淺析柔性直流輸電技術(shù)及其發(fā)展

劉漢鵬　楊光　劉超　于瀟　劉陽(yáng)

[摘 要]本文簡(jiǎn)要介紹了柔性直流輸電原理，總結(jié)了柔性直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍、現(xiàn)在的發(fā)展?fàn)顩r以及其未來(lái)的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]柔性直流輸電；發(fā)展

柔性直流輸電技術(shù)對(duì)于提高交流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備、改善交流系統(tǒng)電能質(zhì)量，解決非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷所帶來(lái)的問(wèn)題，具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也是智能電網(wǎng)建設(shè)中解決大容量、間歇式新能源發(fā)電并網(wǎng)的重要技術(shù)手段。

目前世界上僅ABB公司擁有商業(yè)運(yùn)行的工程。雖然西門子、AREVA等跨國(guó)公司一直沒(méi)有間斷在該領(lǐng)域的技術(shù)研究，但迄今為止在世界范圍內(nèi)運(yùn)行的工程仍被ABB一家公司所壟斷。

一、柔性直流輸電技術(shù)的原理

柔性直流輸電采用電壓源型換流器和PWM技術(shù)。由調(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(guān)管高頻開通和關(guān)斷，則橋臂中點(diǎn)電壓uc在兩個(gè)固定電壓+Ud和—Ud之間快速切換，uc再經(jīng)過(guò)電抗器濾波后則為網(wǎng)側(cè)的交流電壓us。

進(jìn)一步分析可知，在假設(shè)換流電抗器無(wú)損耗且忽略諧波分量時(shí)，換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蕿镻，無(wú)功功率為Q。有功功率的傳輸主要取決于δ，無(wú)功功率的傳輸主要取決于UC。因此通過(guò)對(duì)δ的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小，通過(guò)控制UC就可以控制VSC發(fā)出或者吸收的無(wú)功功率。從系統(tǒng)角度來(lái)看，VSC可以看成是一個(gè)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，幾乎可以瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。

二、柔性直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)

柔性直流輸電技術(shù)是當(dāng)今世界電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的制高點(diǎn)，是基于可關(guān)斷電力電子器件IGBT（絕緣柵雙極晶體管）組成的電壓源換流器所構(gòu)成的新一代直流輸電術(shù)。

該技術(shù)可以在進(jìn)行精確有功功率控制的同時(shí)對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行控制，可為交流系統(tǒng)提供電壓支撐，控制更加靈活。柔性直流換流站可工作在無(wú)源換流的方式下，不需要外加的換相電壓，可用于弱系統(tǒng)或無(wú)源系統(tǒng)供電。此外，柔性直流輸電技術(shù)基本不需要濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置，其換流站占地面積較同等容量的常規(guī)直流換流站要小。

柔性直流輸電是以電壓源換流器為核心的新一代直流輸電技術(shù)，其采用最先進(jìn)的電壓源型換流器和全控器件，是常規(guī)直流輸電技術(shù)的換代升級(jí)。與傳統(tǒng)的直流輸電不同，是一種采用基于電壓源換流器、可控關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制（PWM技術(shù)）的新一代直流輸電技術(shù)。

它可以瞬間實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的獨(dú)立解耦控制，能向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電，具有良好的電網(wǎng)故障后的快速恢復(fù)控制能力，可以作為系統(tǒng)恢復(fù)電源。在傳輸能量的同時(shí)，還能靈活地調(diào)節(jié)與之相連的交流系統(tǒng)電壓。具有可控性較好、運(yùn)行方式靈活、適用場(chǎng)合多等顯著優(yōu)點(diǎn)。從用途上看，它可以很好地適應(yīng)于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電等領(lǐng)域。

三、柔性直流輸電技術(shù)可應(yīng)用范圍

1.連接分散的小型發(fā)電廠。如中小型的水電廠、風(fēng)電場(chǎng)（含海上風(fēng)電場(chǎng)）、潮汐電站、太陽(yáng)能電站等，利用柔性直流輸電與主網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保護(hù)環(huán)境。

2.不同額定頻率或者相同頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運(yùn)行。模塊化結(jié)構(gòu)以及電纜線路使柔性直流輸電對(duì)場(chǎng)地和環(huán)境的要求大為降低，換流站的投資大大下降。

3.構(gòu)建城市直流輸配電網(wǎng)。

4.向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。偏遠(yuǎn)地區(qū)一般遠(yuǎn)離電網(wǎng)，負(fù)荷輕而且日負(fù)荷波動(dòng)大，經(jīng)濟(jì)因素以及線路輸送能力低是限制架設(shè)交流輸電線路發(fā)展的主要因素。采用柔性直流輸電進(jìn)行供電，可解決這些問(wèn)題。

