2020 年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)
——直流系統(tǒng)及電力電子

安 婷，劉 棟，常 彬，賀之淵

（1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司,北京市102209；2. 先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市102209）

0 引言

成立于1921 年的國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）,是世界領(lǐng)先、非營(yíng)利性、覆蓋技術(shù)/經(jīng)濟(jì)/環(huán)境/組織/管理等方面的電力系統(tǒng)領(lǐng)域中最重要的世界性組織之一,是為促進(jìn)國(guó)際間發(fā)、輸、配電及大電網(wǎng)領(lǐng)域科技知識(shí)交流、工程經(jīng)驗(yàn)分享和信息互惠而搭建的平臺(tái)。大會(huì)每逢雙年在法國(guó)巴黎召開(kāi),有來(lái)自全球的電力行業(yè)學(xué)者和技術(shù)人員參加。

因新型冠狀病毒（COVID-19）疫情的影響,原定在法國(guó)巴黎召開(kāi)的2020 年第48 屆CIGRE 會(huì)議改為線上視頻會(huì)議,此次會(huì)議是自CIGRE 成立以來(lái)首次以視頻的方式召開(kāi)。本次視頻會(huì)議歷時(shí)9 天（2020 年8 月24 日至9 月3 日）,共計(jì)召開(kāi)了83 場(chǎng)會(huì)議,以大會(huì)開(kāi)幕式、各分專(zhuān)委會(huì)論文宣讀、專(zhuān)題研討會(huì)和專(zhuān)題講座等方式舉行。

大會(huì)以主題為“排放差距報(bào)告”的開(kāi)幕主旨演講開(kāi)始。開(kāi)幕式結(jié)束之后,CIGRE 直流系統(tǒng)及電力電子技術(shù)專(zhuān)委會(huì)（SC B4）組織召開(kāi)了4 場(chǎng)科技論文宣讀視頻會(huì)、2 場(chǎng)專(zhuān)題研討會(huì)和1 場(chǎng)專(zhuān)題講座,內(nèi)容涉及高壓直流（HVDC）輸電、直流配電、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）和相關(guān)的器件及設(shè)備。

SC B4 為CIGRE 的16 個(gè)技術(shù)專(zhuān)委會(huì)之一,由1 名主席、1 名秘書(shū)、28 名正式會(huì)員和12 名觀察員組成。其工作范圍覆蓋:HVDC、直流配電及直流電網(wǎng)相關(guān)的直流設(shè)備和系統(tǒng),包括轉(zhuǎn)換器技術(shù)和半導(dǎo)體設(shè)備；用于交流系統(tǒng)和提高電能質(zhì)量的功率電子設(shè)備和應(yīng)用,如FACTS。

本文對(duì)主旨演講以及SC B4 會(huì)議收錄的論文、專(zhuān)題研討和專(zhuān)題講座的主要內(nèi)容進(jìn)行介紹,結(jié)合HVDC 領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn),簡(jiǎn)述了當(dāng)前HVDC領(lǐng)域最新發(fā)展動(dòng)向,探討該領(lǐng)域目前所面臨的挑戰(zhàn)并展望該領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 大會(huì)主旨演講

本次視頻大會(huì)開(kāi)幕式由聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的Ann Olhoff 做題為“排放差距報(bào)告”的主題發(fā)言,報(bào)告介紹了全球溫室氣體排放趨勢(shì)、二十國(guó)集團(tuán)（G20）成員國(guó)減排現(xiàn)狀及與其自定減排目標(biāo)的差距和如何縮小差距等,具體內(nèi)容匯總?cè)缦隆?/p>

全球溫室氣體排放量到目前為止并沒(méi)有出現(xiàn)已達(dá)到峰值的跡象,還會(huì)繼續(xù)上升。總體而言,部分G20 成員國(guó)未完全實(shí)現(xiàn)其2030 年的自定減排承諾,印度、俄羅斯、土耳其、中國(guó)、歐盟28 國(guó)和墨西哥等國(guó)家已步入正軌且超額完成自定的減排目標(biāo)；澳大利亞、日本和南非等國(guó)家的排放超出排放目標(biāo)值的15%及以下；巴西、加拿大、韓國(guó)和美國(guó)超出排放目標(biāo)值15%以上,須采取額外的減排措施才能達(dá)到自定減排目標(biāo)值；阿根廷、印度尼西亞和沙特阿拉伯等國(guó)家的情況不詳。

到2030 年,自定減排的排放目標(biāo)值低于按照各國(guó)現(xiàn)有減排政策排放水平的4～6 GtCO2e/年（GtCO2e 表示1 Gt CO2當(dāng)量）,與允許氣溫上升2 ℃、爭(zhēng)取1.5 ℃的預(yù)期目標(biāo)相比,剩余的差距分別約為12～15 GtCO2e/年和29～32 GtCO2e/年。因此,按照各國(guó)現(xiàn)有減排政策的排放水平,如果沒(méi)有更進(jìn)一步強(qiáng)大的決心和得力的減排措施,到21 世紀(jì)末將不能達(dá)到將溫升保持在2 ℃、爭(zhēng)取控制在1.5 ℃以下的目標(biāo),全球平均氣溫升高將會(huì)在3.0～3.2 ℃之間。到2030 年,溫升為2 ℃情景下的CO2預(yù)算將接近耗盡,而1.5 ℃的預(yù)算則將被遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越。

就如何進(jìn)一步縮小上述差距,聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署給出了以下世界各國(guó)降低溫室氣體排放須采取的措施。

