——國家電網全球能源互聯網研究院原院長 邱宇峰

為促進能源互聯、電力新基建相關產業更好更快向前發展，在北京舉辦的“中國電力新基建及能源互聯網論壇”上國家電網全球能源互聯網研究院原院長 邱宇峰作《支撐電力新基建的柔性交直流輸電和儲能技術電網》主題演講。

以下為發言實錄：

非常榮幸有機會受主辦方北極星的邀請，來跟大家交流一下我們在柔性交直流輸電和儲能系統方面的一些認識和體會。

電網當前的主要問題、發展方向和挑戰是“雙高”電網

我今天給大家報告的內容主要有這么五個方面，首先想說一下技術發展的背景。

現在我們電網主要的問題和發展方向就是“雙高”電網，雙高”電網?就是高比例清潔能源、高比例電力電子裝置。為什么是“雙高”電網?它的背景就是能源革命這個大背景。為什么需要能源革命?大的背景還是化石能源的短缺，氣候變化、環境污染，所以必須要求能源要進行一場革命。這場能源革命它的主要特征是什么呢?就是“雙高”。

越來越多的清潔能源會成為電網動力來源的主要部分，我列舉一些數字，2019年，清潔能源發電裝機占比是40%，預計到2030年希望這個比例要倒過來，現在是四六，然后變成倒的六四。大家都知道清潔能源的特點是間歇性、波動性和相當的不穩定、不確定性，清潔能源要想接入電網，我們要想把清潔能源發電用好，就需要兩個大的技術來做支撐。

一個是柔性交直流輸電技術，它解決了清潔能源并網的問題。清潔能源的消納、吸收、利用，各種分布式的能源接入電網也需要電網具備更好的友好性，清潔能源能夠即插查即用，同時要有更好的潮流調節控制和變換的能力。我們要具備更好、更靈活的電源供應的能力，比如用戶需要直流，可以直接給你直流。你需要的是什么樣的交流，直接給你什么交流。未來接入的不像現在就是一般的交流電站只接交流，以后柔性變電站，就是靠柔性交直流技術。

另一個是儲能技術，清潔能源的消納、吸收、利用好，儲能技術也是必須的，沒有儲能技術，我們沒有辦法大規模的利用清潔能源。

今天講的是靈活交直流輸電，也叫柔性交直流輸電FACTS，最早提出這個概念的是美國電科院的Hingorani博士，通過在電力系統中裝電力電子裝置，增強對電壓功角和阻抗的調節控制能力。直流不管是柔性直流也好，常規直流也好，以及FACTS技術，根本上就是電力電子技術，它的發展歷程是隨著功率半導體器件的發展而逐步發展和演進的。

我們很熟悉最早一代所謂常規直流，就是采用基于晶閘管的LCC換流器的直流，基本是50Hz、60Hz。目前大量的主流器件形式已從半控器件轉全控器件，如IGBT、GTO。

再下一步，會從器件的材料上做根本的一些轉變，目前正在發展的是碳化硅器件。這些器件的發展就會對裝置拓撲帶結構來巨大的影響，有半控器件，才有LCC。到了有全控器件，才有了今天所謂VSC的換流器，才有了像STATCOM，以及MMC的柔性直流，這是當前這一代技術的主流。

再往下一代發展，開關頻率會進一步提高，發展成碳化硅器件，這個時候功率密度會進一步加大，電壓會進一步的提升，從現在千伏級的器件提升到萬伏級的器件，到那時候又會有很多新型的拓撲，所以我們常說包括直流技術和FACTS在內的電力電子技術發展規律是一代器件決定一代拓撲從而決定一代應用。

柔性直流最大的優點是有功無功的調節更加靈活迅速

第二部分我們看看柔性交直流輸電技術兩個主要的部分，一個是柔直，這個名字是我們這個團隊在電科院時取的，我們當時取的英文名字是HVDC Flexible，翻譯成中文是柔性直流，HVDC Flexible和柔性直流是我們電科院時注冊的商標，現在大家都用了，我們也很高興。

柔直的工作原理，通過有功無功傳輸方程就能看出，只要我們控制換流器的電壓UC以及它與系統電壓之間的夾角δ，就能夠控制換流器輸出有功無功像無轉動慣量的發動機一樣，在四個象限運行，所以非常靈活，既可以發有功，可以發無功，四個象限毫秒級的調整工作狀態，這是以往我們任何傳統的電動機發動機所不可能做到的。

為什么它叫柔性或者叫靈活直流?就體現在這兒。他有什么好處呢?最大的優點就是有功無功的調節更加靈活迅速，常規直流是不能發無功的，柔性直流既可以發有功，可以發無功。

另外一個特別重要的方面，柔直相對于常規直流，沒有換相失敗問題。從原理上就不存在換相失敗。常規直流多了之后，給電網帶來的換相失敗威脅是目前電網運行最頭疼的一件事情，希望能采用柔性直流技術替換掉常規直流，徹底解決換相失敗問題。柔直沒有常規直流所需濾波及無功補償設備。

