全球能源互联网研究院有限公司 陆晶晶，贺之渊等：直流输电网规划关键技术与展望

日益严峻的能源危机和环境污染问题，促使大力发展风电、光伏等可再生能源，实现从传统能源向清洁能源的合理过渡成为中国乃至全球能源开发利用的必然趋势。鉴于我国可再生能源布局的不平衡的基本国情，决定了大容量远距离“西电东送”“北电南送”的输电格局的长期存在，为了实现新能源的广域互补发电，充分保证我国东、南部沿海发达地区的安全可靠用电，以常规直流（line commutated converter, LCC）和柔性直流（voltage source converter, VSC）技术为基础的直流输电网（以下简称直流电网）是有效的技术方案之一。

虽然国内外高校、科研机构对直流电网的可行性及可靠性、网架结构与标准模型、仿真建模、控制保护、电压等级、关键设备等方面开展了相应的研究工作，并取得了一定的成果。但针对直流输电网的规划设计方法、技术经济性与评价指标等方面，还鲜有成熟的研究成果见诸报道。

本文以基于LCC、VSC技术的直流输电网为研究对象，对直流输电网规划的研究动态进行了综述。首先，提出并详细阐述直流输电网规划的总体框架；接着，分别从新能源广域并网、多馈入多落点地区直流组网、多电力电子设备协同优化三个方面，提出了直流输电网应用规划的关键技术；最后展望了未来直流输电网规划研究中需要关注的问题。

本文建立如图1所示的直流电网规划流程基本框架，并对直流电网规划流程的技术原则进行阐述。

图1  直流电网规划方法基本框架

 

3.1

 

发电与负荷平衡分析

在直流电网规划中，电力电量平衡的生产模拟首先应明确新能源时空分布和出力特性，以便于优化电源建设方案、装机配比和降低弃电率。在此基础上还应遵循以下一些原则：源网荷协同规划；保证系统的灵活性；合理的备用容量；经济性最优。

直流电网送受电方向分析

首先需要分析受端地区规划水平年的外送能力和外送需求，并初步确定直流电网中的电力流向，明确电力外送区域和受入区域，及相关电力规划；其次，应遵循在远距离输送和就近消纳之间达到平衡，综合考虑合理的电网建设时序、送电距离、电源特性、受电区域电源利用率等因素；最后，还要充分考虑生态平衡，清洁节约、气候季节等，制定合理的电网送受电方向规划。

直流电网电压等级的确定

对于远距离传输的直流电网，首先应根据传输容量和距离（如表1所示）初步确定电压等级，然后对比分析不同方案下直流电网功率损耗、关键设备可靠性、运行成本等，考虑新规划直流电网对中长期电网规划的适应性和可扩展性，最终得出最佳的电压等级。对于区域性的直流电网，如张北柔性直流电网示范工程，则需要考虑该区域原有电网的电压等级、电力设备与器件的耐受能力、传输距离等相关因素，分析在既有设备基础上扩建、升压改造成直流电网的可行性，从而确定相应的电压等级。

表1  直流电压推荐值与容量和距离的关系

直流电网网架结构

目前国内外一般将直流电网拓扑结构分为辐射状、环形、网状和混合结构四种，如图2所示。

图2  直流电网基本网架结构示意图

总体来看，直流电网拓扑方案的选取可以遵循以下原则：①应综合考虑新能源的分布和规模、送电距离、线路走廊以及负荷中心的位置和规模等；②有独立的网孔，能够实现多电源供电和多落点受电；③以潮流均匀分布为原则；④满足电力系统安全运行N-1原则；⑤若网络拓扑具有多种电压等级，必须考虑DC-DC变换器时，应从经济性角度考虑，尽量简化网架结构。

直流电网规划方案设计

①流电网各换流站容量配置在实际工程中主要是考虑原有、新建和拟规划建设的电源容量与当地电网的负荷特性等因素，进行换流器容量以及直流线路额定容量的合理配置；②直流断路器的规划设计，应首先保证能够有效清除线路故障，按照线路最大暂态电流和换流器的闭锁情况确定断路器的分断能力；其次，因目前断路器造价昂贵，需从技术经济性角度权衡电网建设规模与成本，对断路器的配置进行充分的论证并优化；③直流线路选型应以保证线路安全运行、满足环保要求、经济性优良为原则，一般考虑线路投入后5～10年电网发展规划，按照经济电流密度选取导线截面，并根据电晕、电压损耗、机械强度、故障下的发热条件等进行校验。

