系统惯性弱且阻抗较低，当发生故障时，系统故障电流传递速度快，时间仅为几毫秒到几十毫秒。因此，对故障的可靠快速检测、保护装置的快速准确动作等均提出更高的要求。

推动大规模新能源直流并网技术突破与示范应用

　　一是增强核心技术攻关能力。直流汇集并网技术可以从根本上解决交流汇集存在的问题，但仍然有诸多关键技术亟待突破：在系统架构方面，需要研究适应不同直流汇集场景的组网形态，建立涵盖系统前端架构、输出架构、接线形式、母线布置等的选型和评估方法体系；在大容量直流升压变换方面，需要突破直流变换拓扑优化选型、大容量高频隔离变压器设备研制、直流变换装置高效运行等技术瓶颈；在直流并网运行控制与故障保护方面，需要研究不同时间尺度下直流并网协调控制策略，以及适应直流故障发展模式和特性的新型保护和控制技术。为此，需要围绕上述关键核心技术进一步开展理论研究、装备研发、仿真模拟、原理试验等前瞻性研究工作，打造具有自主知识产权的系统解决方案。

　　二是推动技术装备示范应用和转化落地。当前，以中压直流升压变换器为代表的直流并网关键技术装备研制取得进展，在多地建立了光伏中压直流接入实证平台，但需进一步验证技术装备可靠性并积累经验，在此基础上探索商业化应用路径。对于更大规模新能源集中外送场景的全直流汇集并网系统，需要进一步加大技术研发力度，在核心关键技术取得突破后，积极争取在大型新能源基地、深远海新能源送出等实际场景下开展示范应用，推动关键技术和装备转化落地，为我国在该领域的产业发展取得先发优势。

　　三是深化国际交流合作和标准制定。加强与国外同行交流合作，推动我国先进技术和装备“走出去”。一方面，针对以深远海风电送出为代表的大规模新能源集中外送场景，与欧洲具备丰富海上风电先发经验与技术积累的国家探索建立合作研究机制，共同推进创新能力提高；另一方面，针对以大型直流光伏电站与高比例分布式光伏汇集为代表的中压直流汇集并网场景，借助与周边国家电力互联互通规划契机，研究在老挝、蒙古等国开展示范应用的可行性；同时探索通过援外资金在非洲地区开发“小而美”的惠民生分布式光伏直流微网项目，推动相关研究成果的跨国转化和应用。此外，通过联合研究和示范应用，推动相关技术标准化进程，积极参与相关国际标准制定，使我国技术方案和标准更好地走向国际舞台。

　　（作者单位：电力规划总院有限公司）

责任编辑：杨娜