基于柔性直流輸電技術的分布式發電在城市電網中的應用

尹壽垚，翟 毅，吳 昊，季 堃，宋 鑫，楊啟京

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061)

城市電網是城市現代化建設的重要基礎設施之一，是電力系統的主要負荷中心，具有用電量大、負荷密度高、安全可靠和供電質量要求高等特點[1]。隨著城市化進程不斷推進和社會經濟的高速發展，城市負荷不僅持續快速增長，并且對供電可靠性以及電能質量的要求越來越高。因此向城市負荷中心供給大量優質可靠的電能將面臨越來越大的困難和挑戰。隨著城市發展建設的日趨成熟，從環境保護以及土地資源的限制考慮，不僅制約了大容量電源的建設，而且造成向城市供電的線路走廊越來越擁擠，甚至出現缺少必要線路走廊的供電瓶頸；由于增加城市供電能力的投資成本越來越高，人們對于健康和居住環境的要求增高，因此需要采取合適的供電方式以節約資金、減少電網建設運行對城市居住環境的影響；隨著城市供電容量的增加，系統短路電流增大，這對于開關設備及其他網絡元件的安全運行造成極大地威脅；還有城市負荷對于供電可靠性以及電能質量的要求越來越高，這就需要向城市負荷中心供電應該滿足運行靈活、可控性高的要求，以滿足各種運行情況的需求[2，3]。

1分布式能源在城市電網中的應用

分布式能源，顧名思義，是一種相對集中供能的分散式供能方式。根據國際分布式能源聯盟的定義，分布式能源是指安裝在用戶端的高效冷/熱電聯供系統，不論其采用何種燃料或是否并網運行。在城市中以組成微電網[6-10]并通過與主網并網形成發電功能。作為一種高效的供能系統，分布式能源近年來在國際上發展迅速。各國政府克服種種阻礙，為分布式能源提供了一系列支持鼓勵措施，為其發展創造了有利的環境。分布式能源在各國電力市場中的比重也逐年增加。根據國際分布式能源聯盟2006年的一份報告，分布式能源占電力市場的比例在丹麥已達到53%，在芬蘭、德國、荷蘭捷克已達38%，日本和印度分別達到14%和18%。英國雖然目前只有7%，但倫敦為了爭取2012年奧運會，特別制定了倫敦城市能源發展規劃。而這一發展規劃的核心之一就是大力發展分布式能源。分布式能源經過幾十年的發展，其技術已非常成熟、可靠。分布式能源設備的生產廠家多數是世界頂級的電力設備廠家，如美國通用電氣、卡特比勒、索拉、康明斯、芬蘭的瓦錫蘭、德國的MAN等等。我國也有一些著名的廠家，如山東勝動和沈陽黎明。各國根據各自的國情，利用不同的技術發展了多種形式的分布式能源，積累了寶貴的實際運行經驗，對我國分布式能源的發展也有很高的借鑒價值。分布式能源的發展在中國存在著兩個主要障礙，即并網與售電。分布式能源系統設計的一般原則是以熱定電，這樣才能保證較高的系統能效。但這樣設計的結果可能會出現余電或缺電現象，因此分布式能源就需要借助公共電網來吸收余電或是補充缺電，以最終確保系統的高能效，同時也需要把電網作為備用電源。發展分布式能源有以下3點巨大優勢：

（1）可以為國家節約大量的發電和輸配電投資。舉個簡單的例子，以8%～10%的輸電線損計算，我國每年輸電線損達3個三峽水電站全年的發電量。建在用戶端的分布式能源系統由于不需要通過電網供能，因此可以避免輸電線損和節約大量的輸配電投資。如考慮建設電廠的費用，節約的資金將更為驚人。另外，分布式能源系統的投資出自用戶，而電廠和輸配電投資出自國家。能節約線損和國家投資的事何樂而不為。

