目 录 2/25 直流输电技术专业进展及发展趋势 一 直流输电技术发展概览 二 直流输电技术进展 三 技术发展趋势及展望

1 1/25 直流输电技术专业进展及发展趋势

目 录 2/25 直流输电技术专业进展及发展趋势 一 直流输电技术发展概览 二 直流输电技术进展 三 技术发展趋势及展望

一 直流输电技术发展概览目录 3/25 直流输电技术在世界范围内持续 快速发展 ; 器件 装置 直流工程及运行技术不断取得重大进步, 理论研究与示范应用不断取得重大创新 ; 材料 试验和仿真等基础技术不断取得重大突破 直流输电技术是电网技术中最为活跃的领域之一 我国直流输电技术处于世界领先水平 特高压直流输电 (± 1100kV) 高压大容量柔性直流输电 多端柔性直流 / 直流电网 LCC+VSC 混合直流输电 新能源并网 先进电力电子器件技术 核心装备研制技术 直流输电工程成套设计技术 仿真与试验 交直流混合大电网运行技术

一 直流输电技术发展概览 - 全球直流输电标志性工程 4/25 世界上典型 LCC( 美国 Pacific DC Intertie, 汞弧阀, 多次改造 ) 世界第一个风电直流并网 VSC( 丹麦 Tjareborg) 世界第一个 VSC ( 瑞典 Hellsjon, 3MW/±10kV,2 电平 ) 世界第一个架空线 VSC ( 非洲 Caprivi) 世界第一个 MMC VSC ( 美国 Trans Bay) 世界第一个 1100KV LCC ( 中国准东 - 皖南 ) 世界第一个 800kV 特高压 LCC( 中国云广 ) 世界第一个 800kV 多端 LCC( 印度 Agra) 世界第一个多端 VSC( 中国南澳多端 ) * 来源 :CIGRE SC B4,copyright@Joanne Hu

一 直流输电技术发展概览 - 全球直流输电项目分类统计 5/25 统计数据非洲澳洲亚洲欧洲北美洲南美洲总计 直流输电工程总数量 (No.) 3 6 56 83 22 5 175 运行中的直流输电工程 (No.) 3 5 41 43 12 5 109 改造 / 升级的直流输电工程 (No.) 2 2 1 4 3 0 12 传统直流输电工程 (No.) 2 3 51 17 15 5 93 柔性直流输电工程 (No.) 1 2 4 26 5 0 38 多端直流输电工程 (No.) 0 0 3 1 1 0 5 电压等级 (kv) 350-533 80-400 30-1100 2-600 12-600 600-800 2-1100 容量 (MW) 300-1920 180-735 18-10000 3-2501 5-3500 3150-7100 3-10000 * 来源 :CIGRE SC B4,copyright@Joanne Hu

目 录 6/25 直流输电技术专业进展及发展趋势 一 直流输电技术发展概览 二 直流输电技术专业进展 三 技术发展趋势及展望

1. 电力电子器件进展 7/25 晶闸管 IGBT 类型 电控型光控型塑封型压接型 额定电压 8500V / 7200 8500V 3300V 4500V 额定电流 5500A / 6250 5000A 1500A 3000A 第一代器件 : 电控型 / 光控型晶闸管参数满足 ±800kV 及以上直流输电工程应用需求 第二代器件 : 正在研制 6500V/4500A 压接式 IGBT, 国产化器件突破 4500V/3000A 技术 第三代器件 : 碳化硅 (SiC) 单个芯片已突破 15kV/20A; 在新能源并网领域已研制出小容量样机

2. 核心装备研制及关键技术 - 换流阀 设备参数 LCC 换流阀 : 晶闸管 7.2kV/6250A 8.5kV/5500A ; 单阀最大晶闸管级数 72 84 VSC 换流阀 :IGBT 4.5kV/1500A ; 单桥臂 MMC 串联级数 220 335-468 关键技术 1100kV LCC 换流阀接近 6 英寸晶闸管极限, 内部电压显著增大, 不均匀系数控制难度很大 ; VSC 换流阀需研究具有清除架空线故障能力 直流电网接线的新拓扑 控制策略等创新技术 换流阀绝缘设计 电磁兼容设计 控制保护优化等关键技术正在深入研究 模块均压特性 8/25 ±800kV ±1100kV 国产 ±800kV/±1100kV 传统直流换流阀 国产 ±800kV/5000MW 柔性直流换流阀阀塔