還有一大優點是易于構建直流電網。傳統直流想了很多辦法，想組成直流電網，結果都不可能。倒一個功率方向，得導極性，要構成網，功率方向不能隨時控制，電網怎么運行?柔直就沒有這樣的問題，它的功率方向都是瞬間就變過來。

柔直主要的應用場景，對海上風電新能源的并網，是首選。還有解決換相失敗，以及城市孤島，特別是一些城市當中，比如我們的走廊很擁堵，我們希望在有限的走廊和空間上能夠輸送更大的容量，怎么辦?就得靠柔直。

我們快速瀏覽一下國內主要的柔直工程，一個是南匯風電場接入上海電網主網，然后是舟山和南奧多端，然后是廈門柔直，是當時達到了全球電壓等級最高，容量最大的。再就是渝鄂柔直聯網工程。

這個工程很重要，就是張北四端直流電網工程，這是全世界第一個直流電網工程。可以說全世界搞電力電子，搞直流輸電，特別是歐洲的專家們夢想了十多年都沒有實現，我們在這上面盡管花了很多錢，但是我們是第一次在高端電力電子技術方面做到全球引領，引領全球。張北是±500千伏，不管從電壓等級到輸送能量，到它所發揮的作用，都是目前全世界最高水平，非常有特點。張北有有風電、光伏、儲能，張北四端直流電網工程把張北的清潔能源送到奧運會場所，送到北京，舉辦冬奧會，也是對它的一個促進。

靈活交流輸電技術所有的控制都是圍繞功率傳輸方程來開展的

講完柔直，我們看看柔交，即靈活交流輸電技術FACTS。它所有的控制實際上都是圍繞著功率傳輸方程來開展的，送受端電壓 U1U2，系統連接阻抗X，功角δ，不管控制哪一個，提高U2也好，提高U1也好，或者降X，或者改變δ，都可以靈活的改變有功功率的輸送。FACTA用的比較多的SVC，還有靜態無功補償STATCOM，其實它倆的作用基本是一樣的，只不過一個用半控器件，一個用全控器件。還有單純改變阻抗的，串聯性的，像TCSC，SSSC二者功能基本相當，一個是用半控器件，一個是用全控器件。

再有就是更綜合性的FACTS，國網也是在全球用到了最高電壓水平，叫統一潮流控制器UPFC。UPFC既控制電壓，又可以控制阻抗，還可控制功角，三個可控變量同時控制就可以控制潮流，電網現在越建越密之后，出現很多線路建了，但是沒有潮流，電網潮流是按照網絡拓撲結構自然分布的，就像田里的水的流動一樣。并聯型無功補償設備，比如SVC是用晶閘管對電容、電抗等無源無功補償裝置進行投切和調節控制實現動態無功補償，STATCOM調節VSC輸出電壓幅值控制輸出無功功率大小和方向實現動態無功補償，響應速度快。SVG是無功發生器，無功發生器再跟儲能結合，既可以發無功，也可以發有功。UPFC相當于并聯加串聯，協調起來統一控制。

目前柔性交直流輸電技術普及受制于器件發展

看看柔性交直流輸電技術將來往什么方向發展。因為它是基于器件，而器件決定了應用，所以我們現在很大程度上之所以還不能大量的普及柔性直流，因為受制于器件，目前器件的電流只能達到3000安，要替代掉800萬的柔直常規直流，還做不到。必須提升到5000安，器件電壓也需要提高，使柔直體積降下來，還有降低子模塊電流的容值，這是未來需要考慮的。

還有就是采用一些新的拓撲，比如可以輸出三電平的拓撲。器件的水平會不斷提升，向更高電壓、定制化方向發展。碳化硅器件有更高的耐壓，更高的功率密度，體積也很小，做出來的裝置損耗小，能量密度高，體積小，體積小非常重要，現在柔直太大了，如果大家去看過，就會知道太大了，所以得想辦法降低體積，最重要的還得靠器件提升。因為碳化硅的器件可以做到萬伏級，這樣體積就會縮小到原來的五分之一、四分之一。

另一個趨勢是儲能與電力電子設備相結合，這樣能發有功，電網形態從傳統的電網未來變成柔性電網，從鐵疙瘩為主變成半導體化。

氫儲能是未來應用于電網中非常重要的一個儲能技術方向

簡要介紹一下我們儲能現在在電網中的一些技術，主要包括機械儲能，還有超導儲能，化學儲能，各種電池，還有氫儲能也是非常重要的一個方向。在氫儲能基礎上發生了合成燃料，把電解水制氫之后，用氫可以變成甲烷，冷熱的儲能技術。

最后這一部分主要是各種電化學儲能的優點和缺點以及發展趨勢，沒有時間一一細講了。