1）創(chuàng)造更多的機(jī)會(huì)和激勵(lì)措施并采取強(qiáng)有力的減排行動(dòng),為達(dá)到2030 年各國(guó)自主減排目標(biāo)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2）能源轉(zhuǎn)型變革且必須支持可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

3）在未來(lái)的幾十年中,提高能源效率將是成功的關(guān)鍵,即電力系統(tǒng)需要持續(xù)脫碳和交通運(yùn)輸需大量電氣化。

綜上所述,聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署為改變?nèi)蚰茉聪到y(tǒng)提出了以下5 種減排手段:擴(kuò)大可再生能源的電氣化；逐步淘汰煤炭以實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的快速脫碳；脫碳運(yùn)輸；高耗能行業(yè)脫碳；既要避免未來(lái)的排放還要確保能源的供應(yīng)等。

最后,聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署指出要達(dá)到《巴黎協(xié)定》的要求,即從2020 年到2030 年全球溫室排放量每年必須分別下降2.7%和7.6%,才可達(dá)到限制氣溫上升不超過(guò)2 ℃、爭(zhēng)取1.5 ℃的目標(biāo)。

2 SC B4 論文介紹

本次SC B4 會(huì)議共宣讀了所收錄的51 篇論文［1-51］和2 篇年輕學(xué)者的科研成果［52-53］,涵蓋了3 個(gè)優(yōu)先主題:①HVDC 系統(tǒng)及其應(yīng)用；②直流配電及其電力電子；③FACTS。

優(yōu)先主題①主要涵蓋以下3 個(gè)方面的內(nèi)容:新HVDC 輸電工程項(xiàng)目的規(guī)劃和實(shí)施；直流電網(wǎng)、多端HVDC、混合HVDC 系統(tǒng)和HVDC 斷路器等領(lǐng)域新技術(shù)應(yīng)用；現(xiàn)有HVDC 輸電系統(tǒng)的翻新和升級(jí)。

優(yōu)先主題①共錄用了39 篇論文［1-39］和2 篇關(guān)于下一代網(wǎng)絡(luò)［52-53］的簡(jiǎn)介,內(nèi)容主要涉及基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）的常規(guī)HVDC（簡(jiǎn)稱(chēng)LCCHVDC）、基于電壓源換流器（VSC）的柔性HVDC（簡(jiǎn)稱(chēng)VSC-HVDC）和LCC/VSC 混合直流系統(tǒng)的一次主回路及二次控制保護(hù)系統(tǒng)。另外,還涵蓋了HVDC 系統(tǒng)可靠性及可用率的調(diào)研結(jié)果及提升直流系統(tǒng)可靠性的方法等。

在LCC-HVDC 系統(tǒng)方面,共收錄了7 篇論文［1-5,28,36］,涉及的內(nèi)容較為廣泛,從不同角度展示了實(shí)際常規(guī)特高壓直流（UHVDC）工程、高壓LCC 換流站并聯(lián)運(yùn)行、多饋入高壓LCC 的運(yùn)維和控制保護(hù)技術(shù)、換流站接地極電阻和外絕緣設(shè)計(jì)等的科研成果。

在柔性直流系統(tǒng)方面,共宣讀了21 篇論文［7-10,14,16,18-20,22-24,26-27,30-35,38］和2 篇介紹下一代網(wǎng)絡(luò)的科研成果［52-53］,涵蓋了諸多主題,包括歐盟PROMOTioN 項(xiàng)目的成果,新建、在建和規(guī)劃中的HVDC 項(xiàng)目,系統(tǒng)控制保護(hù)和仿真、HVDC 絕緣設(shè)計(jì)、直流電網(wǎng)以及多端、多供應(yīng)商HVDC 系統(tǒng)等。

在LCC/VSC 混合直流系統(tǒng)方面,共收錄7 篇論文［6,12,15,21,25,29,37］,涉及的內(nèi)容包含LCC/VSC 換流閥設(shè)計(jì)、閥組測(cè)試、系統(tǒng)故障保護(hù)策略以及混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)分析等。

HVDC 輸電系統(tǒng)可靠性的研究及提升方法是現(xiàn)代電力系統(tǒng)可靠性研究的重要領(lǐng)域之一。本專(zhuān)題共收錄了4 篇論文［11,13,17,39］,集中討論了提升系統(tǒng)可靠性的方法、全周期管理以及直流線路對(duì)HVDC 輸電系統(tǒng)可靠性的影響等內(nèi)容。

優(yōu)先主題②的論文著重關(guān)注直流和電力電子在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用,以及相關(guān)設(shè)備的新概念和設(shè)計(jì),共收錄論文4 篇［40-43］。

優(yōu)先主題③主要集中于新型FACTS 的規(guī)劃和實(shí)施、新技術(shù)在FACTS 設(shè)備中的應(yīng)用、現(xiàn)有FACTS 系統(tǒng)和其他電力電子設(shè)備翻新和升級(jí)等。共收錄了8 篇［44-51］論文,內(nèi)容主要涵蓋靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）的新應(yīng)用、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）和基于VSC 的技術(shù)應(yīng)用,解決與新興電網(wǎng)和可再生能源高滲透率有關(guān)的交流電網(wǎng)問(wèn)題。

3 專(zhuān)題研討會(huì)

