柔性直流輸電的發(fā)展現(xiàn)狀

方波，周云高，劉洪亮

(浙江寧波電業(yè)局，寧波 315000)

1 引言

隨著能源緊缺和環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)峻，大力開發(fā)和利用可再生清潔能源，倡導(dǎo)能源的可持續(xù)發(fā)展，成為全球范圍內(nèi)的能源發(fā)展戰(zhàn)略。然而，風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電由于其固有的分散性、小型性、遠離負荷中心等特點，使得采用交流輸電技術(shù)或傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)聯(lián)網(wǎng)顯得很不經(jīng)濟，但是由于利用規(guī)模的不斷擴大，這些能源并網(wǎng)又成為必然的需求。同時，海上鉆探平臺、孤立小島等無源負荷，目前采用昂貴的本地發(fā)電裝置，既不經(jīng)濟，又污染環(huán)境。另外，高密度大城市用電負荷的快速增加，使得如何解決利用有限的輸電走廊輸送更多的電能的問題日益突出。因此，采用更加靈活、經(jīng)濟、環(huán)保的輸電方式解決以上問題成為迫切的要求［1］。

1990年McGill大學(xué)的Ooi等提出了用脈寬調(diào)制技術(shù)(Pulse Width Modulation，PWM)控制的電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)進行直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)的概念［2－3］。由于采用了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、集成門極換流晶閘管(IGCT)等全控型器件，基于VSC的直流輸電(VSC－HVDC)系統(tǒng)具有可獨立調(diào)節(jié)有功和無功功率的優(yōu)點，可以向無源網(wǎng)絡(luò)送電，克服了傳統(tǒng)HVDC的本質(zhì)缺陷，把HVDC的優(yōu)勢擴展到配電網(wǎng)，極大地拓寬了HVDC的應(yīng)用范圍，具有廣闊的應(yīng)用前景［4］。在此基礎(chǔ)上，ABB公司提出了輕型直流輸電(HVDC Light)的概念，并于1997年3月在瑞典中部的赫爾斯揚和格蘭斯堡之間進行了首次HVDC Light的工業(yè)試驗。試驗獲得了成功。此后，VSC－HVDC技術(shù)得到了快速發(fā)展，到目前為止，世界上已投運VSC－HVDC工程9項，在建3項，其中，最大傳輸容量已達到了400MW。為了區(qū)別傳統(tǒng)上基于可控硅的HVDC系統(tǒng)和基于FACTS技術(shù)的靈活交流輸電系統(tǒng)，國內(nèi)專家學(xué)者建議把這種基于VSC的HVDC系統(tǒng)稱為柔性直流輸電系統(tǒng)(VSC－HVDC or HVDC Flexible)。

2 柔性直流輸電原理

兩端VSC－HVDC系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示，兩側(cè)換流站采用VSC換流器。換流器由換流橋、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器組成。換流電抗器是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶，同時也起到濾波的作用。直流電容器的作用是為換流器提供電壓支撐、緩沖橋臂關(guān)斷時的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波。交流濾波器的作用是濾除交流側(cè)諧波。另外，VSC－HVDC的輸電線路一般采用地下電纜，對周圍環(huán)境沒有什么影響。VSC的交流側(cè)輸出電壓是由直流電壓通過換流閥的通斷形成的，不需要交流系統(tǒng)提供換相電壓，因此換流器可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電。換流器中IGBT上并聯(lián)反向二極管，除了作為主回路以外，還起到保護和續(xù)流的作用。換流器通常采用PWM控制技術(shù)。常規(guī)直流和柔性直流輸電系統(tǒng)的比較如表1所示。

圖1 VSC－HVDC系統(tǒng)原理圖

表1 常規(guī)直流和柔性直流輸電系統(tǒng)的比較

3 柔性直流輸電國外發(fā)展情況

從1997年瑞典的Hellsjon工程試驗成功開始，到目前為止，世界上已運行的VSC－HVDC工程有9項，在建的有3項。

(1)瑞典Hellsjon工程是世界上第一個VSCHVDC工業(yè)試驗工程，額定容量為3MW，直流電流150A，直流電壓±10kV。試驗線路選擇為Hellsjon附近一條10km長的10kV交流線路。該工程自1997年3月建成后完成了復(fù)雜的試驗計劃，獲得了詳細的VSC－HVDC傳輸有功功率和作為 SVC(Static Var Compenstator)運行的技術(shù)數(shù)據(jù)。