（2）市場經濟原則下的自由選擇權利。能源安全有兩層含義，即國家能源安全和用戶能源安全。國家能源安全體系應是對最終用戶能源安全的保障。最近美國紐約再次大面積停電的事實，進一步說明了集中供電系統的脆弱和對用戶能源安全保障的不完整性。分布式能源系統實際上是對單一的集中供能系統的補充，它可以使用戶更有效地計劃能源消費和避免電網停電給自己帶來的經濟損失。在電網有供電的社會職責、卻無斷電賠償責任的條件下，用戶自由選擇供能方式應是用戶在市場經濟原則下的基本權利。

（3）分布式能源是國家電網的一種有益補充。從國家角度看，分布式能源系統的全面發展，與電力部門沒有根本利益沖突，而且在很大程度上可減輕發電和輸配電部門的壓力，應視為集中供能的一種有益補充，特別是在電網無力覆蓋的邊遠地區和其他公用事業領域。這一點在絕大多數國家都已得到充分的驗證。

2柔性直流輸電技術

進入20世紀90年代以后，新型金屬氧化物半導體器件-絕緣柵雙極晶體管（IGBT）首先在工業驅動裝置上得到了廣泛的應用。1990年，加拿大McGill大學的Boon-Teck Ooi等提出了用脈寬調制技術（PWM）控制的電壓源換流器 （VSC）進行直流輸電（HVDC）的概念。2個著名的制造商將這種使用VSC的直流輸電新技術用商標命名為HVDC Light和HVDC-PLUS，這里PLUS，表示通用電力連接系統（Power Link Universal System）的意思。

輕型柔性直流輸電技術是在VSC和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）基礎上開發出來的一種新型的輸電技術。它基于VSC技術，利用IGBT的開關迅速的轉換電網工作點并且獨立的控制有功和無功功率，從而能夠實現特定條件下對有功功率和無功功率的最佳控制。系統存在2個基本元素：換流站和一對電纜。換流站是電壓源換流站，幾乎不需要人去維護，可以遠程控制或者根據相鄰的交流系統進行自動控制，換流站之間不需要通信。

2.1輕型柔性直流輸電優勢

輕型柔性直流輸電主要優勢[11-13]有以下幾點。

（1）獨立的電力傳輸和電能質量控制。輕型柔性直流輸電系統可以在操作范圍內對有功和無功進行完全的獨立控制。輕型柔性直流輸電不需要依靠交流系統的能力來維持電壓和頻率穩定。與傳統直流輸電所不同，短路容量顯得并不重要。輕型柔性直流輸電可以向缺乏同步機的電網饋送負荷。

（2）電能反轉。輕型直流輸電系統可以在不改變控制方式、不轉換濾波、不關斷換流站的情況下快速地轉換功率方向。在這個過程中直流電流方向改變，而直流電壓方向沒有變化（傳統直流輸電電壓改變），這有利于既能方便地控制潮流又具有較高可靠性的并聯多端直流系統。

（3）增加現有系統的傳輸容量。輕型柔性直流輸電換流站對于電壓的快速精確控制能力可使傳輸能力達到上限，瞬時的過電壓可通過快速的無功功率反應消除。同時更高的電壓等級允許在不超過電流限制的情況下傳輸更多的電能。此外由于交流側電流可調，則不會增加系統的短路容量，這意味著增加新的直流輸電線路后，交流系統的保護整定基本不需要改變。

（4）對無功功率的自由補償。輕型柔性直流輸電不僅不需要交流側提供無功補償而且能起到靜止同步補償器（STATCOM）的作用，即動態補償交流母線的無功功率，穩定交流母線電壓。這意味著故障時，系統既可以提供有功功率的緊急支援又可以提供無功功率的緊急支援，從而提高系統電壓和功角的穩定性。

（5）孤島操作和異步網絡連接。輕型柔性直流輸電換流站通常跟隨連接網絡的交流電壓。電壓的大小和頻率由整流站的控制系統決定，而且2個換流站是完全獨立的，所以完全可以工作在孤島狀態下和異步系統的直流連接，這些都是傳統交流系統無法實現的。

