柔性直流輸電的發展現狀

方波，周云高，劉洪亮

(浙江寧波電業局，寧波 315000)

1 引言

隨著能源緊缺和環境污染等問題的日益嚴峻，大力開發和利用可再生清潔能源，倡導能源的可持續發展，成為全球范圍內的能源發展戰略。然而，風能、太陽能等可再生能源發電由于其固有的分散性、小型性、遠離負荷中心等特點，使得采用交流輸電技術或傳統的直流輸電技術聯網顯得很不經濟，但是由于利用規模的不斷擴大，這些能源并網又成為必然的需求。同時，海上鉆探平臺、孤立小島等無源負荷，目前采用昂貴的本地發電裝置，既不經濟，又污染環境。另外，高密度大城市用電負荷的快速增加，使得如何解決利用有限的輸電走廊輸送更多的電能的問題日益突出。因此，采用更加靈活、經濟、環保的輸電方式解決以上問題成為迫切的要求［1］。

1990年McGill大學的Ooi等提出了用脈寬調制技術(Pulse Width Modulation，PWM)控制的電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)進行直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)的概念［2－3］。由于采用了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、集成門極換流晶閘管(IGCT)等全控型器件，基于VSC的直流輸電(VSC－HVDC)系統具有可獨立調節有功和無功功率的優點，可以向無源網絡送電，克服了傳統HVDC的本質缺陷，把HVDC的優勢擴展到配電網，極大地拓寬了HVDC的應用范圍，具有廣闊的應用前景［4］。在此基礎上，ABB公司提出了輕型直流輸電(HVDC Light)的概念，并于1997年3月在瑞典中部的赫爾斯揚和格蘭斯堡之間進行了首次HVDC Light的工業試驗。試驗獲得了成功。此后，VSC－HVDC技術得到了快速發展，到目前為止，世界上已投運VSC－HVDC工程9項，在建3項，其中，最大傳輸容量已達到了400MW。為了區別傳統上基于可控硅的HVDC系統和基于FACTS技術的靈活交流輸電系統，國內專家學者建議把這種基于VSC的HVDC系統稱為柔性直流輸電系統(VSC－HVDC or HVDC Flexible)。

2 柔性直流輸電原理

兩端VSC－HVDC系統組成原理圖如圖1所示，兩側換流站采用VSC換流器。換流器由換流橋、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器組成。換流電抗器是VSC與交流側能量交換的紐帶，同時也起到濾波的作用。直流電容器的作用是為換流器提供電壓支撐、緩沖橋臂關斷時的沖擊電流、減小直流側諧波。交流濾波器的作用是濾除交流側諧波。另外，VSC－HVDC的輸電線路一般采用地下電纜，對周圍環境沒有什么影響。VSC的交流側輸出電壓是由直流電壓通過換流閥的通斷形成的，不需要交流系統提供換相電壓，因此換流器可以向無源網絡供電。換流器中IGBT上并聯反向二極管，除了作為主回路以外，還起到保護和續流的作用。換流器通常采用PWM控制技術。常規直流和柔性直流輸電系統的比較如表1所示。

圖1 VSC－HVDC系統原理圖

表1 常規直流和柔性直流輸電系統的比較

3 柔性直流輸電國外發展情況

從1997年瑞典的Hellsjon工程試驗成功開始，到目前為止，世界上已運行的VSC－HVDC工程有9項，在建的有3項。

(1)瑞典Hellsjon工程是世界上第一個VSCHVDC工業試驗工程，額定容量為3MW，直流電流150A，直流電壓±10kV。試驗線路選擇為Hellsjon附近一條10km長的10kV交流線路。該工程自1997年3月建成后完成了復雜的試驗計劃，獲得了詳細的VSC－HVDC傳輸有功功率和作為 SVC(Static Var Compenstator)運行的技術數據。

(2)1999年6月，瑞典果特蘭島(Gotland)VSCHVDC工程投入運行。這是世界上第一個商業化運行的VSC－HVDC工程，額定容量為54MW，兩端的交流電網電壓80kV，直流電壓±80kV，直流電流350A，輸電線路長度2×70km。該系統為風力發電提供電壓支持且采用地下電纜傳輸電能，對環境的影響較小。

(3)2000年4月，澳大利亞建成投運的Directlink VSC－HVDC工程將New South Wales電網和Queensland電網聯接起來，并在兩個電網之間進行電力市場交易。線路傳輸的電能根據NEMMCO(National Electricity Market Management CompanyLimited)市場的價格決定，從而輸送的功率需要每5min改變1次。額定容量180MW(3×60MW)，兩端交流電壓132/110kV，直流電壓±80kV，直流電流342A，輸電線路為6×59km地下電纜，工程主要目的是解決異步聯網中電力交易的快速控制問題和滿足環境要求。

(4)2000年8月，在丹麥修建的第一個用于風力發電的VSC－HVDC示范工程－Tjereborg工程正式投運，額定容量8MVA/7.2MW，直流電壓±9kV，直流電流358A，輸電距離2×4.3km。該工程主要為了解決風力發電引起的無功功率和電壓問題。

(5)2000年9月，由EPRI、AEP和ABB聯合在美國的Eagle Pass建設了世界上第一個采用 VSCHVDC技術實現電網背靠背異步互聯的工程。該工程增加了向Eagle Pass的輸電能力，解決了Eagle Pass電網的電壓支撐問題，同時也為美國與墨西哥電網之間電力市場交易提供技術支持。該工程的最大可傳輸功率為36MW，或以STATCOM方式運行為兩端電網提供36MVar的無功補償容量。該工程兩端交流電網電壓138kV，直流額定電壓 ±15.9kV，直流電流1.1kA。