本次CIGRE 會(huì)議設(shè)立了2 個(gè)與SC B4 相關(guān)的專(zhuān)題研討會(huì),分別為:①主題為“采用電磁暫態(tài)離線和實(shí)時(shí)仿真工具評(píng)估VSC-HVDC 系統(tǒng)的交互影響”的SC B4 專(zhuān)題研討會(huì),主要介紹了B4-70、B4-81和B4-41 工作組,以及一篇博士論文［54］的研究?jī)?nèi)容；②主題為“海上HVDC 輸電電網(wǎng)發(fā)展”的SC A3/B4聯(lián)合專(zhuān)題研討會(huì),以歐洲海上網(wǎng)狀HVDC 輸電電網(wǎng)發(fā)展項(xiàng)目PROMOTioN 為主線,重點(diǎn)介紹和演示了HVDC 輸電電網(wǎng)控制保護(hù)和相關(guān)設(shè)備等方面的技術(shù)成果。

3.1 SC B4 專(zhuān)題研討會(huì)

本次研討會(huì)由B4-70 和B4-81 工作組聯(lián)合組織召開(kāi),主要介紹對(duì)嵌入高壓交流系統(tǒng)中的電力電子設(shè)備之間交互影響的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該研討會(huì)主要介紹了以下4 個(gè)方面的內(nèi)容。

1）分析和評(píng)估多換流器之間交互影響的方法。

2）開(kāi)展電磁暫態(tài)研究所需的工具（離線和實(shí)時(shí)）。

3）實(shí)際工程項(xiàng)目中交互影響評(píng)估的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

4）防止交互影響的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估/解決方案。

主題為“含VSC 的電磁暫態(tài)研究指南”的B4-70工作組的工作已接近尾聲。報(bào)告者指出影響交互影響及需考慮的關(guān)鍵因素包括:系統(tǒng)中不同類(lèi)型的發(fā)電機(jī)、系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)、換流器控制、交流電網(wǎng)短路容量和阻抗、系統(tǒng)中非線性元件以及附近其他電力電子設(shè)備等。提出用多饋入交互作用因子（MIIF）和阻抗掃頻方法評(píng)估穩(wěn)定性。電磁暫態(tài)型和非電磁暫態(tài)型仿真軟件可用于不同的研究目的,且不同仿真軟件和版本會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果呈現(xiàn)不同程度的差異。最后,以法國(guó)北部含多個(gè)HVDC 和新能源發(fā)電的系統(tǒng)為例,介紹了換流器之間交互影響的研究成果,有以下結(jié)論。

1）VSC-HVDC 可能會(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)交互影響。

2）與傳統(tǒng)仿真分析方法相比,基于電磁暫態(tài)的仿真可以為交互影響的評(píng)估提供更多的信息。

3）在工程項(xiàng)目的全生命周期中,可使用電磁暫態(tài)型工具從事各種不同類(lèi)型的仿真研究。

主題為“相鄰VSC、FACTS 裝置、高壓電力電子設(shè)備和傳統(tǒng)交流裝置之間的相互影響”的B4-81工作組正在開(kāi)展中,本工作組主要聚焦于以下幾個(gè)方面。

1）分析和評(píng)估交流系統(tǒng)中多個(gè)換流器間交互影響的方法。

2）分析此類(lèi)交互影響所需數(shù)據(jù)、離線和實(shí)時(shí)仿真工具和模型推薦。

3）在VSC-HVDC 或FACTS 項(xiàng) 目 生 命 周 期 的各個(gè)階段進(jìn)行此類(lèi)研究的時(shí)間表。

主題為“具有多個(gè)直流饋電系統(tǒng)”的B4-41 工作組,已于2008 年完成了技術(shù)報(bào)告（TB364）。本工作組借鑒過(guò)去的廣泛研究,為含LCC-HVDC 多饋入系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)劃提供如何分析多個(gè)LCC-HVDC 系統(tǒng)換流器間相互作用的方法。目的是為單饋和多饋HVDC 系統(tǒng)之間提供無(wú)縫過(guò)渡,盡可能將適用于單饋HVDC 系統(tǒng)的概念擴(kuò)展到多饋HVDC 系統(tǒng),以減少兩者之間的差異。在研討會(huì)上給出了如何進(jìn)一步改進(jìn)MIIF 的分析方法并指出在做MIIF 分析時(shí),一定要考慮換流器不同運(yùn)行方式組合的影響。最后,分享了采用離線和實(shí)時(shí)仿真工具對(duì)世界上第1 個(gè)由2 個(gè)供應(yīng)商提供的相鄰2 個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的LCC-HVDC系統(tǒng)（挪威Johan Sverdrup 工程）交互影響的研究成果。得出以下結(jié)論:采用全局統(tǒng)一控制器兩系統(tǒng)可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)的協(xié)調(diào)運(yùn)行,但由于各供應(yīng)商的保密限制,兩系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的協(xié)調(diào)是一個(gè)挑戰(zhàn)；對(duì)在未來(lái)的輸電網(wǎng)中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題應(yīng)給予足夠的考慮和研究；采用第3 方介入以限制不良的交互影響。

最后,分享了報(bào)告“變化中的電力系統(tǒng)”［54］。首先介紹了交流系統(tǒng)傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、含換流器的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性以及新的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題。接著對(duì)比了實(shí)時(shí)仿真、EMT 離線軟件時(shí)域仿真和頻域分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后,研討會(huì)介紹了含多端HVDC 換流站系統(tǒng)在頻域里的穩(wěn)定性相關(guān)研究成果。結(jié)論為電力電子換流器可以給系統(tǒng)提供快速控制,但現(xiàn)有的建模仿真、運(yùn)行、控制和保護(hù)均受到了系統(tǒng)在響應(yīng)特性需求方面的新挑戰(zhàn)。

