淺析柔性直流輸電工程發(fā)展

熊旭 張顏真 許卉

摘 要：文章介紹了柔性直流輸電工程國內(nèi)外應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用現(xiàn)狀，對柔性直流輸電在相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域、工程應(yīng)用情況等進(jìn)行了總結(jié)和分析，分析了柔性直流輸電工程發(fā)展的前景，進(jìn)而說明了其對未來電網(wǎng)模式發(fā)展是一種必然趨勢。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電；優(yōu)勢；工程應(yīng)用

1 概述

柔性直流輸電技術(shù)概念于20世紀(jì)80年代提出，特別是在伴隨著包括電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及計算機(jī)微處理技術(shù)等多方面的發(fā)展，經(jīng)過三十多年的發(fā)展進(jìn)化，柔性直流輸電技術(shù)在當(dāng)前形勢下，演變發(fā)展以來產(chǎn)生的諸多關(guān)鍵性問題逐漸得到一一解決，此技術(shù)（柔性直流輸電技術(shù)）在HVDC以及HVAC系統(tǒng)中得到了越來越多的相關(guān)人員及專業(yè)的重視。

2 柔性直流輸電相關(guān)技術(shù)介紹

2.1 柔性直流輸電工程中的換流器技術(shù)

柔性直流輸電的換流器根據(jù)換流器橋臂的等效特性，可分為：可控電源型和可控開關(guān)型兩類。可控電源型交流器其換流橋臂等效為可控電壓源，其儲能電容分散于各橋臂中，并且通過改變某橋臂的等效電壓，就能間接改變交流側(cè)輸出的電壓?？煽亻_關(guān)型換流器通過適當(dāng)?shù)拿}寬調(diào)制技術(shù)控制橋臂的開通與關(guān)斷，其換流橋臂可以等效為可控開關(guān)，從而將直流側(cè)電壓傳遞到交流側(cè)。

無論是兩電平還是半橋型模塊化多電平換流器，于目前投入工程應(yīng)用的換流器技術(shù)中，同時全橋式和鉗位雙子模塊型模塊化多電平換流器，均存有不可在直流故障下實現(xiàn)交直流系統(tǒng)隔離的問題。在直流電壓急劇降低時，仍然可以支撐交流電壓，究其原因可以使橋臂等效輸出電壓為負(fù)值，從而實現(xiàn)抑制交流側(cè)短路電流的目的。

2.2 柔性直流輸電系統(tǒng)中的主接線設(shè)計

電力系統(tǒng)中的變電站主接線設(shè)計是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中的重中之重。柔性直流輸電換流站中采用兩電平、三電平換流器，其站址一般采用在直流側(cè)中性點(diǎn)接地的方式，原因在于電壓等級過高，而我國交流電網(wǎng)110kV及以上的電力系統(tǒng)大多都采用中性點(diǎn)直接接地的方式。與此同時采用模塊化多電平的柔性直流輸電系統(tǒng)則一般采用交流側(cè)接地的方式，和國家電網(wǎng)公司設(shè)計規(guī)程吻合。而上述這些接地特點(diǎn)及方式都是單極對稱系統(tǒng)，當(dāng)換流器或直流線路發(fā)生故障后，整個系統(tǒng)將癱瘓，進(jìn)而無法正常運(yùn)行，雖然正常情況下不需要單獨(dú)設(shè)置專門接地，但在系統(tǒng)參數(shù)配置相同情況下，直流側(cè)的不對稱還將造成換流器所連接的交流側(cè)電壓水平的大幅度提升。單極不對稱系統(tǒng)換流閥所耐受電壓是單極對稱系統(tǒng)的兩倍，水平較大。

為了降低直流側(cè)故障的發(fā)生率，大多數(shù)柔性直流輸電工程采用電纜作為傳輸線路，因此大多數(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)傳輸線路采用單極結(jié)構(gòu)，而一般采用的是并聯(lián)形式作為相應(yīng)連接方式的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，由于并聯(lián)型式具有線路損耗更小、調(diào)節(jié)范圍更大、擴(kuò)建方式更靈活，這樣既可以保證換流器工作在同一電壓水平，又能有更好的經(jīng)濟(jì)性。與此同時，采用單個換流器造價等成本會更低，同時可靠性會更高。

2.3 柔性直流輸電保護(hù)與控制研究

HVDC系統(tǒng)的保護(hù)配置原則上需要同時滿足繼電保護(hù)的四性，即可靠性、選擇性、靈敏性、速動性原則，并且易于運(yùn)行維護(hù)。保護(hù)輸電系統(tǒng)中各個設(shè)備的安全及正常運(yùn)行，是柔性直流輸電工程中其保護(hù)系統(tǒng)的主要功能，如果發(fā)生故障，即在故障工況下，其保護(hù)系統(tǒng)能夠迅速切除故障及其相關(guān)的不正常的運(yùn)行設(shè)備，且能盡可能的保證不停電，并以能夠保證其他電氣相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行?；谀K化多電平系統(tǒng)換流器保護(hù)策略大致可分為換流器保護(hù)、交流側(cè)保護(hù)和直流區(qū)域保護(hù)，兩者主要的區(qū)別在于具體的保護(hù)算法設(shè)計和保護(hù)區(qū)分。

