柔性直流輸電技術工程實踐及發(fā)展趨勢

魏琳琳

摘 要：柔性直流輸電作為新興的輸電技術，已經進入大發(fā)展的商業(yè)應用階段，其快速發(fā)展和應用將給我國輸配方式和電網架構帶來重要變革。對柔性直流輸電技術的特點進行了介紹，并探討了柔性直流輸電技術的典型應用場合，包括新能源并網、大型城市供電、同步或異步電網互聯(lián)、多端柔性直流互聯(lián)和直流電網等。最后，對柔性直流輸電技術面臨的機遇和挑戰(zhàn)進行了展望。

關鍵詞：柔性直流輸電；直流電網；新能源并網；城市供電；電網互聯(lián)

1 柔性直流輸電技術及特點

柔性直流輸電是20世紀90年代開始發(fā)展起來的基于電壓源型換流器的新型直流輸電技術（VSC-HVDC，Voltage Source Converter based HVDC）[1，2]。參考相關命名習慣，我國將該技術命名為“柔性直流輸電”（HVDC Flexible），其基本特征是采用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等全控型器件，具有更強的可控性和靈活性，是21世紀最具前景的電力電子技術之一。

柔性直流輸電作為新興的輸電技術，電壓等級和輸送容量均有顯著提升，已經進入大發(fā)展的商業(yè)應用階段，其發(fā)展和應用將給輸電方式和電網架構帶來重要變革，具有廣闊的應用前景。

2 柔性直流輸電典型應用場合

從交流系統(tǒng)角度看，柔性直流系統(tǒng)可等效為無轉動慣量的發(fā)電機，可以獨立、快速地控制其輸出電壓的相位和幅值，從而能夠快速、靈活地調節(jié)其輸出的有功和無功功率，具有廣闊的應用場合。

2.1 新能源并網

由于不存在交流電纜充電功率造成的輸電距離限制問題，且對接入系統(tǒng)強弱不敏感，具有快速動態(tài)無功補償能力，柔性直流輸電系統(tǒng)能有效提高并網系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，可以實現高比例可再生能源的高效接入和外送，也是目前大型海上風電場并網的最佳手段。如2015年投產的DolWin1工程將位于北海地區(qū)的巴德風電場群產生的電能送到德國電網，其額定容量為800MW，額定電壓等級為±320kV。

2.2 大型城市供電

柔性直流輸電具有隔離電網故障能力，且不會增加系統(tǒng)的短路容量，可滿足城市環(huán)網解列和限制短路電流的需求，且直流電纜單位截面積傳輸功率是交流電纜的1.5倍及以上。此外，與傳統(tǒng)直流輸電相比，柔性直流輸電無需額外補償裝置，占地面積小，是向大型城市中心供電的優(yōu)選方案。如2010年投產的Trans Bay Cable工程是世界上第一條采用模塊化多電平換流器拓撲結構的柔性直流輸電工程，該工程將電力直接送到舊金山中心，提高了城市供電系統(tǒng)的安全性和供電能力。

2.3 同步或異部電網互聯(lián)

近年來，柔性直流同步或者異步聯(lián)網技術越來越受到國際電力工程界的推崇。美國電力研究院（EPRI）在其主導的研究中，將柔性直流輸電系統(tǒng)稱作電網沖擊吸收器（grid shock absorber），并倡導將其嵌入到北美東部大電網中，從而將北美東部大電網分隔成若干個相互之間異步互聯(lián)的小型同步電網，從而有效預防大面積停電事故的發(fā)生。而ABB公司將這種用于交流電網異步互聯(lián)的直流輸電系統(tǒng)形象地稱為防火墻（firewall），用于隔離交流系統(tǒng)之間故障的傳遞。2015年投產的法國-意大利聯(lián)網INELEF工程額定容量為1000MW，額定電壓為±320kV，將法國、西班牙兩國間電能交換的容量從1400MW翻倍至2800MW，將伊比利亞半島豐富的可再生能源在不影響整體電網穩(wěn)定性的前提下高效、安全的并網送出，同時為未來歐洲乃至世界能源互聯(lián)網的整合提供寶貴的工程經驗。