3.2 SC A3/B4 專(zhuān)題研討會(huì)

本研討會(huì)由德國(guó)亞琛大學(xué)組織召開(kāi),由10 位專(zhuān)家主講,內(nèi)容主要涵蓋HVDC 開(kāi)關(guān)設(shè)備、HVDC 電網(wǎng)和海上風(fēng)電的控制保護(hù)以及HVDC 電網(wǎng)的發(fā)展等。

3.2.1 HVDC 開(kāi)關(guān)設(shè)備

研討會(huì)介紹了320 kV/20 kA 混合式直流斷路器研發(fā)中所做的4 個(gè)階段性試驗(yàn):材料試驗(yàn)、元器件試驗(yàn)、分系統(tǒng)試驗(yàn)和最后的系統(tǒng)試驗(yàn)（電流開(kāi)斷能力、功能性、失效模式和工廠系統(tǒng)試驗(yàn)）。最后,展示了基于320 kV 斷路器研發(fā)的640 kV/30 kA/3 ms 的新型混合式直流斷路器。

研討會(huì)還介紹了VARC（VSC assisted resonant current）直流斷路器。VARC 直流斷路器采用直流電流疊加由內(nèi)部電壓源產(chǎn)生的振蕩高頻電流,使通過(guò)斷路器的電流產(chǎn)生過(guò)零點(diǎn),由交流真空斷路器開(kāi)斷電流。

另外,研討會(huì)還介紹了已應(yīng)用于中國(guó)張北500 kV 直流電網(wǎng)的主動(dòng)電流注入式和混合式直流斷路器,并展示了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)的情況和結(jié)果。2 類(lèi)斷路器均由主電流支路、電流注入/轉(zhuǎn)移支路和能量吸收支路組成?；旌鲜街绷鲾嗦菲髟趯?shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)的最高開(kāi)斷電流為26 kA,開(kāi)斷時(shí)間為2.6 ms,現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)的開(kāi)斷電流為2.3 kA,開(kāi)斷時(shí)間為2.8 ms。

高壓試驗(yàn)是驗(yàn)證高壓設(shè)備研制是否成功的重要手段。本次研討會(huì)介紹了HVDC 斷路器的試驗(yàn)原理、線路及設(shè)備,并介紹了320 kV/20 kA/3 ms 混合式HVDC 斷路器和80 kV/12 kA /2 ms VARC HVDC 斷路器相關(guān)試驗(yàn)的情況。

同時(shí),本研討會(huì)還展示了可用于海上直流換流站平臺(tái)的高壓直流SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）,與高壓直流空氣絕緣開(kāi)關(guān)相比,直流GIS 可以節(jié)省70%～95%的空間,從而大幅度減小和降低平臺(tái)的尺寸和成本,經(jīng)濟(jì)效益顯著。所展示的直流GIS 已經(jīng)過(guò)一年多在120% 額定直流電壓下的試驗(yàn),于2020 年6 月成功通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)證。

3.2.2 HVDC 電網(wǎng)控制和保護(hù)

本研討會(huì)介紹了德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)搭建的多端直流測(cè)試仿真平臺(tái)。該平臺(tái)由交流系統(tǒng)及設(shè)備、模塊化多電平換流器（MMC）換流站和直流線路等模型組成,此平臺(tái)具有可仿真3 000 個(gè)節(jié)點(diǎn)交流系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)的OP5707 實(shí)時(shí)仿真器,仿真直流電網(wǎng)控制器的OP4510 實(shí)時(shí)仿真器和4 個(gè)線性功率放大器?；诖似脚_(tái),亞琛大學(xué)對(duì)4 端直流電網(wǎng)進(jìn)行了仿真研究。另外,亞琛大學(xué)還介紹了小信號(hào)擾動(dòng)直接注入法推導(dǎo)MMC 阻抗。此方法可在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證,也可采用建模仿真的方法驗(yàn)證。亞琛大學(xué)將實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果在頻域中進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了在不同頻率范圍里2 種方法的有效性。

西班牙瓦倫西亞大學(xué)分別采用離線、控制器硬件在環(huán)（CHIL）和功率硬件在環(huán)（PHIL）實(shí)時(shí)仿真對(duì)PROMOTioN 項(xiàng)目海上直流系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證,以交流并網(wǎng)為例展示了其風(fēng)機(jī)的黑啟動(dòng)研究成果。得出以下結(jié)論:采用CHIL 驗(yàn)證海上風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的控制特性需要足夠多的風(fēng)機(jī),才能確保風(fēng)機(jī)間的相互影響得到準(zhǔn)確的驗(yàn)證；連續(xù)黑啟動(dòng)過(guò)程會(huì)因涌流和鐵磁諧振產(chǎn)生過(guò)電流或過(guò)電壓且啟動(dòng)過(guò)程會(huì)較長(zhǎng)；若采用軟啟動(dòng)會(huì)縮短啟動(dòng)時(shí)間并降低涌流和諧振；對(duì)于大量風(fēng)機(jī)并網(wǎng)而言,故障響應(yīng)及恢復(fù)特性至關(guān)重要。