电气计算

直流电网中需要建立新能源潮流注入的概率模型，分析新能源对直流电网的短路贡献，进行含新能源大规模广域并网的直流电网规划的安全稳定校验等。此外，还应进行直流电网方案与交流电网方案的电气计算对比分析，明确两种规划方案的优劣性。

技术经济比选分析

首先，应明确直流电网技术和经济性评估指标；接着，采用最小费用法、收益评估法、全寿命周期成本比对、综合评价分析法等对不同的规划方案进行综合效益评价；最后，根据决策者的期望选择最合适的规划方案。

协同新能源大规模发展的直流电网规划关键技术

首先，研究直流电网规划区域新能源的分布以及多时间尺度出力特性，同时兼顾新能源开发难易程度、费用与预期效益等相关因素，通过数据采集、挖掘以及探索新能源出力精确预测方法，建立新能源的时序出力模型。其次，考虑不同时间尺度下新能源发电与常规能源发电的优化组合方案，研究直流电网对新能源的消纳能力，确定各类新能源占比、调峰电源、储能占比等评估指标。最后，建立多场景的直流电网运行各环节精细化模拟模型，考虑系统长期运行、短期概率化运行模拟，从全寿命周期角度结合大数据优化配置资源降低成本。

多馈入、多落点地区直流联网规划关键技术

1）组网落点选择

直流组网落点的选择应统筹好经济性、可靠性和安全性，遵循以下原则：①以送端与送端、受端与受端连接为原则，尽量选择距离接近的直流线路连接，同时应尽量减少彼此之间的负交互作用；②送端应能够实现各能源之间的互补发电，充分考虑新能源的出力特性、容量、布局等；③落点的选择应以遵循电力电量平衡为原则并充分考虑电网的实际条件；④联网线路之间应能互为冗余，提高通道利用效率；⑤应能够满足潮流约束并进行安全稳定性校验；⑥应能够考虑经济性，减小投资成本。

2）组网方式

多馈入、多落点地区形成直流电网大致可以分为：LCC输电线路组网、LCC/VSC混合直流电网以及VSC直流电网。前者主要适用于常规高压大容量直流馈入交流系统场景，后面二者则可以应用于含新能源接入系统、含VSC-HVDC馈入交流系统以及大型海上风电馈入交流系统等场景。考虑LCC-HVDC的额定直流电压高于VSC-HVDC的情况，应通过DC/DC变换器实现互联的VSC-LCC混合直流电网。

3）无功容量优化配置

针对LCC多馈入直流系统、交直流混联电网，常规的做法是根据系统无功需求设置无功补偿设备容量，并通过仿真对比分析不同无功补偿布点情况下系统电压随负荷扰动变化情况，结合补偿效果、总费用成本等技术经济选择无功补偿最优的布点。此外，也可考虑基于智能算法的最优潮流等方法对系统所需无功补偿装置的容量和位置进行相应的优化配置。

针对LCC-VSC混合直流输电，还可以通过VSC向系统注入无功功率，以提高LCC-HVDC抵御换相失败的能力。

协同多电力电子设备的直流电网规划关键技术

针对规划建设的直流电网未来可能出现的问题，如直流联网后出现严重连锁故障的风险加大、直流环网的潮流控制难度大等，首先应分析系统特性，优先考虑调整网架结构、运行方式或者优化控制策略等不附加电力电子装置的优化解决方案；同时，研究附加电力电子设备的规划方案，明确新型电力电子装置与新兴技术的可行性；最后，需要对附加电力电子设备的规划方案进行优化，例如针对多电压等级大型直流电网，如何兼顾经济性和安全性实现断路器分区优化配置、DC-DC变压器的合理优化布局等。

1）直流电网规划标准。应进一步考虑新能源出力的不确定性以及大量新型设备的接入带来的电力电子化，逐步完善直流电网规划标准与准则。

2）直流电网潮流计算。对于环状直流电网，还要考虑受线路阻抗影响造成的潮流不可控情况。直流电网多端口潮流控制技术、潮流控制器等新型设备的规划容量和选址用地等都有待深入研究。

3）LCC-VSC混合直流电网。对于LCC-VSC混合直流电网的网架规划、抵御换相失败的优化规划技术，以及成网后无功优化配置等问题仍有待今后开展进一步的研究工作。