3 應(yīng)用領(lǐng)域與相關(guān)研究現(xiàn)狀

3.1 應(yīng)用領(lǐng)域

目前來看，根據(jù)柔性直流輸電技術(shù)的相關(guān)特點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于輸電系統(tǒng)工程中的案例有如下幾點(diǎn)，譬如：新能源及可再生能源的接入問題、電網(wǎng)的孤島供電問題、地區(qū)城市的供電可靠性問題、智能電網(wǎng)（Smart Grid）聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)等相關(guān)的領(lǐng)域。

（1）可以緩解功率波動引起的電壓波動，改善電能質(zhì)量。用于可再生能源接入，譬如：風(fēng)電、太陽能等功率輸出波動較大的新能源及可再生能源等。

（2）通過對有功及無功功率的控制，用于向中心城市供電，以解決電能質(zhì)量問題，譬如電壓閃變等，提高系統(tǒng)運(yùn)行的的穩(wěn)定性，并且同時可以完成城市電網(wǎng)的改造增容，另外對中心城市供電時，可做到無電磁干擾及不影響城市的市容，在中心城市負(fù)荷需求和環(huán)保節(jié)能要求下，達(dá)到滿足之要求。

（3）可用于解決大電網(wǎng)的異步互聯(lián)問題，電網(wǎng)間功率互換，解決大規(guī)模電網(wǎng)中的動態(tài)穩(wěn)定性及短路電流超標(biāo)等問題，鑒于其快速獨(dú)立調(diào)節(jié)無功、不提供短路電流等技術(shù)。

（4）可大幅減少經(jīng)濟(jì)人力投資及運(yùn)行管理等費(fèi)用?？沙浞职l(fā)揮其可自換相的技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用于遠(yuǎn)離海岸的海島及海上石油天然氣等鉆井平臺的供電。

3.2 國內(nèi)外工程應(yīng)用現(xiàn)狀

至2012年年底，全世界投入柔性直流輸電工程建設(shè)的柔性直流輸電工程已經(jīng)投入運(yùn)行的有13個，其中有6個用于電網(wǎng)間互聯(lián)，4個用于風(fēng)電廠接入電網(wǎng)，2個用于海上鉆井平臺供電，1個用于大型城市的供電。

我國研究起步較晚。但在國家電網(wǎng)公司的努力下，一代又一代的電網(wǎng)人在柔性直流輸電工程技術(shù)研究與應(yīng)用方面做出了巨大的努力和貢獻(xiàn)。前些年無論是高校還是電力科研院所對于柔直的研究都集中在兩電平換流器（也就是VSC）柔性直流輸電系統(tǒng)建模與仿真分析（0和1）等方面，對于實際工程技術(shù)領(lǐng)域的研究很少有涉及，很少能結(jié)合實際做一些事情。于2006年以來，國內(nèi)研究各大高校及電力科研院所等單位陸續(xù)開展了基于模塊化多電平（MMC）的柔性直流輸電工程技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，在理論及技術(shù)層面上都取得了突破性的研究進(jìn)展，中國首條柔性直流輸電示范工程于2011年7月在上海南匯投運(yùn)。這是第一次做示范工程，也是大膽嘗試工程實際。國家電網(wǎng)公司近期又在舟山地區(qū)電網(wǎng)建成一個5端柔性直流輸電工程，建設(shè)規(guī)模系統(tǒng)總?cè)萘?000MW，包含5個換流站，其中最大的換流站容量為400MW，電壓等級為±500kV。目前來看，該工程的建設(shè)與實施在其應(yīng)用領(lǐng)域提供可行性工程實際及研發(fā)平臺，另外該工程是當(dāng)今世界上端數(shù)最多的柔性直流輸電工程，為后期的建設(shè)和發(fā)展提供相關(guān)技術(shù)和工程實踐上的參考。

4 結(jié)束語

隨著柔性直流系統(tǒng)有效提升其輸送容量，大容量的可關(guān)斷元器件及直流電纜等設(shè)備技術(shù)研發(fā)及生產(chǎn)水平的不斷提高，使柔性直流輸電在目前乃至未來成為電網(wǎng)可采用的主要輸電方式。柔性直流電技術(shù)已經(jīng)是世界各國電力行業(yè)發(fā)展的努力發(fā)展方向。隨著全球氣候變化溫室效應(yīng)等災(zāi)害的發(fā)生，以及能源日漸枯竭等問題的日趨嚴(yán)峻，迫切需要能夠可持續(xù)，和諧的，且更為Smart、clean、efficient、reliable，隨著新能源并網(wǎng)消納及可再生能源電網(wǎng)發(fā)展、智能電網(wǎng)（smart grid）升級改造等等需求的響應(yīng)，在不遠(yuǎn)的將來，世界范圍內(nèi)的柔性直流輸電工程應(yīng)用將會獲得更快更迅猛的發(fā)展。其發(fā)展天地更為廣闊。未來電網(wǎng)的模式發(fā)展更加適應(yīng)發(fā)展，必將是大勢所趨。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：熊旭（1980，10-），女，福建蒲城人，國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司工程師，主要研究柔性直流輸電。