另外,研討會(huì)介紹了風(fēng)機(jī)阻抗的測(cè)量及驗(yàn)證,內(nèi)容涵蓋:無(wú)須打開(kāi)生產(chǎn)廠家黑盒子的主動(dòng)元件的評(píng)估與采用CHIL 和PHIL 所得阻抗測(cè)量結(jié)果的比較。得出以下結(jié)論:阻抗測(cè)量法被認(rèn)為是表征VSC 并網(wǎng)的有效方法,可為未來(lái)能源系統(tǒng)的電氣化奠定基礎(chǔ)；CHIL 與PHIL 在中、低頻頻率范圍具有很好的匹配,對(duì)于高頻率范圍（大于1.5 kHz）PHIL 的結(jié)果具有測(cè)量不確定性以及不穩(wěn)定性問(wèn)題。綜上,CHIL可成為被廣泛應(yīng)用的模型驗(yàn)證方法。

研討會(huì)上還展示了中國(guó)張北直流電網(wǎng)示范工程的控制保護(hù)系統(tǒng),包括:控制系統(tǒng)構(gòu)架、運(yùn)行控制模式、各換流站自適應(yīng)控制、孤島控制、系統(tǒng)上電控制以及保護(hù)分區(qū)和冗余設(shè)計(jì)、換流器的配置和采用直流斷路器的直流線路保護(hù)原則等。

3.2.3 HVDC 電網(wǎng)的發(fā)展

研討會(huì)介紹了歐洲北海海上HVDC 輸電電網(wǎng)的研發(fā)進(jìn)展情況。在PROMOTioN 項(xiàng)目的框架下,通過(guò)對(duì)多端放射型和環(huán)網(wǎng)型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比,提出了在北海逐步建立多端跨國(guó)HVDC 電網(wǎng)倡議,且對(duì)三端直流電網(wǎng)進(jìn)行了可行性研究。得出以下結(jié)論:建立多端、跨國(guó)、多供應(yīng)商的海上HVDC 電網(wǎng)在技術(shù)上是可行的；由多供應(yīng)商建成的HVDC 電網(wǎng)并網(wǎng)需要進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化工作；國(guó)際合作與協(xié)作是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵；需要實(shí)際試點(diǎn)項(xiàng)目以充分展示直流電網(wǎng)的可行性和效益。

另外,由總部位于德國(guó)的輸電運(yùn)營(yíng)商介紹了關(guān)于海上風(fēng)電項(xiàng)目并網(wǎng)的“歐洲海上風(fēng)電母線（European Offshore Busbar）”全新計(jì)劃,旨在為德國(guó)和歐洲其他國(guó)家海上風(fēng)電建立專(zhuān)用的海上電網(wǎng),降低并網(wǎng)成本,以滿(mǎn)足符合可持續(xù)發(fā)展理念的未來(lái)海上風(fēng)電并網(wǎng)需求。所提歐洲海上直流母線工程將北部的挪威,經(jīng)丹麥、荷蘭和法國(guó),最終與英國(guó)相連。此聯(lián)合倡議的關(guān)鍵原則是模塊化擴(kuò)展、穩(wěn)健的進(jìn)展、一個(gè)多端直流系統(tǒng)及跨國(guó)開(kāi)源路徑。

歐洲項(xiàng)目的研究成果表明,預(yù)計(jì)在2027 年歐洲可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的2 GW、525 kV 海上輸電平臺(tái)建設(shè)；2030 年建成丹麥能源群島和風(fēng)電連接器；2040 年建成北海風(fēng)電樞紐站；2050 年建成歐洲海上直流母線。

研討會(huì)上還介紹了英國(guó)蘇格蘭在建的Caithness-Moray-Shedland 三端輻射狀直流系統(tǒng),內(nèi)容包括項(xiàng)目進(jìn)展、拓?fù)洹⒅髟O(shè)備（直流斷路器、變壓器和交流耗能器）、控制與保護(hù)、調(diào)試試驗(yàn)和展望等方面。

中國(guó)張北直流電網(wǎng)的建成以及歐洲項(xiàng)目的相關(guān)科研成果已證明直流電網(wǎng)不但技術(shù)上可行,而且還具有獨(dú)特的效益。要實(shí)現(xiàn)和建成國(guó)際化多廠商供貨的海上直流電網(wǎng),需要采取實(shí)質(zhì)性的行動(dòng),即所有利益相關(guān)者需要協(xié)調(diào)合作,實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)；攻克因多廠商供貨帶來(lái)的諸如控制系統(tǒng)的兼容性、運(yùn)行的可操作性和等效模型的準(zhǔn)確性等相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)。這些也是建設(shè)直流電網(wǎng)的進(jìn)程中需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。

4 專(zhuān)題講座

主題為“連接于弱網(wǎng)或孤網(wǎng)的逆變器運(yùn)行特性”的專(zhuān)題講座介紹了在弱交流系統(tǒng)/孤立交流系統(tǒng)中對(duì)逆變器的要求和可行的解決方案,對(duì)電網(wǎng)跟隨式逆變器和電網(wǎng)形成式逆變器做了詳細(xì)的介紹。