(2)1999年6月，瑞典果特蘭島(Gotland)VSCHVDC工程投入運行。這是世界上第一個商業(yè)化運行的VSC－HVDC工程，額定容量為54MW，兩端的交流電網(wǎng)電壓80kV，直流電壓±80kV，直流電流350A，輸電線路長度2×70km。該系統(tǒng)為風(fēng)力發(fā)電提供電壓支持且采用地下電纜傳輸電能，對環(huán)境的影響較小。

(3)2000年4月，澳大利亞建成投運的Directlink VSC－HVDC工程將New South Wales電網(wǎng)和Queensland電網(wǎng)聯(lián)接起來，并在兩個電網(wǎng)之間進行電力市場交易。線路傳輸?shù)碾娔芨鶕?jù)NEMMCO(National Electricity Market Management CompanyLimited)市場的價格決定，從而輸送的功率需要每5min改變1次。額定容量180MW(3×60MW)，兩端交流電壓132/110kV，直流電壓±80kV，直流電流342A，輸電線路為6×59km地下電纜，工程主要目的是解決異步聯(lián)網(wǎng)中電力交易的快速控制問題和滿足環(huán)境要求。

(4)2000年8月，在丹麥修建的第一個用于風(fēng)力發(fā)電的VSC－HVDC示范工程－Tjereborg工程正式投運，額定容量8MVA/7.2MW，直流電壓±9kV，直流電流358A，輸電距離2×4.3km。該工程主要為了解決風(fēng)力發(fā)電引起的無功功率和電壓問題。

(5)2000年9月，由EPRI、AEP和ABB聯(lián)合在美國的Eagle Pass建設(shè)了世界上第一個采用 VSCHVDC技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)背靠背異步互聯(lián)的工程。該工程增加了向Eagle Pass的輸電能力，解決了Eagle Pass電網(wǎng)的電壓支撐問題，同時也為美國與墨西哥電網(wǎng)之間電力市場交易提供技術(shù)支持。該工程的最大可傳輸功率為36MW，或以STATCOM方式運行為兩端電網(wǎng)提供36MVar的無功補償容量。該工程兩端交流電網(wǎng)電壓138kV，直流額定電壓 ±15.9kV，直流電流1.1kA。

(6)2002年7月投運的美國Cross Sound VSCHVDC工程將New York和New England電網(wǎng)非同期聯(lián)網(wǎng)，直流傳輸線采用2×40km海底電纜，兩端交流電壓345/138kV，工程額定容量330MW，直流電壓 ±150kV，直流電流1175A。選擇VSC－HVDC主要是考慮到電力交易和長距離的海底電纜輸電。

(7)2002年8月投運的澳大利亞Murraylink直流工程，額定容量220MW，兩端的交流網(wǎng)絡(luò)電壓132/220kV，直流電壓±150kV，直流電流739A，直流輸電線路為2×180km地下電纜。該工程是目前世界上最長的地下電纜輸電項目，工程的目的是電力市場交易和滿足長距離電纜輸電需要。

(8)2005年2月挪威Troll A VSC－HVDC工程投運。該工程向海上天然氣鉆井平臺用電設(shè)備供電，額定功率2×42MW，兩端交流電壓132/56kV，直流電壓±60kV，直流電流350A，輸電線路為4×70km海底電纜。該工程采用VSC－HVDC技術(shù)主要考慮到長距離海底電纜輸電和環(huán)境保護要求。此外鉆井平臺上的電動機需要變頻(0～63Hz)調(diào)速，運行電壓在0～56kV范圍內(nèi)變化，而且換流器空間和重量都受到限制。

(9)2006年12月連接愛沙尼亞和芬蘭的Estlink VSC－HVDC工程投運。該工程的目的是將波羅的海諸國產(chǎn)生的電力送入北歐電力市場。其額定功率350MW，兩端交流電壓 330/400kV，直流電壓 ±150kV，輸電線路為2×31km的地下電纜和2×74km的海底電纜。該工程采用VSC－HVDC主要是考慮到長距離海底電纜輸電和非同步電網(wǎng)互聯(lián)。

(10)Valhall VSC－HVDC工程預(yù)計于2010年投運。該工程的目的是從挪威海岸的Lista向北海中的Valhall鉆井平臺供電。其額定功率78MW，兩端交流電壓300/11kV，直流電壓±150kV，輸電線路為292km的海底電纜。該工程采用VSC－HVDC主要是考慮降低成本、提高油田的運行效率和減少溫室氣體排放，保護環(huán)境。

