高壓柔性直流輸電在電網(wǎng)中的應(yīng)用

黃紅荔+黃朵

（福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000）

摘要：隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，直流輸電技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用日益增加，尤其是近年柔性直流輸電技術(shù)（VSC-HVDC）的發(fā)展，使得電網(wǎng)輸電逐漸呈現(xiàn)交流與直流并存的格局。本文對高壓柔性直流輸電在電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，以闡明當(dāng)前電網(wǎng)中柔性直流輸電的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：直流輸電技術(shù)；柔性直流輸電；應(yīng)用

中圖分類號：F416.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）52-0251-02

一、引言

上世紀(jì)90年代柔性直流輸電技術(shù)開始出現(xiàn)，并得到較快的發(fā)展。1997年瑞典的“赫爾斯揚(yáng)工程”試驗(yàn)成功，標(biāo)志著柔性直流輸電技術(shù)開始從理論走入試驗(yàn)驗(yàn)證中。1999年至2000年期間，澳大利亞和丹麥的柔性直流輸電工程的建成標(biāo)志著柔性直流輸電技術(shù)正式開始走向?qū)嶋H應(yīng)用[2]。我國柔性直流輸電技術(shù)示范工程開始于2008年。2008年12月“柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)研究與示范工程”作為國家電網(wǎng)公司的重大科技專項(xiàng)正式啟動。2014年世界上首個五端柔性直流輸電工程，由國家電網(wǎng)公司中國電力技術(shù)裝備有限公司總承包的“浙江舟山±200千伏五端柔性直流輸電示范工程”正式投產(chǎn)運(yùn)行。2015年12月廈門“福建廈門±320千伏柔性直流輸電科技示范工程”正式投運(yùn)，標(biāo)志著我國已經(jīng)掌握了高壓大容量柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)和工程成套應(yīng)用的能力，實(shí)現(xiàn)了柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域的國際引領(lǐng)，讓世界柔性直流輸電技術(shù)向前邁進(jìn)一大步。柔性直流輸電是以IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、IGCT（集成門極換流晶閘管）、GTO（可關(guān)斷晶閘管）等器件構(gòu)成電壓源換流器，采用了脈寬調(diào)制（PWM）等技術(shù)的一種直流輸電技術(shù)。柔性直流輸電具有能夠給無源網(wǎng)絡(luò)供電、換相基本不會失敗、換流站間無需通信以及容易構(gòu)建多端直流系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。柔性直流輸電是相對于傳統(tǒng)基于晶閘管的電流源型直流輸電的一種說法，因?yàn)樗\(yùn)行方式更靈活、系統(tǒng)的可控性更好，因此才被稱為柔性直流輸電。在電力電子技術(shù)快速發(fā)展的今天，柔性直流輸電在解決遠(yuǎn)距離大容量輸電、分布式電源接入以及特大型交直流混合電網(wǎng)疑難問題起到重要作用[2]。因此在世界各國都在大力地研究和推廣應(yīng)用，成為當(dāng)今電網(wǎng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)方向。本文對高壓柔性直流輸電在電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，以闡明當(dāng)前電網(wǎng)中柔性直流輸電的發(fā)展前景。

二、柔性直流輸電在電網(wǎng)中的應(yīng)用

根據(jù)統(tǒng)計(jì)目前世界范圍內(nèi)大約有建成或在建柔性直流輸電工程三十多項(xiàng)[2]，在這三十多項(xiàng)柔性直流輸電工程中有的是用于分布式電源并網(wǎng)（主要是風(fēng)電和太陽能），有的是應(yīng)用于特大城市中心大容量供電（增容），有的是用于異步獨(dú)立電網(wǎng)的互聯(lián)，有的是應(yīng)用于電網(wǎng)電能質(zhì)量的優(yōu)化，有的是用于海上孤島或平臺供電，有的是用于電力市場互聯(lián)交易以及實(shí)現(xiàn)多端直流互聯(lián)。

因此可將柔性直流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)的應(yīng)用歸納為以下幾點(diǎn)。

1.用于分布式電源并網(wǎng)。分布式電源直接接入交流電網(wǎng)由于存在單機(jī)容量小、受環(huán)境影響大、具有波動性和間歇性等特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)有效調(diào)度。這些分布式電源主要包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池或光伏電池、沼氣發(fā)電和儲能設(shè)備等。

通過柔性直流輸電就地接入或通過陣列式布局使得容量達(dá)到一定規(guī)模再接入電網(wǎng)，使得電網(wǎng)調(diào)度的難題得到較好的解決。同時也可以消除因?yàn)榉植际诫娫措妷褐С心芰θ?，對系統(tǒng)運(yùn)行和電能質(zhì)量等帶來的不利影響。目前主要應(yīng)用在風(fēng)電及太陽能的并網(wǎng)。

2.應(yīng)用于特大城市中心大容量供電。在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，城市電網(wǎng)負(fù)荷日益增長，且對電能質(zhì)量的要求也日漸提高。雖然近年經(jīng)濟(jì)增速放慢，但是城市電網(wǎng)負(fù)荷整體還是處于上升的趨勢。城市大容量的交流輸電帶來很多的問題，如輸電走廊的問題、用電負(fù)荷和供電容量增加帶來的短路電流過大的問題、線損問題和城市環(huán)保問題等，尤其是在一些特大型城市這些問題更加突出。柔性直流輸電具有線路走廊占地面積小、能夠限制線路短路電流、線損相比交流電小等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決大城市中心大容量供電帶來的問題。