2. 核心装备研制及关键技术 - 换流变压器 9/25 设备参数 1100kV LCC 换流变 : 容量 500MVA 600MVA; 阀侧绝缘水平 1600kV 2100kV VSC 用变压器 : 目前已完成国家标准的编制, 是业内首个针对柔性直流的变压器技术标准 关键技术 换流变的尺寸和重量随着电压等级与容量的增长呈非线性增长, 绝缘设计 温升控制 电磁设计 机械设计等需多维度同时优化 全装长度 37m 全装重量 850t 全装长度 25.5m 全装重量 550t ±1100kV/±800kV 换流变体积对比 ±1100kV 换流变阀侧出线装置变压器运输技术优化 线圈运输

设备参数 2. 核心装备研制及关键技术 - 直流断路器 样机类型电压等级 (kv) 开断电流 (ka) 开断时间 (ms) 混合式 ( 国外 ) 80 19 3 混合式 ( 国产 ) 200/500 15/25 3 机械式 ( 国产 ) 160 9 4.5 200kV 混合式直流断路器已应用于舟山工程 ;160kV 机械式直流断路器将于今年在南澳工程投运 关键技术 500kV 级装置 提升断路器开断速度 ( 机械 ) 降低损耗 ( 混合 ) 提高可靠性等取得了突破 10/25 混合式机械式半控 舟山工程 200kV 直流断路器南澳工程 160kV 直流断路器 500kV 直流断路器样机

2. 核心装备研制及关键技术 - 直流穿墙套管 桥臂电抗器 控制保护系统 11/25 直流穿墙套管 1100kV 套管比 800kV(10GW) 套管总长度增加 39% 重量增加 50%; 操作 / 雷电绝缘水平达 2100kV/2420kV 桥臂电抗器 承受交直流复合电流, 含直流 工频 二倍频电流 ; 特高压工程可达 1108A 1538A 408A 控制保护系统 国产 PCS9550 DPS3000 CSDC800 等控制保护平台完全满足性能指标和功能要求 800kV(23m,10t) 1100kV(32m,15t) ± 800kV/ ± 1100kV 直流穿墙套管尺寸对比 国产直流输电控制保护系统

2. 核心装备研制及关键技术 - 直流 GIS 直流电缆 12/25 直流 GIS ABB 公司研制了高压直流输电 GIS, 包含母线联接 (A) 接地装置 (B) 母线 (C) 及电缆终端 (D) 电流 (E)/ 电压 (F) 测量 避雷器 (G) 直流电缆 目前国内外工程应用最高电压等级为 320kV, 国外已研制出 525kV 交联聚乙烯 XLPE 高压电缆, 我国研制的 500kV 高压电缆已通过型式试验及产品认证 制造电缆的绝缘材料仍需要突破 电缆长度 (km) VSC-HVDC 海缆应用占主导 * 来源 :ABB,Compact Gasinsulated Systems for High Voltage Direct Current Transmission_Design and Testing 直流 GIS 及其与直流输电架空线联接示意 Prysmian 海缆敷设 * 来源 :CIGRE SC B1 直流电缆市场预测

3. 重大工程及技术进展 13/25 LCC-HVDC(±1100kV) 基于双十二脉动串联结构的特高压 (10GW 以上 ) 受端分层接入技术 ±1100kV 准东 - 皖南特高压直流工程换流阀 换流变等主要设备成功完成了型式试验 p 工程在高 低端 Yy 型换流变阀侧分别增设避雷器, 进一步降低了阀侧绝缘水平 p 线路中点及其附近安装线路避雷器, 全线操作过电压限制在 1.5p.u. 以下, 降低了塔头间隙 均压 复杂间隙 特高压受端分层接入不同等级交流系统 ±1100kV 均压及空气间隙试验 建设中的 ±1100kV 昌吉换流站

3. 重大工程及技术进展 14/25 VSC-HVDC 云南鲁西背靠背异步联网工程 (±350kV/1000MW) p 首次在西电东送主通道上采用柔性直流输电工程,VSC 与 LCC 单元并联 法西 INELFE 联网工程 (±320kV/1000MW) p 国外在运电压最高 容量最大柔直工程 云南鲁西背靠背柔性直流工程 鲁西工程示意图 法西 INELFE 联网工程