(11)Nord E.ON 1 VSC－HVDC工程預(yù)計于2009年投運。該工程將世界最大的離岸風(fēng)電場Borkum 2的電能傳輸至德國電網(wǎng)。其額定功率400MW，兩端交流電壓380/170kV，直流電壓±150kV，輸電線路為2×75km的地下電纜和2×128km的海底電纜。該工程采用VSC－HVDC主要是考慮長距離電纜輸電。

(12)Caprivi Link Interconnector VSC－HVDC工程預(yù)計于2009年底投運。該工程連接了位于納米比亞的兩個弱電網(wǎng)，使它們能夠在南部非洲進行正常的電力交易。其額定功率300MW，兩端交流電壓400/330kV，直流電壓達到了±350kV，是目前VSC－HVDC工程中最高的直流電壓，輸電線路為970km架空線路。該工程采用VSC－HVDC的目的主要是考慮長距離弱系統(tǒng)互聯(lián)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 柔性直流輸電國內(nèi)發(fā)展情況

國內(nèi)關(guān)于柔性直流輸電技術(shù)的研究起步較晚，90年代末期，在國家自然科學(xué)基金等項目資助下，浙江大學(xué)、華北電力大學(xué)和華中科技大學(xué)等高等院校開展了這方面的跟蹤性基礎(chǔ)理論研究［13－15］。國家電網(wǎng)公司于2006年5月制定了《柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架》，全面啟動了該技術(shù)的系統(tǒng)研究。2007年底，由中國電力科學(xué)研究院牽頭，上海電力公司和浙江大學(xué)等單位共同參與第一階段研究，完成了柔性直流輸電技術(shù)工程前期和基礎(chǔ)理論研究［16－17］。該研究結(jié)合我國實際情況，從應(yīng)用規(guī)劃、經(jīng)濟性、可靠性和可用率、環(huán)境影響、控制保護策略、諧波與接地系統(tǒng)等各方面全面論證了柔性直流輸電在我國發(fā)展的可行性。研究結(jié)果表明:我國大量可再生能源亟待開發(fā)利用，在2020年前計劃興建6個百萬千瓦級乃至千萬千瓦級的超大型風(fēng)電場，我國海島眾多，城市供電壓力大，柔性直流輸電在這些領(lǐng)域有著具大的應(yīng)用潛力，將會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

2008年8月1日，國家電網(wǎng)公司重大科技專項《柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)研究及示范》在上海啟動，通過大功率可關(guān)斷器件及其串聯(lián)技術(shù)研究、VSC閥設(shè)計及冷卻技術(shù)研究、電磁兼容技術(shù)研究、過電壓與絕緣配合技術(shù)研究、控制保護技術(shù)研究、VSC閥等效試驗方法及一次設(shè)備試驗規(guī)范研究等，完成柔性直流輸電示范工程所有關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)主要設(shè)備國產(chǎn)化，完成柔性直流輸電示范工程系統(tǒng)集成。研制一臺容量為20MW、電壓等級為±50kV的柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，并通過相關(guān)的試驗驗證，于2010年在上海南匯風(fēng)電廠掛網(wǎng)運行，建成我國首個柔性直流輸電示范工程。目前，項目組已經(jīng)取得了重要的階段性研究成果，該示范工程的建設(shè)將極大促進柔性直流輸電技術(shù)在我國的研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

比較柔性直流輸電與傳統(tǒng)晶閘管直流輸電的優(yōu)缺點，介紹了國內(nèi)外已有和在建的VSC－HVDC工程，指出了我國發(fā)展柔性直流輸電的巨大潛力和需求。

［1］ 徐政，陳海榮.電壓源換流器型直流輸電技術(shù)綜述［J］.高電壓技術(shù)，2007，33(1):1 －10.

［2］ Wang X，Ooi B T.High Voltage Direct Current transmission system based on Voltage Source Converters.PESC＇90，San Antonio，TX，USA，1990，1:325－332.

［3］ Ooi B T，Wang X.Boost type PWM HVDC transmission system.IEEE Trans.On Power Delivery，1991，6(4):1557 －1563.

［4］ Lars Weimers.HVDC Light:a new technology for a better environment.IEEE Power Engineering Review，1998，18(8):19 －20