柔性直流輸電技術在電網中的應用

扎西 普布頓珠

(1.國網西藏電力有限公司,西藏拉薩 850000;2.國網日喀則供電公司,西藏日喀則 857000)

柔性直流輸電技術在電網中的應用

扎西1普布頓珠2

(1.國網西藏電力有限公司,西藏拉薩 850000;2.國網日喀則供電公司,西藏日喀則 857000)

柔性直流輸電技術具有控制靈活、環境友好、適合中小容量電力遠距離輸送等優點。總結和分析目前國內外關于柔性直流輸電技術應用與設備的相關信息,結合新能源接入電網、高負荷密度城市電網以及遠方孤立負荷供電的需求,分析了柔性直流輸電線路技術在智能電網中的應用。

柔性直流輸電 智能電網 應用 可再生能源 智能電網

1 柔性直流輸電簡介

柔性直流輸電又被稱為輕型直流輸電(HVDC Light)，或新型直流輸電(HVDC Plus)，就是采用電壓源換流器的高壓直流輸電技術。國際權威電力方面學術組織，如CIGRE和IEEE，將其正式稱為“VSC-HVDC”，即“電壓源變流器直流輸電”。ABB公司則稱之為輕型直流輸電(HVDC Light)，并作為商標注冊。西門子公司則稱之為新型直流輸電(HVDC Plus)。為簡化、形象，并形成自有知識產權，我國將該技術商業命名為“柔性直流輸電”。典型的柔性直流輸電系統的基本原理圖如圖1所示。

它與傳統的高壓直流輸電(HVDC)的最大區別就在于：(1)它的換流器采用可關斷器件IGBT，具有關斷電流的能力；(2)采用脈寬調制技術進行無源逆變，對受端系統的容量沒有要求，解決了常規直流輸電向無交流電源的負荷點送電的難題；(3)靈活的控制方式和理想的運行特性也有助于提高交流電網電能質量；(4)將直流輸電的經濟應用功率范圍降低到幾十MW。

與傳統直流輸電相比，柔性直流輸電的優勢主要體現在孤島供電、有功功率與無功功率控制等方面。如在孤島供電中，常規直流要求在島上具備發電機組之類的電源點，而柔性直流只需設備啟動的電源。與交流輸電相比，柔性直流輸電的優勢主要體現在長距離輸電、新能源消納、成本控制等方面。如在長距離電纜輸電中，交流電纜越長，電能損耗越高，輸送的有效電能越少。最近它在世界上的發展勢頭十分迅猛，我國也正在快速開展相關研究和工程建設。

2 國內柔性直流輸電工程

2.1 國內柔性直流工程

國家電網公司于2006年啟動了柔性直流輸電技術專項研究，2011年7月投運上海南匯風電場柔性直流輸電工程(輸送容量20MW，直流電壓等級±30kV)，是亞洲首個具有自主知識產權的柔性直流輸電工程。該工程的線路采用架空線路。

廣東汕頭南澳島上200多臺聳立的大風車正迎風轉動，南澳±160kV多端柔性直流輸電示范工程就坐落在風車腳下的青澳灣，這是南方電網公司全力推進的世界第一個多端柔性直流輸電示范工程。今天下午，伴隨著該工程總指揮的一聲令下，南澳島上青澳、金牛兩個換流站與汕頭澄海區的塑城廣東汕頭南澳島的三端柔性直流輸電工程設計容量為20萬千瓦，直流電壓等級±160kV。換流站完成了三端投產啟動。

圖1 柔性直流輸電基本原理圖

舟山多端柔性直流輸電示范工程是世界首個五端柔性直流輸電工程，采用±200kV直流電壓，分別在定海、岱山、衢山、洋山、泗礁建設一座換流站；建設±320kV直流電纜輸電線路141km；建設交流220kV輸電線路21.8km，交流110kV輸電線路9.99km。整個柔直工程計劃于2014年5月開始進行系統帶電調試及試驗；2014年6月實現五站全面建成投產。

廈門柔性直流輸電科技示范工程獲核準，該工程采用直流電壓±320kV，輸送容量1000MW，由翔安彭厝換流站、湖里湖邊換流站和10.3km直流線路組成世界上容量最大、電壓等級最高的1000MW/±320kV“大連跨海柔性直流工程大連跨海柔性直流輸電重大科技示范工程，線路長度約50.2km，是目前世界上容量最大的柔性直流工程，被稱為大連電網第二條“生命線”。工程計劃于2013年年底建成，屆時將大大提高大連電網供電可靠性。

