淺談柔性直流技術在海島輸電中的推廣應用

李 懿，馬振會

（1.舟山電力局，浙江 舟山 316021；2.浙江百能科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

由于特殊的地理環(huán)境，海島電力輸送存在傳輸距離遠、用戶分散、線路損耗大等特點。最近幾年舟山港口海洋經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，電力負荷呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，使得原有交直流系統(tǒng)在現(xiàn)有運行方式下逐漸難以滿足海島輸電對供電可靠性、電能質(zhì)量、線路損耗等方面提出的高要求。只有在未來海島電網(wǎng)規(guī)劃建設中尋找一種全新的輸電技術模式，才能有效解決以上這些制約海島電力發(fā)展的瓶頸性問題。

柔性直流輸電（VSC-HVDC）被認為是繼交流輸電、常規(guī)直流輸電之后的第三代輸電技術。與前兩代輸電技術相比，其最大的優(yōu)勢是在傳輸電能的同時，還能夠靈活調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的電壓，提高輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

在海島電力系統(tǒng)中加入柔性直流輸電系統(tǒng)，可以解決原電網(wǎng)中存在的問題。與傳統(tǒng)輸電模式相比較，柔性直流技術擁有緊湊化、模塊化設計，易于移動、安裝、調(diào)試和維護，便于擴展和實現(xiàn)多端輸電等特點，所以將柔性直流技術應用于海島輸電工程中有積極的現(xiàn)實意義。

1 海島地區(qū)輸電現(xiàn)狀與特點

1.1 舟山地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀

舟山群島地處我國東南沿海，長江與錢塘江入海交匯處，杭州灣外緣的東海洋面上，作為我國唯一以群島設立的地級市，舟山下轄兩區(qū)兩縣，總面積為2.22萬km2，其中陸地面積1 440 km2，海域面積2.08萬km2。

舟山電網(wǎng)是浙江省十一個地市電網(wǎng)中唯一的海島電網(wǎng)，由舟山主網(wǎng)與嵊泗電網(wǎng)兩部分組成。目前主網(wǎng)最高電壓等級為220 kV，主要通過昌洲變至寧波春曉變兩回220 kV交流線路和大豐變至寧波江南變、岑港變至寧波江南變、雙嶼變至寧波蘆江變?nèi)?10 kV交流線路與大陸電網(wǎng)相聯(lián)。嵊泗電網(wǎng)通過110 kV海纜與舟山主網(wǎng)互聯(lián)，通過±50 kV直流海纜與上海電網(wǎng)互聯(lián)。

截止2010年底，舟山電網(wǎng)共有220 kV變電站2座，變電容量72萬kVA；110 kV變電站13座，變電容量108.9萬kVA，全網(wǎng)最高負荷約為78.1萬kW，全社會用電量約為41億kWh。

1.2 海島發(fā)輸電的特點

在電源方面，截止2010年底，舟山共有裝機容量67.51萬kW，其中6 000 kW及以上裝機63.05萬kW，裝機容量最大的發(fā)電廠為舟山發(fā)電廠（56萬kW）。由于輸送距離較遠，部分邊遠島嶼上的電力供應仍靠價格昂貴的自備柴油發(fā)電機組來維持，容量小、成本高、損耗大。對于沒有穩(wěn)定電網(wǎng)的海島地區(qū)而言，通過跨海架空線路或海底電纜逐步實現(xiàn)島嶼互聯(lián)，采取由大電網(wǎng)集中統(tǒng)一供電才是提高海島輸電效率的有效途徑。

根據(jù)經(jīng)濟社會發(fā)展估計，舟山市“十二五”期間用電量仍將保持較快的增長勢頭，預計2015年全市最高負荷與用電量將分別達到138.4萬kW，67.6億kWh，年均增長率將分別為12.1%，10.5%。顯然，現(xiàn)有發(fā)電裝機容量已無法滿足經(jīng)濟發(fā)展對的需要。

在網(wǎng)架方面，當前舟山電網(wǎng)雖然已擁有部分220 kV輸電線路，但是境內(nèi)仍以原有110 kV線路為輸電網(wǎng)絡主體，結(jié)構(gòu)相對薄弱，局部區(qū)域110 kV環(huán)網(wǎng)內(nèi)潮流已達到輸電線路輸送限額，線路故障跳閘解環(huán)后，輸電能力已無法滿足供電需求。電網(wǎng)電壓等級匹配還不夠合理，35 kV電壓等級設備仍大量存在，重復降壓問題比較突出，線路損耗較大。部分島嶼上的配電網(wǎng)構(gòu)成比較簡單，負荷容量較小且日負荷波動水平很大，造成電網(wǎng)電能質(zhì)量低下，供電可靠性較低。