3. 重大工程及技术进展 ±800kV 印度 Agra 特高压多端 LCC-HVDC 目前世界上特高压 多端 的代表工程 采用双十二脉动并联结构型式 工程输送容量 6000MW, 直流场全室内布置, 受端共站 欧洲基于 VSC-HVDC 的新能源并网 欧洲北海离岸风电 VSC-HVDC 并网项目截至目前已建 Borwin1 等工程 7 个, 在建 2 个, 容量共计超 6000MW 根据 TenneT NL 规划, 北海区域 p 到 2023 年, 预计送出 3.5GW 离岸风电 ( 近海 ) p 到 2035 年, 预计送出 7-10GW 离岸风电 ( 近海全部开发 ) 北海风力发电能源中心 (Power Hub) 送端 432km 1296km Agra 工程主接线示意图 15/25 受端 欧洲北海风力发电能源中心愿景图

4. 运行技术 可靠性 16/25 直流输电系统的运行 直流输电系统可靠性 : 能量可用率 (EA), 国内平均 93.898%, 国外平均 90% 以上 VSC-HVDC: 我国南澳工程最高 EA 达 98.6%; 国外对外公布 ( 西门子 ) 最高 EA 为 97.64% 8% 2% 7% 直流设备控保 阀 交流设备 16% 67% 国内平均 国外平均 * 来源 :CIGRE SC B4,copyright@Joanne Hu/ 中电联 2015 年全国直流输电系统可靠性指标 世界直流输电系统可靠性统计 (1979-2014)

4. 运行技术 交直流大电网 17/25 交直流混合大电网的运行 我国形成了 2 个典型的多直流馈入电网 采用 STATCOM 调相机等技术提高多直流换相失败恢复能力 印度北部电网成为多直流馈入电网 特高压直流超高压直流背靠背直流 中国交直流混合大电网 调相机 STATCOM 多直流馈入电网运行支持装置 美国西部电网美加东部电网印度北部电网

5. 直流输电支持性技术 实验室及试验平台建设 我国已有海拔 50 米 2100 米和 4300 米系列大型综合特高压直流试验基地 试验能力 : 直流电压 1600kV 冲击电压 7200kV 工频电压 2050kV( 高海拔 ) 18/25 直流输电用仿真技术 南网建成了全电磁暂态实时仿真系统, 包含 220kV 及以上的完整交直流大电网 国网建设的实时仿真系统, 计划在 5000 节点级电网中接入 23 回直流 昆明 西藏 特高压工程技术国家工程实验室 国内交直流电网仿真实验平台

目 录 19/25 直流输电技术专业进展及发展趋势 一 直流输电技术发展概览 二 直流输电技术进展 三 技术发展趋势及展望

趋势展望 20/25 LCC 特高压的电压及容量等级提升将会根据更远距离输电 ( 如跨国联网工程 ) 需求开展研究 随着直流输电建设, 多国面临区域电网交直流混联 多直流馈入的挑战 背靠背系统建设增多, 进一步增强电网可控性, 实现柔性互联 印度 巴西 * 来源 :CIGRE SC B4,copyright@Joanne Hu 美加直流工程分布图 * 来源 :CIGRE SC B4 印度及巴西正在形成多直流馈入电网

趋势展望 电力电子器件 宽禁带器件在中低压等级实现商业化应用, 向高压等级发展 21/25 SiC 及 GaN 器件发展趋势预测 来源 : EPRI,copyright@Ram Adapa

趋势展望 22/25 VSC 在全世界范围内保持快速发展, 其中欧洲近期规划 ( 至 2020 年 ) 的直流输电工程中 VSC 容量约占 50%, 且呈上升趋势 LCC+VSC 混合 远距离架空线 多端直流技术为新一代电力系统建设提供了重要选项 * 来源 :MEEPS newsletter, University of Manchester 欧洲直流输电建设及规划情况 远距离架空线混合直流输电工程示意图

趋势展望 直流电网 张北直流电网工程 :±500kV/3000MW, 四端,500kV 直流断路器 限流电抗等新设备 源端基地综合能源系统 : 送端直流电网与受端电网实现 网 - 网 输电 23/25 * 来源 : 能源转型中我国电力系统的发展趋势, 周孝信院士 张北直流电网结构示意 源端基地综合能源电力系统示意

致 谢 24/25 衷心感谢 编写组专家为本专业发展报告 付出的辛勤劳动!