為了滿足西北地區大規模風電接入電網的需求，適合于柔性直流輸電并網應用規劃的風電場如表1所示。

2.2 國外柔性輸電工程

在1990年代絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)和門斷開晶體閘流管(GTO)的市場性為高壓直流輸電技術添加新的特性，使它克服了基于晶閘管控制的CSC HVDC一些基本的缺點，使VSC HVDC傳輸成為可能。1997年瑞典建成的低功耗試點工程Hellsjon，(容量3 MW和3MVA，電壓10kV，傳輸距離超過10公里)，證明了柔性直流傳輸技術實用性和可靠性。自那以后， 大量高壓柔性直流輸電項目開始投運；其中第一個商業應用的80 kV50MW傳輸的離70km柔性直流工程安裝在瑞典的哥特蘭島，和在美國紐黑文和Shoreham之間的Cross-Sound電纜工程，額定功率330MW的額定電壓of150千伏和輸電線路長度約40公里是全球第一個柔性直流裝置嵌入同步運行電網。

雖然高壓柔性直流輸電技術最初應用于一些低電壓等級的攙和而限制了其應用領域，但是隨著制造商不斷推動應用的電壓等級和傳輸容量，現有商用的電壓等級和功率改寫成500kV電壓和功率1200MW。

迄今最大的柔性直流直流輸電系統是200kV電壓和額定功率400MW的互連在美國的東北部的兩個異步運行的電網 Trans Bay電纜工程。更大等級的柔性高壓直流輸電系統現在在規劃階段，其中一個是預計將在2015年投運，采用額定電壓±320kV大約135km的海底電纜線路將900MW的DolWin2風電集群的風力發電輸送到德國大陸。

表1 適合于柔性直流輸電并網應用規劃的風電場

表2 可再生能源的發展與規劃 單位:萬kW

3 柔性直流輸電在智能電網中的應用

3.1 新能源接入電網

根據《可再生能源發展“十二五”規劃》的目標，除了水電外，風電和太陽能發電將成為可再生能源發電的主力，而這些可再生電源的功率具有很大的波動性，采用傳統的交流輸電系統接入，對受端電網的容量和電壓穩定性都有很高的要求。柔性直流輸電使電網運行控制更加靈活、經濟，并能適應大量分布式電源接入(如表2)。

3.2 應用于大城市負荷密集地區供電

在我國經濟發達、負荷密集地區，隨著大城市負荷的增長，需要從外地向城市中心輸入大量電力，導致向大城市供電問題越來越多，主要有：(1)隨著城市化進程加快，向負荷中心地區建設新建輸電通道、架設新的交流線路的代價和難度越來越大；(2)負荷中心地區動態無功相對不足，負荷中心抗暫態電壓穩定的條件不斷惡化；(3)城市電網新建支撐電源受環境限制難度越來越大、代價越來越高，新建燃煤火電難度較大，而新建LNG電廠等清潔能源發電成本又過高；(4)城市電網負荷密度越來越大帶來了短路電流超標的問題；(5)部分線路潮流過于重載，影響到電網的可靠性。

美國跨灣工程是柔性直流向城市供電的工程范例。柔性直流

(電纜)輸電應用于向澳門電網供電，可作為澳門新的支撐電源，具有占地面積小、對環境影響小的特點，可提高供電質量，而且緊急情況下可作為保安電源和黑啟動電源，對保證南方電網向澳門安全供電具有較大的經濟意義和政治意義。

3.3 向遠方孤立負荷供電

柔性直流(電纜)輸電由于可以給無源網絡直接供電、無最低輸送有功功率限制、提高受端電網供電質量、換流站占地面積小、可遠距離電纜輸電等特點十分適用于遠距離中小容量(如低至數十兆瓦甚至數兆瓦)電力輸送，特別適合向遠方孤立負荷供電，已有多個向海島、海上平臺等負荷供電的工程實例。

4 結語

柔性直流輸電技術作為一種新型直流輸電技術，相對于傳統輸電方式有一系列的工程、技術、經濟優點，可以用來解決傳統輸電技術難以解決的問題。

隨著基于新型電力電子器件的電壓源直流輸電技術等取得新的突破并逐漸得到推廣應用。

柔性直流輸電技術將在大規模新能源發電并入電網、大城市負荷密集地區供電以及遠方孤立負荷供電等方面得到廣泛的應用。

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