海島輸電與大陸常規(guī)輸電方式相比有較大不同，主要依靠兩種途徑：

（1）超高度、長跨距，能承受臺風、鹽霧、雷擊等惡劣氣候條件的高塔跨海架空輸電線路。

（2）具有鎧裝與金屬護套結(jié)構(gòu)的海底電力電纜線路。

由于舟山人多地少，陸域面積狹窄，土地資源緊張，致使海島電網(wǎng)建設的變電站選址和輸電線路走廊選擇均較為困難，政策處理難度較大。同時由于災害性天氣出現(xiàn)較為頻繁，鹽霧對設備腐蝕較為嚴重，導致海島電網(wǎng)的基本建設和日常運維成本遠遠高于大陸電網(wǎng)，在一段時間內(nèi)網(wǎng)架性缺電和電源性缺電問題還同時存在。

2 柔性直流輸電技術

2.1 柔性直流系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

柔性直流輸電技術又可稱為電壓源變換器高壓直流輸電技術，是以絕緣柵雙極晶體管（IGBT）組成的電壓源變換器（VSC）為基礎構(gòu)成的新一代高壓直流輸電技術。

全控型器件IGBT使柔性直流輸電系統(tǒng)能夠工作在無源逆變方式下，不需要外加換相電壓，受端系統(tǒng)可以為無源網(wǎng)絡；VSC可以同時且相互獨立地控制有功功率和無功功率，控制靈活方便；系統(tǒng)不需要交流側(cè)提供無功功率且能夠起到靜態(tài)同步補償（STATCOM）的作用，動態(tài)補償交流母線無功功率，穩(wěn)定交流電壓；換流站間無需通信，且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。柔性直流輸電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，送端站和受端站均采用了VSC結(jié)構(gòu)。換流站由換流橋、聯(lián)接變壓器、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器等組件組成。每個橋臂由多個IGBT串聯(lián)而成。換流變壓器（電抗器）是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶，同時也起到濾波的作用。直流電容器可以為受端站提供電壓支撐、緩沖橋臂開斷的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波。交流濾波器能夠濾除交流側(cè)的諧波。

2.2 基本工作原理

電壓源型換流器基本工作原理如圖2所示。通過調(diào)制波與三角載波比較產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，使VSC上下橋臂的開關管高頻開通和關斷，則橋臂中點電壓Uc在固定電壓+Ud和-Ud之間快速切換，Uc再經(jīng)過電抗器濾波后為網(wǎng)側(cè)的交流電壓Us。

在忽略換流電抗器損耗和諧波分量時，VSC交流母線電壓基頻分量Us與交流輸出電壓的基頻分量Uc共同作用于換流變壓器和換流電抗器，并決定了VSC與交流系統(tǒng)間交換的有功功率P和無功功率Q分別為：

圖2 柔性直流單相工作示意圖

式中：δ為Uc和Us之間的相位差；X為換流電抗器的電抗與連接變壓器的漏抗之和。

柔性直流系統(tǒng)通過對δ的控制來控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小，通過控制Uc實現(xiàn)對VSC發(fā)出或者吸收無功功率的控制。

當δ＜0時，系統(tǒng)吸收有功功率，VSC運行于整流狀態(tài)；當δ＞0時，系統(tǒng)發(fā)出有功功率，VSC運行于逆變狀態(tài)。

當（Us-Uccosδ）＞0時，系統(tǒng)吸收無功功率； 當（Us-Uccosδ）＜0時，系統(tǒng)發(fā)出無功功率。

2.3 主要技術特點

柔性直流輸電系統(tǒng)可直接用于向無源交流系統(tǒng)的輸電。由于電壓源變換和脈沖寬度調(diào)制技術的使用，柔性直流系統(tǒng)送受兩端省去了換流變壓器，只需在交流母線上安裝一組高通濾波器便可實現(xiàn)向遠距離的孤立負荷（如遠離陸地電網(wǎng)的海島）供電，并且在同等輸送容量下土建工程占地面積小于HVDC換流站。

運用柔性直流輸電技術將遠?；蚪u嶼接入交流系統(tǒng)，能克服交流接入中的瓶頸問題。柔性直流系統(tǒng)不會增加交流系統(tǒng)的短路容量，即增加新的柔性直流輸電線路后，交流系統(tǒng)的保護整定無需改變。當交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，柔性直流系統(tǒng)能夠有效地隔離故障，保證海上可再生能源電站以及海島電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。同時，在系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障時，海上可再生能源電站可以通過柔性直流輸電系統(tǒng)為系統(tǒng)提供“黑啟動”電源。

2.4 柔性直流技術工程實踐

目前國內(nèi)尚無投入商業(yè)運行的柔性直流輸電工程，而國際上已有13項，其中7項在歐洲，3項在北美洲，2項在大洋洲，1項在非洲。據(jù)了解，以上這些工程都取得了較好的經(jīng)營業(yè)績。

國際上在建的柔性直流輸電工程也有很多，主要應用在風電場并網(wǎng)方面，而且所有在建工程均涉及直流海纜，如愛爾蘭至英國的East West Interconnector工程、瑞典至立陶宛的Nord Balt工程、愛沙尼亞至芬蘭的Estlink 2工程和挪威至丹麥的Skagerrak HVDC Interconnections工程等。