講座從同步發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)提供電壓支撐和頻率調(diào)節(jié)的原理和功能入手,得出弱電網(wǎng)對(duì)逆變器的要求。在電壓支撐方面,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),逆變器需按照所設(shè)計(jì)的PQ 能力為系統(tǒng)提供所需的無(wú)功支撐；在動(dòng)態(tài)及故障時(shí)逆變器須給系統(tǒng)注入大量無(wú)功,支撐電壓快速恢復(fù)。在頻率調(diào)節(jié)方面,逆變器需提供類(lèi)似于同步發(fā)電機(jī)慣性矩能力的慣性支撐；其功率輸出應(yīng)能夠根據(jù)頻率下降設(shè)置進(jìn)行調(diào)整,能夠適應(yīng)系統(tǒng)功率的波動(dòng),需要由系統(tǒng)操作員確定儲(chǔ)備需求,能夠接受連接區(qū)域的自動(dòng)發(fā)電控制所要求的功率調(diào)整等?，F(xiàn)有的解決方案包括根據(jù)逆變器的最大電流能力（通常約為1.1～1.2 p.u.）優(yōu)化有功-無(wú)功電流的支撐；逆變器電流能力內(nèi)的慣性仿真（例如風(fēng)機(jī)慣性）、使用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備（如STATCOM）或同步調(diào)相機(jī)提供電壓或慣性支撐等。對(duì)逆變器未來(lái)的研究包括耐受高暫態(tài)電流的逆變器（1～2 s 的電流高達(dá)約3～4 p.u.）、逆變器內(nèi)部或其直流側(cè)的儲(chǔ)能能力、作用類(lèi)似于同步電機(jī)的控制器以及基于儲(chǔ)能功能充分利用可再生能源等。

CIGRE TF-77 將電網(wǎng)跟隨式逆變器的定義為與交流電網(wǎng)電壓和頻率相匹配的換流器,且可在交流故障期間提供等同于穩(wěn)態(tài)額定電流的無(wú)功電流。典型的電流限制值為穩(wěn)態(tài)時(shí)是1.0 p.u.,暫態(tài)時(shí)是1.1～1.2 p.u.,故障時(shí)逆變器的輸出以無(wú)功電流為主且最大為額定電流。動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐需根據(jù)相關(guān)電網(wǎng)規(guī)范所確定的特性曲線進(jìn)行設(shè)置。慣性/頻率控制需要有功電流來(lái)維持頻率穩(wěn)定,其中有功電流的來(lái)源包括:由直流輸電系統(tǒng)的整流側(cè)提供、增加直流電壓將能量?jī)?chǔ)存在直流輸電系統(tǒng)和子模塊中以及專(zhuān)門(mén)配套的儲(chǔ)能設(shè)備。常見(jiàn)的電壓/無(wú)功功率控制模式有3 種:電壓控制、電壓相關(guān)的無(wú)功功率控制以及功率因數(shù)控制。

電網(wǎng)形成式逆變器是能夠控制連接點(diǎn)的電壓和頻率的逆變器,為所連接的其他設(shè)備提供參考電壓（作用類(lèi)似于電壓源）,且能夠自行啟動(dòng)以及其他設(shè)備應(yīng)能夠與其連接/同步。講座對(duì)電網(wǎng)形成式逆變器的要求和控制做了詳細(xì)的講解,包括基于虛擬同步機(jī)控制技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)形成式逆變器的功能控制,其他諸如與電網(wǎng)跟隨式逆變器相同的電壓控制器和具有頻率下垂功能的功率控制器等。講座以仿真為例驗(yàn)證了各種控制功能和對(duì)系統(tǒng)需求的滿(mǎn)足。

在規(guī)劃和設(shè)計(jì)逆變器時(shí),需充分考慮系統(tǒng)需求、逆變器通流能力、仿真分析計(jì)算,由此得到對(duì)逆變器的要求并確定是否需要諸如STATCOM 或同步調(diào)相機(jī)等其他設(shè)備。

5 直流輸電技術(shù)的思考及展望

近20 年來(lái)電力系統(tǒng)的發(fā)展舉世矚目,由于可再生能源高滲透和電力電子設(shè)備高比例接入,導(dǎo)致了現(xiàn)代電力系統(tǒng)呈現(xiàn)更為復(fù)雜的強(qiáng)耦合、非線性的隨機(jī)特性。UHVDC 輸電、高壓柔直工程的建設(shè),加速了電力系統(tǒng)的電力電子化,使原本弱直強(qiáng)交的電力系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)向強(qiáng)直弱交的局面；因智能電網(wǎng)的建設(shè),高比例可再生能源已接入電網(wǎng)的不同電壓等級(jí),打破了傳統(tǒng)的自上而下的輸、配、供電模式；還有正在崛起的綜合能源體系、電網(wǎng)數(shù)字化等,都直接或間接地影響到直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展、系統(tǒng)建模與仿真和設(shè)備研發(fā)。

5.1 LCC/VSC 混合直流輸電系統(tǒng)

雖然LCC-HVDC 輸電技術(shù)及裝備已得到了實(shí)際工程的應(yīng)用,在世界范圍內(nèi)已建成多個(gè)HVDC 輸電工程并投入運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了大容量、遠(yuǎn)距離的電力功率傳輸,顯著提高了電網(wǎng)大范圍的資源優(yōu)化配置。但是,隨著HVDC 輸電的廣泛應(yīng)用,多回直流輸電線路不可避免地落在同一個(gè)受端交流系統(tǒng),顯現(xiàn)出饋入直流落點(diǎn)密集、功率大、耦合緊密等特征,受端系統(tǒng)易受到交流電網(wǎng)故障影響而發(fā)生換相失敗,由此可導(dǎo)致直流單/雙極閉鎖等直流系統(tǒng)的故障對(duì)所接入的送、受端交流電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊,威脅到電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