2.2輕型直流輸電意義

輕型柔性直流輸電網絡結構如圖1所示。

圖1輕型柔性直流輸電網絡結構示意圖

（1）城市電力供應。通過增加新的交流線路來給城市增加供電非常昂貴且很難得到許可證。而輕型柔性直流輸電系統只需要很少的空間并且可以輸送更多的電力，同時輕型柔性直流輸電系統不會增加直流網絡的直流。因此對于城市供電的擴容，柔性直流輸電系統是最佳的解決方案。

（2）分布式發電。分布式發電裝置是指小型的與環境兼容的獨立電源。這些電源由電力部門、電力用戶或第二方所有，用以滿足電力系統和用戶特定的要求，如調峰、為邊遠用戶或商業區和居民區供電，節省輸變電投資、提高供電可靠性等等。這些電源比較分散，且有些電源輸出的電力難以直接并入交流電網，例如燃料電池輸出的是直流電壓。因此輕型柔性交流配電系統為分布式電源的并網提供了可行的技術平臺。

（3）大中城市交直流混合供電。現代化的社會要求更高的供電可靠性和電能質量。由于現代化大都市供電負荷密度大，供電方式復雜，可靠性要求高，還要求考慮更大的發展靈活性，以適應供電負荷不斷增加和供電網升級的需要，因此可采用直流配電系統代替或配合傳統的交流中低壓輸電系統，將電能直接送往負荷中心的換流站，再逆變為交流電，為用戶供電。該方法不僅提高了輸送容量，而且提高了供電可靠性。由于整流站不需要功率反轉，因此從經濟和技術的角度考慮，整流站采用電流源換流器（CSC），逆變站采用VSC換流器。

（4）弱系統間的互聯。弱系統一般都遠離主網，交流線到主網的跳閘次數較高，系統穩定性較差。但是隨著經濟的發展，弱電網地區有更大的容量需求，隨著負荷的增加，不穩定可能引起更頻繁的跳閘，線路的功率振蕩會減少可用的有功容量，且不能接受功率環流。

3應用實例

3.1哥特蘭島工程

1999年6月，連接瑞典哥特蘭島北部和維斯比城的柔性HVDC傳輸線工程投入運行。這是世界上第一個商業化運行的VSC-HVDC系統，風電場與公共電網的聯網情況如圖2所示。

圖2哥特蘭島工程示意圖

由于可再生能源的開發，在哥特蘭島南部安裝了40 MW的風力發電設備，而且正在興建更多的風電場。因為風力發電機的操作條件受到電壓波動和無功變化的影響，需要更大的電力傳輸容量以及更好的方法保證傳輸質量。柔性HVDC技術的優良性能可以解決風電場中的電能質量問題，即電壓和無功支撐，而且以地下電纜傳輸電能，對環境的影響相對較小，這些有利條件促使當地政府決定修建了這條VSC-HVDC輸電線路，從投運到現在運行良好，產生了巨大的經濟與環保效益。

3.2 Tjashreborg工程

這是VSC-HVDC用于風力發電的又一個實例，也是丹麥修建的第一個VSC-HVDC示范工程，海上風電場與公共電網的聯網情況如圖3所示。

圖3 Tjashreborg工程示意圖

丹麥能源部門修建了5個利用海風發電的風電場，每個風電場裝機容量約為150 MW。預計在今后30年內還將逐步增加大約4 000 MW的風力發電裝機容量，約占總裝機容量的40%～50%。由于大量的風力發電設備引入電網，必然會對整個電網產生嚴重影響。風力發電的不穩定性會影響整個電網的電能質量，同時也會引起電壓控制和無功補償問題。為此，丹麥ELTRA公司在Tjashreborg建設了最大傳輸容量為8 Mvar/7.2 MW的柔性HVDC示范工程，并于2000年9月正式投運，到目前為止運行效果非常好。

4結束語

綜上所述，基于輕型柔性直流技術的技術優勢，考慮把分布式能源引入用電密集的城市電網，解決城市供電中存在的供電困難、電能質量不高、成本高以及潮流難以控制等問題，維持城市電網的安全可靠經濟運行是切實可行的，也將是中國未來城市電網的一個重要發展方向。

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