(6)2002年7月投運的美國Cross Sound VSCHVDC工程將New York和New England電網非同期聯網，直流傳輸線采用2×40km海底電纜，兩端交流電壓345/138kV，工程額定容量330MW，直流電壓 ±150kV，直流電流1175A。選擇VSC－HVDC主要是考慮到電力交易和長距離的海底電纜輸電。

(7)2002年8月投運的澳大利亞Murraylink直流工程，額定容量220MW，兩端的交流網絡電壓132/220kV，直流電壓±150kV，直流電流739A，直流輸電線路為2×180km地下電纜。該工程是目前世界上最長的地下電纜輸電項目，工程的目的是電力市場交易和滿足長距離電纜輸電需要。

(8)2005年2月挪威Troll A VSC－HVDC工程投運。該工程向海上天然氣鉆井平臺用電設備供電，額定功率2×42MW，兩端交流電壓132/56kV，直流電壓±60kV，直流電流350A，輸電線路為4×70km海底電纜。該工程采用VSC－HVDC技術主要考慮到長距離海底電纜輸電和環境保護要求。此外鉆井平臺上的電動機需要變頻(0～63Hz)調速，運行電壓在0～56kV范圍內變化，而且換流器空間和重量都受到限制。

(9)2006年12月連接愛沙尼亞和芬蘭的Estlink VSC－HVDC工程投運。該工程的目的是將波羅的海諸國產生的電力送入北歐電力市場。其額定功率350MW，兩端交流電壓 330/400kV，直流電壓 ±150kV，輸電線路為2×31km的地下電纜和2×74km的海底電纜。該工程采用VSC－HVDC主要是考慮到長距離海底電纜輸電和非同步電網互聯。

(10)Valhall VSC－HVDC工程預計于2010年投運。該工程的目的是從挪威海岸的Lista向北海中的Valhall鉆井平臺供電。其額定功率78MW，兩端交流電壓300/11kV，直流電壓±150kV，輸電線路為292km的海底電纜。該工程采用VSC－HVDC主要是考慮降低成本、提高油田的運行效率和減少溫室氣體排放，保護環境。

(11)Nord E.ON 1 VSC－HVDC工程預計于2009年投運。該工程將世界最大的離岸風電場Borkum 2的電能傳輸至德國電網。其額定功率400MW，兩端交流電壓380/170kV，直流電壓±150kV，輸電線路為2×75km的地下電纜和2×128km的海底電纜。該工程采用VSC－HVDC主要是考慮長距離電纜輸電。

(12)Caprivi Link Interconnector VSC－HVDC工程預計于2009年底投運。該工程連接了位于納米比亞的兩個弱電網，使它們能夠在南部非洲進行正常的電力交易。其額定功率300MW，兩端交流電壓400/330kV，直流電壓達到了±350kV，是目前VSC－HVDC工程中最高的直流電壓，輸電線路為970km架空線路。該工程采用VSC－HVDC的目的主要是考慮長距離弱系統互聯，提高系統穩定性。

4 柔性直流輸電國內發展情況

國內關于柔性直流輸電技術的研究起步較晚，90年代末期，在國家自然科學基金等項目資助下，浙江大學、華北電力大學和華中科技大學等高等院校開展了這方面的跟蹤性基礎理論研究［13－15］。國家電網公司于2006年5月制定了《柔性直流輸電系統關鍵技術研究框架》，全面啟動了該技術的系統研究。2007年底，由中國電力科學研究院牽頭，上海電力公司和浙江大學等單位共同參與第一階段研究，完成了柔性直流輸電技術工程前期和基礎理論研究［16－17］。該研究結合我國實際情況，從應用規劃、經濟性、可靠性和可用率、環境影響、控制保護策略、諧波與接地系統等各方面全面論證了柔性直流輸電在我國發展的可行性。研究結果表明:我國大量可再生能源亟待開發利用，在2020年前計劃興建6個百萬千瓦級乃至千萬千瓦級的超大型風電場，我國海島眾多，城市供電壓力大，柔性直流輸電在這些領域有著具大的應用潛力，將會帶來巨大的經濟效益和社會效益。

2008年8月1日，國家電網公司重大科技專項《柔性直流輸電關鍵技術研究及示范》在上海啟動，通過大功率可關斷器件及其串聯技術研究、VSC閥設計及冷卻技術研究、電磁兼容技術研究、過電壓與絕緣配合技術研究、控制保護技術研究、VSC閥等效試驗方法及一次設備試驗規范研究等，完成柔性直流輸電示范工程所有關鍵設備技術參數設計，實現主要設備國產化，完成柔性直流輸電示范工程系統集成。研制一臺容量為20MW、電壓等級為±50kV的柔性直流輸電系統關鍵設備，并通過相關的試驗驗證，于2010年在上海南匯風電廠掛網運行，建成我國首個柔性直流輸電示范工程。目前，項目組已經取得了重要的階段性研究成果，該示范工程的建設將極大促進柔性直流輸電技術在我國的研究、開發和推廣應用。

4 結論

比較柔性直流輸電與傳統晶閘管直流輸電的優缺點，介紹了國內外已有和在建的VSC－HVDC工程，指出了我國發展柔性直流輸電的巨大潛力和需求。

［1］ 徐政，陳海榮.電壓源換流器型直流輸電技術綜述［J］.高電壓技術，2007，33(1):1 －10.

［2］ Wang X，Ooi B T.High Voltage Direct Current transmission system based on Voltage Source Converters.PESC＇90，San Antonio，TX，USA，1990，1:325－332.

［3］ Ooi B T，Wang X.Boost type PWM HVDC transmission system.IEEE Trans.On Power Delivery，1991，6(4):1557 －1563.

［4］ Lars Weimers.HVDC Light:a new technology for a better environment.IEEE Power Engineering Review，1998，18(8):19 －20