VSC-HVDC 輸電技術(shù),因其換流器能夠?qū)崿F(xiàn)自主換相,從根本上避免了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。在LCC-HVDC 輸電系統(tǒng)中引入VSC 構(gòu)成混合型直流輸電方案,即送端采用LCC 技術(shù),受端采用VSC 或LCC/VSC 混合技術(shù),可兼具LCC-HVDC 輸送容量大和VSC-HVDC 輸電控制靈活的優(yōu)點(diǎn),既解決了換相失敗的問(wèn)題,又具有良好的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性。因此,LCC/VSC 混合直流系統(tǒng)將會(huì)在未來(lái)電網(wǎng)中發(fā)揮日益重要的作用,成為UHVDC/HVDC 輸電技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向,如中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)有限公司和中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司分別規(guī)劃建設(shè)了白鶴灘、烏東德等混合直流工程。

5.2 VSC 多端系統(tǒng)和直流電網(wǎng)

電力系統(tǒng)中可再生能源和換流器的大量接入會(huì)導(dǎo)致交流系統(tǒng)慣性和短路容量的降低。交流電網(wǎng)中相鄰的由不同供應(yīng)商提供的多個(gè)換流器之間會(huì)因供應(yīng)商之間的保密限制等因素而產(chǎn)生交互影響,此影響也會(huì)波及相連的交流系統(tǒng),從而影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。近年來(lái),由不同供應(yīng)商提供的太陽(yáng)能、風(fēng)能和HVDC 的大規(guī)模接入在電網(wǎng)中已導(dǎo)致多次振蕩頻率范圍很廣（100 Hz 至近10 kHz）的穩(wěn)定性問(wèn)題,由此引起的系統(tǒng)互操作性和穩(wěn)定性是未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展中關(guān)鍵和亟待解決的問(wèn)題。

隨著VSC 技術(shù)的成熟、成本和損耗的降低,在不需要大容量遠(yuǎn)距離電能傳輸?shù)牡貐^(qū)（如歐洲大陸）,VSC-HVDC 技術(shù)已完全取代了LCC-HVDC技術(shù)。從本次CIGRE 會(huì)議得知?dú)W洲海上風(fēng)電并網(wǎng)用直流電網(wǎng)也已得到廣泛的論證和認(rèn)可,多端VSC-HVDC 系統(tǒng)正在逐步建成。在不遠(yuǎn)的將來(lái),歐洲北海上將會(huì)建成三端直流電網(wǎng),并逐步擴(kuò)展到多端、多網(wǎng)孔連接多國(guó)的由不同供應(yīng)商提供設(shè)備的海上直流電網(wǎng)以及陸地直流電網(wǎng)?？梢詳喽ㄖ绷麟娋W(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一,但如何有效解決由多供應(yīng)商提供設(shè)備的直流系統(tǒng)的兼容性、互換性、運(yùn)行的配合性、可操作性和等效模型的準(zhǔn)確性等帶來(lái)的諸多問(wèn)題以及直流電網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)也是直流電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)和研究方向。

5.3 海上風(fēng)電場(chǎng)的直流并網(wǎng)

近年來(lái),海上風(fēng)電采用VSC-HVDC 并網(wǎng)發(fā)展迅速,成為驅(qū)動(dòng)海上直流電網(wǎng)發(fā)展的動(dòng)力。如何降低海上平臺(tái)的尺寸和成本,設(shè)備的緊湊化和輕型化是一大挑戰(zhàn)和機(jī)遇。到目前為止,已建成的海上平臺(tái)的直流開(kāi)關(guān)場(chǎng)均采用敞開(kāi)式GIS,為滿(mǎn)足絕緣間距的要求,設(shè)備間距離大,整個(gè)直流開(kāi)關(guān)場(chǎng)所需空間大。如何減小直流開(kāi)關(guān)場(chǎng)中設(shè)備間距,即直流GIS的工程化應(yīng)用和改進(jìn)是相關(guān)設(shè)備制造商近年來(lái)努力研發(fā)的方向。

另外,換流站組件可視化和數(shù)字化服務(wù)將在直流系統(tǒng)的全周期服務(wù)以及海上平臺(tái)設(shè)備的免維護(hù)中發(fā)揮十分重要的作用。如何借助先進(jìn)的信息通信（IT）技術(shù)和人工智能（AI）技術(shù)改進(jìn)人機(jī)交互界面（HMI）和數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言設(shè)計(jì),改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)安全交換機(jī)及防火墻、區(qū)塊鏈平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、激光3D和成像等也是換流站相關(guān)研究的熱點(diǎn)和研發(fā)方向。

5.4 直流系統(tǒng)/電網(wǎng)的控制保護(hù)

UHVDC/HVDC 的控制保護(hù)以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等是UHVDC/HVDC 系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。應(yīng)用先進(jìn)的IT 和AI 技術(shù),研制出先進(jìn)的具有自適應(yīng)功能的控制系統(tǒng)以消除系統(tǒng)振蕩,并提高功率響應(yīng)速度,加強(qiáng)直流電網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備間的頂層協(xié)調(diào)控制等是UHVDC/HVDC 控制領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)；如何借助先進(jìn)的IT 和AI 技術(shù),研制出快速、高靈敏度、先進(jìn)的故障檢測(cè)和定位技術(shù),并結(jié)合換流器半/全橋拓?fù)?、直流故障電流限制和開(kāi)斷技術(shù)的直流系統(tǒng)保護(hù)策略是當(dāng)下UHVDC/HVDC 保護(hù)領(lǐng)域的研發(fā)方向；如何評(píng)估多供應(yīng)商高壓直流項(xiàng)目中管理存在的風(fēng)險(xiǎn)等,也是亟待解決的問(wèn)題。