國內(nèi)唯一在建的柔性直流項目為上海南匯風電場柔性直輸電工程。該工程作為國家電網(wǎng)2010年智能電網(wǎng)建設體系的重大科技示范項目和堅強智能電網(wǎng)建設第二批試點項目，包括2個直流換流站和1條長度為8 km，示范容量為20 MVA，直流電壓為+30 kV的輸電線路。2011年2月28日，該工程直流換流站已充電啟動成功。

3 在海島輸電中的推廣應用展望

3.1 海島輸電中優(yōu)勢明顯

直流輸電線路造價和年運行費低，不存在兩端交流系統(tǒng)同步運行穩(wěn)定問題，且沿線電壓分布均勻，無線電干擾小，線路損耗低。與交流輸電相比，使用直流輸電技術進行海島電網(wǎng)互聯(lián)更具有優(yōu)勢。

圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

由于柔性直流技術是從常規(guī)直流輸電技術基礎上發(fā)展起來的，故傳統(tǒng)直流輸電所具有的優(yōu)點，柔性直流輸電系統(tǒng)大都具備，并且柔性直流系統(tǒng)擁有比傳統(tǒng)直流系統(tǒng)占地更小、安裝維護更方便、噪聲環(huán)境干擾更低等突出優(yōu)點。

海島柔性直流輸電聯(lián)網(wǎng)工程建設可選用海底電力電纜實現(xiàn)，在鋪設時可以使用直埋技術，不僅降低了工程成本、縮短了工程時間，而且還減小了對自然環(huán)境的影響，有利于海洋資源的保護。

柔性直流輸電技術擁有能夠瞬時實現(xiàn)有功和無功的獨立耦合控制等獨特技術優(yōu)勢，除了將其應用在通過海底電力電纜進行島嶼間跨海輸電聯(lián)網(wǎng)以外，還可將其應用于風力發(fā)電的對外輸送上。

3.2 可利用豐富的海岸風電資源

浙江省風能資源豐富，已將風電作為新能源建設的重點。根據(jù)《浙江省風能資源評估報告》，全省陸地風能資源為2 100萬kW，技術開發(fā)量約130萬kW；海岸到近海20 m等深線以內(nèi)海域風能資源儲量約6 200萬kW，技術開發(fā)量約4 100萬kW。

舟山地區(qū)擁有豐富的風能資源，特別是近海海域，年平均風速在6～7 m/s，是建設海上風電場的優(yōu)良選址區(qū)域。按照《舟山市風電發(fā)展規(guī)劃報告》規(guī)劃要求，到2015年全市風電場總裝機容量達到87萬kW，其中陸上風電場27萬kW，近海風電場60萬kW。

目前定海岺港風電工程（總裝機4.5萬kW）已于2011年6月順利投入運行，設計年發(fā)電量可達8 956萬kWh。定海長白和小沙風電場（總裝機3.78萬kW）、嵊泗風電場（總裝機4.95萬kW）、岱山長涂島及拷門風電場（總裝機6.5萬kW）等一批新能源發(fā)電項目也正在規(guī)劃和建設中。

開發(fā)清潔能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、加快海島風力資源開發(fā)利用、改變電能來源單一的現(xiàn)狀，既可實現(xiàn)節(jié)能減排目標，又在一定程度上緩解電力供應較為緊張的局面。

由于風能變化存在隨機性，預測難度較大，所以當前風電接入系統(tǒng)并網(wǎng)方式和調(diào)度控制技術成為新能源電力開發(fā)研究的重點。海島風力發(fā)電場往往裝機容量相對較小、電能質(zhì)量不高并且遠離主網(wǎng)，若要將來自不同發(fā)電機組的電能送到同一電網(wǎng)，機組相互間的有功功率分布會使系統(tǒng)局部波動增大，并且還需要配合足夠的無功補償。

如果將柔性直流輸電技術運用于風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)和調(diào)度控制，可以有效抑制并網(wǎng)風電場的電壓波動（閃變），改善并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，精確控制有功功率潮流，大幅改善風電場并網(wǎng)性能和提高輸送容量。

4 結(jié)語

海島輸電工程是海島電網(wǎng)建設的重要組成部分，是支撐地方經(jīng)濟社會發(fā)展的重要基礎。

隨著電力電子技術的發(fā)展、核心器件制造成本的降低、設備國產(chǎn)化程度的提高，柔性直流輸電技術較其他技術將更具競爭力，將其廣泛應用在沿海島嶼輸電、新能源風電并網(wǎng)、微電網(wǎng)分布式發(fā)電、海上石油鉆井平臺供電等方面是完全可行的。

由于柔性直流輸電技術具有傳統(tǒng)直流輸電技術和交流輸電技術所不具備的優(yōu)勢，所以將柔性直流技術應用于海島輸電工程能夠更好地滿足跨海電力輸送需要。采用柔性直流輸電海底電纜對邊遠島嶼進行輸電，可以避免交流輸電的多種不利因素，柔性直流輸電技術將逐漸成為未來海上輸電的主要技術發(fā)展方向。

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