3.用于異步獨(dú)立電網(wǎng)的互聯(lián)。柔性直流輸電不存在同步穩(wěn)定性問題，因此可以在兩個獨(dú)立電網(wǎng)之間的互聯(lián)上應(yīng)用。柔性直流輸電能夠應(yīng)用于多個相同或不同頻率的電網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)成一個更大區(qū)域電網(wǎng)；柔性直流輸電控制和調(diào)節(jié)速度快，因此在電網(wǎng)與電網(wǎng)之間一方面可以進(jìn)行有功潮流輸送，緊急無功支撐，對電網(wǎng)可靠性提供強(qiáng)有力的保證；另一方面，柔性直流輸電可以將多個電網(wǎng)互聯(lián)，同時隔離各電網(wǎng)之間故障，防止電網(wǎng)故障的蔓延進(jìn)一步惡化。

4.應(yīng)用于電網(wǎng)電能質(zhì)量的優(yōu)化。柔性直流輸電在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)動態(tài)無功支撐，改善電能質(zhì)量，解決非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷和三相不平衡等產(chǎn)生的問題，保障敏感設(shè)備供電等方面都具有較好的效果。柔性直流輸電技術(shù)可以同時且獨(dú)立地控制有功功率和無功功率，控制更加靈活方便。柔性直流輸電可以不需要交流側(cè)提供無功功率，就能夠起到STATCOM的作用，實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償交流母線的無功功率，穩(wěn)定母線電壓。柔性直流輸電可以提供動態(tài)無功功率支撐，能夠有效解決潮流波動、電壓閃變和頻率不穩(wěn)定的問題，改善了電能質(zhì)量。

5.用于海上孤島或平臺供電。在離電網(wǎng)較遠(yuǎn)的油田、鉆井、海島等孤立區(qū)域，如果直接采用交流線輸電成本往往會比較高甚至不可能實(shí)現(xiàn)。因此在這些距離較遠(yuǎn)的孤立地區(qū)往往是自己發(fā)電，如海島風(fēng)力條件較好可以采用風(fēng)力發(fā)電或是海上平臺采用燃油發(fā)電等，這些發(fā)電方法的建設(shè)維護(hù)成本都會比較高。利用柔性直流輸電的輸電成本低的特點(diǎn)將這些孤立的負(fù)荷通過柔性直流輸電系統(tǒng)和電網(wǎng)相連，可以降低供電成本。另一方面通過柔性直流輸電實(shí)現(xiàn)孤島供電對緩解土地資源緊缺、充分利用資源意義重大。采用柔性直流輸電可在保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，通過環(huán)流技術(shù)將不同頻率的交流電轉(zhuǎn)化為直流，用于實(shí)現(xiàn)兩個交流系統(tǒng)的互聯(lián)；通過對自身電流的快速控制，有效限制互聯(lián)系統(tǒng)的短路容量[4]。

6.用于電力市場互聯(lián)交易以及實(shí)現(xiàn)多端直流互聯(lián)。在全能源互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)和洲際電網(wǎng)互聯(lián)很有必要，以實(shí)現(xiàn)各大電網(wǎng)之間的相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)全球電力市場互聯(lián)交易，增加了整體參與電力市場中供電商的數(shù)量。柔性直流輸電因?yàn)槠湓陔娋W(wǎng)互聯(lián)同步穩(wěn)定性上的優(yōu)勢在電力市場互聯(lián)交易、實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)具有較大的應(yīng)用空間。另外柔性交流輸電在潮流反轉(zhuǎn)時，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，這個特點(diǎn)有利于構(gòu)成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的并聯(lián)多端直流系統(tǒng)[4]。

三、總結(jié)

在經(jīng)歷一個多世紀(jì)的演變，似乎直流電開始逐漸崛起?，F(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，使得很多的用電設(shè)備開始轉(zhuǎn)向使用直流電，如我們的電腦、LED燈和手機(jī)等電子產(chǎn)品在現(xiàn)在都需要將交流電轉(zhuǎn)換成直流電以供電子元件使用才能正常工作。作為現(xiàn)代清潔能源發(fā)電技術(shù)的典型代表太陽能發(fā)電，目前大多數(shù)的是通過光伏板將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能輸出，然后再通過逆變器轉(zhuǎn)變成交流電能供給設(shè)備使用。如果未來的設(shè)備使用直流電就不需要進(jìn)行逆變器的轉(zhuǎn)換過程。隨著電動汽車的出現(xiàn)，直流用電將會在未來的用電領(lǐng)域占很大的比例。為了節(jié)能我們可以直接將直流電傳輸給使用直流電的設(shè)備，而不用途中轉(zhuǎn)換為交流，就有可能避免每次交直流轉(zhuǎn)換中都要產(chǎn)生的巨大能量損失。在現(xiàn)代電網(wǎng)中柔性直流輸電系統(tǒng)在新能源并網(wǎng)和消納、異步聯(lián)網(wǎng)、孤島供電、遠(yuǎn)距離輸電等眾多方面將會發(fā)揮越來越重要的作用。柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)使多端直流輸電系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，還將進(jìn)一步促進(jìn)直流電網(wǎng)的形成，隨著全控型電力電子開關(guān)器件、高壓直流開關(guān)、直流電纜研發(fā)制造水平的不斷提高，以及控制保護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計(jì)未來5到10年我國將迎來柔性直流輸電工程建設(shè)快速發(fā)展時期，世界范圍將有望建成以柔性直流輸電為基礎(chǔ)，500千伏及以上等級的區(qū)域性直流電網(wǎng)。

而未來的電網(wǎng)可能再次出現(xiàn)交流輸電與直流輸電相互爭雄的格局，也會出現(xiàn)交直流輸電相互補(bǔ)充、相互兼容的情況。

參考文獻(xiàn)：

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