5.5 直流系統(tǒng)的建模仿真及測(cè)試平臺(tái)

直流系統(tǒng)仿真是從事直流系統(tǒng)分析、研究的重要方法和手段之一,仿真技術(shù)水平?jīng)Q定了系統(tǒng)分析研究的水平,如何對(duì)處在變化中且具有海量電力電子開(kāi)關(guān)器件的直流系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確建模,得到正確仿真結(jié)果；如何等效和搭建因高比例新能源帶來(lái)的具有強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性和互補(bǔ)特性的電源模型；如何應(yīng)對(duì)因未來(lái)電力系統(tǒng)向微觀縱深和宏觀全局的發(fā)展,這一系列問(wèn)題對(duì)多時(shí)間尺度、全過(guò)程的仿真需求也是建模仿真領(lǐng)域所面臨的新挑戰(zhàn)。

在直流配電系統(tǒng)的建模仿真方面,如何等效和搭建電動(dòng)車(chē)充電等導(dǎo)致的具有隨機(jī)不確定性和概率特性的負(fù)荷模型,如何確保綜合能源終端建模的準(zhǔn)確性,如何簡(jiǎn)化交直流混聯(lián)的復(fù)雜性以及如何體現(xiàn)具有雙向響應(yīng)特性的源、網(wǎng)、荷的互動(dòng)性是直流配電系統(tǒng)建模仿真研究的熱點(diǎn)和研發(fā)方向。

因多供應(yīng)商之間的保密以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)的限制,無(wú)法獲得精確的系統(tǒng)模型。如何對(duì)多設(shè)備供應(yīng)商的換流站系統(tǒng)進(jìn)行離線和實(shí)時(shí)硬件在環(huán)系統(tǒng)測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證,如何對(duì)多設(shè)備廠商換流站的控制、數(shù)據(jù)交換和模型驗(yàn)證及共享等方面提出標(biāo)準(zhǔn)化的要求等也是亟待解決的問(wèn)題。

多端直流測(cè)試仿真平臺(tái)是驗(yàn)證直流電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)有效性和安全性必不可少的手段。另外,離線仿真、CHIL 和PHIL 實(shí)時(shí)仿真也是開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證控制保護(hù)系統(tǒng)最基本的手段。不同測(cè)試和仿真手段之間的有效性驗(yàn)證和互補(bǔ)以及精確、有效、合理的模型等效和簡(jiǎn)化是HVDC 電網(wǎng)控制和保護(hù)系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、安全運(yùn)行的保障。

5.6 直流設(shè)備

在直流設(shè)備層面,AC/DC 換流器、直流斷路器、直流GIS、直流變壓器、直流故障限流器以及直流潮流控制器等是構(gòu)建直流電網(wǎng)的重要設(shè)備。雖然會(huì)議涉及AC/DC 換流器研發(fā)的成果較少,但研發(fā)具備故障隔離能力、多功能、功耗小、成本低和緊湊化的新型VSC 換流器是本領(lǐng)域發(fā)展方向之一。

另外,VSC-HVDC 饋電和諸如風(fēng)力和太陽(yáng)能等基于逆變器的發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)正成為發(fā)展趨勢(shì),大量傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)正在逐步被淘汰。為了滿(mǎn)足給系統(tǒng)提供諸如電壓支撐和慣性/頻率調(diào)節(jié)的功能,連接到弱電網(wǎng)或孤網(wǎng)的逆變器功能設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的逆變器設(shè)計(jì)會(huì)有所不同。如何基于虛擬同步機(jī)控制技術(shù),研發(fā)出滿(mǎn)足弱網(wǎng)或孤網(wǎng)各種控制功能需求的電網(wǎng)形成式或電網(wǎng)跟隨式逆變器,是未來(lái)逆變器研究的技術(shù)方向之一。

直流斷路器是直流電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備,被用來(lái)快速清除/隔離直流故障,確保系統(tǒng)內(nèi)未受故障影響部分能持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,經(jīng)過(guò)10 余年的研究,在世界范圍內(nèi)已研發(fā)出不同技術(shù)路線、不同拓?fù)浜筒煌妷旱燃?jí)的直流斷路器,如額定電壓最高達(dá)500 kV 的直流斷路器已通過(guò)試驗(yàn)并應(yīng)用于中國(guó)張北直流電網(wǎng)示范工程。但是相對(duì)交流斷路器而言,直流斷路器的尺寸和成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流斷路器,這也是影響直流電網(wǎng)發(fā)展的主要因素之一。因此,進(jìn)一步降低直流斷路器的成本和尺寸,集成或融合諸如限流、潮流控制等其他功能的新一代尺寸小、成本低、功能全的直流斷路器的研發(fā)仍然是本領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

相對(duì)而言,本次會(huì)議少有涉及直流變壓器、直流潮流控制器以及直流故障限流器等的研究成果。隨著歐洲海上直流電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn),此類(lèi)設(shè)備的研發(fā)預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)全面展開(kāi),成為本領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。

另外,功能單一的各種設(shè)備會(huì)大大增加直流系統(tǒng)的成本、占地面積和損耗。可以預(yù)見(jiàn),直流設(shè)備將向多功能集成融合、緊湊模塊化的方向發(fā)展,從而提高系統(tǒng)可靠性及經(jīng)濟(jì)性。