5.海上供電。

6.提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量。柔性直流輸電系統(tǒng)可以獨(dú)立快速地控制有功和無(wú)功，且能夠使交流系統(tǒng)的電壓保持不變、它使系統(tǒng)的電壓和電流較容易地滿足電能質(zhì)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

四、柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展

隨著風(fēng)電等間歇式可再生能源在電網(wǎng)中比重的加大，其隨機(jī)性、間歇性和不可控性等特點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。柔性直流輸電可以極大地提升風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的安全性和可靠性，是國(guó)際上公認(rèn)的最具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)手段，特別是對(duì)于遠(yuǎn)距離的海上風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，使用柔性直流輸電并網(wǎng)是目前唯一可選的有效方案。另外，柔性直流輸電技術(shù)在孤島及海上平臺(tái)供電、大型城市供電、多端直流組網(wǎng)、電力市場(chǎng)交易等領(lǐng)域也都有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著電網(wǎng)未來(lái)繼續(xù)朝著智能化、節(jié)約化、環(huán)保化發(fā)展，柔性直流輸電技術(shù)必將成為未來(lái)電力領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，具有極其廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景?！睋?jù)悉，1997年世界上第一條柔性直流輸電工程投入工業(yè)試驗(yàn)運(yùn)營(yíng)，目前投入運(yùn)營(yíng)的已經(jīng)有11條。大部分應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、電力交易、電網(wǎng)互聯(lián)、海上鉆井平臺(tái)等領(lǐng)域。隨著世界范圍內(nèi)對(duì)于可再生能源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，規(guī)模越來(lái)越大，目前已有1000兆瓦的柔性直流風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)工程開始設(shè)計(jì)，而2000兆瓦級(jí)柔性直流輸電的概念設(shè)計(jì)也已經(jīng)提出。目前，歐洲多個(gè)國(guó)家都已經(jīng)規(guī)劃和建設(shè)了大量的海上風(fēng)電場(chǎng)，其容量都在數(shù)百兆瓦等級(jí)，并且其中已經(jīng)有部分使用了柔性直流輸電進(jìn)行系統(tǒng)接入。

我國(guó)開展柔性直流輸電技術(shù)研究的時(shí)間相對(duì)較晚，在初期階段主要集中在大專院校所開展的部分理論性研究。2006年5月，國(guó)家電網(wǎng)組織編制了《柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架》，由此啟動(dòng)了我國(guó)在柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的全面研究。目前，我國(guó)已規(guī)劃在甘肅酒泉、新疆哈密、河北、吉林、內(nèi)蒙古東部、內(nèi)蒙古西部、江蘇、山東等地建設(shè)8個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電場(chǎng)。柔性直流輸電是國(guó)際公認(rèn)的最具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方案，也是海上風(fēng)電并網(wǎng)的唯一方式，可以大幅改善大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的性能，保障新能源發(fā)電的迅速發(fā)展。

據(jù)了解，到2015年，保守估計(jì)世界范圍內(nèi)柔性直流輸電工程的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到千億元以上。隨著新能源的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)柔性直流輸電技術(shù)也呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求。我國(guó)未來(lái)五年的市場(chǎng)規(guī)模將在400億元左右。

在2020年前，僅風(fēng)電發(fā)電方面我國(guó)就計(jì)劃興建6個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)的超大型風(fēng)電場(chǎng)。柔性直流輸電是國(guó)際公認(rèn)的最具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方案，也是海上風(fēng)電并網(wǎng)的唯一方式，可以大幅改善大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的性能，對(duì)于大容量風(fēng)電場(chǎng)的可靠并網(wǎng)、保障新能源發(fā)電的迅速發(fā)展，都具有重要的意義。

此外，對(duì)于大型城市供電、城市配電、島嶼和鉆井平臺(tái)供電等應(yīng)用領(lǐng)域，柔性直流輸電技術(shù)也有很好的應(yīng)用前景。

五、結(jié)語(yǔ)

1.柔性直流輸電技術(shù)具有可控性較好、運(yùn)行方式靈活、適用場(chǎng)合多等顯著優(yōu)點(diǎn)。

2.柔性直流輸電技術(shù)可應(yīng)用于連接分散的小型發(fā)電廠、不同額定頻率或者相同頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運(yùn)行、構(gòu)建城市直流輸配電網(wǎng)、向偏遠(yuǎn)地區(qū)供、海上供電、提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量和電力市場(chǎng)模式下的應(yīng)用等方面。

3.隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，柔性直流輸電技術(shù)將會(huì)更廣泛的應(yīng)用于新能源并網(wǎng)、城市電網(wǎng)等方面。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛穎科，桂順生，賀之淵，等.基于MMC技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)性能分析[J].華東電力，2011，7：1133-1136.