2.4 多端柔性直流互聯(lián)和直流電網

柔性直流電流可以雙向流動，故易于構筑多端直流輸電系統(tǒng)。因此，越來越多的國家對多端柔性直流輸電技術表現出濃厚的興趣并付諸工程實施。歐洲規(guī)劃了以柔性直流為主的超級電網，計劃建設連接歐洲、北非及中東的多端直流輸電網絡。英國國家電網規(guī)劃建設多端柔性直流輸電網絡，滿足大規(guī)模海上風電接入。美國能源部規(guī)劃新建柔性直流輸電60余條，滿足2030的20%風能接入目標。

國家電網公司在多端直流、高壓大容量柔性直流輸電領域開展了積極的研發(fā)儲備。為保障舟山群島新區(qū)發(fā)展的供電可靠性，提高電網供電能力及抗災能力，并為將來更高電壓等級和更大傳輸容量的柔性直流輸電工程提供技術積累，2014年國家電網公司在浙江舟山本島、岱山島、衢山島、嵊泗島和洋山島建成投運了±200kV五端柔性直流輸電示范工程。舟山示范工程是當前世界上等級最高、端數最多、單端容量最大的多端柔性直流輸電工程，是多端柔性直流輸電技術的重大突破。示范工程投產后舟山電網發(fā)展為一個同時包含多端柔性直流、傳統(tǒng)直流和風電場的復雜弱交直流混聯(lián)電網，運行方式復雜多變，其運行方式對其他后續(xù)工程具有重要的借鑒意義。目前，示范工程正在改造升級加裝直流斷路器。舟山示范工程的研發(fā)過程，形成自主知識產權的關鍵技術，有力推動了我國柔性直流輸電產業(yè)的發(fā)展，具有良好的科技示范效應，為后續(xù)工程積累了豐富的經驗。

3 柔性直流輸電技術面臨的機遇和挑戰(zhàn)

隨著柔性直流輸電技術的日臻完善，越來越多的國家開始積極探討和研究多端柔性直流輸電技術。隨著技術的進步，柔性直流輸電工程向更高電壓等級、更大輸送容量和多端化、網絡化的方向發(fā)展趨勢日趨明顯。

鑒于多端柔性直流輸電技術的廣闊應用前景，為推動相關技術的發(fā)展，國際大電網組織（CIGRE）已經成立了專門研究柔性直流輸電的B4系列工作組，主要包括：

B4-57工作組：主要研究直流電網（HVDC Grid）中直流換流器的仿真建模問題。

B4-56工作組：主要研究內容為直流電網并網準則（Grid Codes for HVDC Grids）。

B4-58工作組：主要研究內容網狀直流電網（Meshed HVDC Grid）潮流控制裝置及直流電壓控制方法。

B4/B5-59聯(lián)合工作組：主要研究內容為直流電網的控制與保護。

為適應社會快速發(fā)展對電能需求的提升以及實現未來跨省、跨大區(qū)和跨國資源優(yōu)化配置的要求，一方面需要在現有柔性直流輸電技術研發(fā)的基礎上，攻克更高電壓、電流和可靠性帶來的設備研制難題，另一方面需要解決大量直流接入電網后帶來的控制、保護和運行等方面的關鍵技術，主要包括具備短路電流限制功能的新型換流器拓撲技術、換流器容量提升技術、直流斷路器技術、直流電纜技術、直流電網仿真技術和控制技術等。

參考文獻

[1]湯廣福，賀之淵，龐輝.柔性直流輸電工程技術研究、應用及發(fā)展[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37（15）：3-14.

[2]云龍，包海龍，田杰，等.柔性直流輸電控制及保護系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（19）：89-92.

（作者單位：國家電網公司華東分部）