柔性直流輸電技術的現狀及應用前景研究

張文崗

摘要：文章首先對柔性直流輸電技術的特點及其研究現狀進行了分析，并在此基礎上對柔性直流輸電技術的應用前景進行了展望，期望通過文章的研究能夠對促進柔性直流輸電技術在電網中的應用有所幫助。

關鍵詞：柔性直流輸電；電壓源換流器；輸電線路；智能電網；電力事業 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM721 文章編號：1009-2374（2015）18-0143-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.072

1 柔性直流輸電技術的特點及其研究現狀

柔性直流輸電是一種新型的直流輸電技術，CIGRE和IEEE將之定義為VSC-HVDC，其中VSC為電壓源換流器，它在工業驅動裝置上的應用十分廣泛，HVDC為高壓直流輸電，它是ABB公司在50多年前研發的一項技術，主要作用是提高遠距離輸電效率。

1.1 VSC-HVDC的系統結構及其工作原理

從圖1中可以清楚地看到，該系統主要是由VSC、濾波器（交流）、電抗器、直流輸電線路、電容等元件構成。其中VSC為核心部件，它是由換流橋和直流電容器構成的。

1.1.2 系統運行原理。在VSC-HVDC系統當中，按照其主電路的拓撲結構及開關器件的類型，可采用SPWM（正弦脈寬調制）技術，通過該技術在調制參考波與三角載波進行比較，若是前者的數值比后者大，則會觸發上橋臂到導通并關斷下橋臂，如果前者的數值小于后者，則會觸發下橋臂開關導通并關斷下橋臂。因參考波的幅值及相位可利用脈寬調制技術實現自動調節，故此VSC的交流輸出電壓基頻分量的幅值及相位也可通過脈寬進行調節。

1.2 VSC-HVDC的特點分析

大體上可將VSC-HVDC的特點歸納為以下六個方面：

1.2.1 VSC-HVDC系統中的換流站獨立對有功及無功功率進行控制，由此不但實現了有功與無功功率的四象限運行，而且控制非常方便和靈活。

1.2.2 換流站之間無需通訊，各個站能夠獨立控制運行。

1.2.3 不需要在線路間增設無功補償裝置。

1.2.4 開關頻率高、濾波裝置的容量較小，無需設置專門的換流變壓器。

1.2.5 新型直流電纜的應用使其能夠適應多種惡劣的環境。

1.2.6 采用先進的模塊化設計，使其本身的體積較小，有效節省了占地面積，且便于安裝。

綜上，與傳統的直流輸電系統相比，VSC-HVDC的可控性更高，對線路中潮流的控制更加方便，對擾動的響應速度更快，更適合用于中小功率和遠距離輸電。

1.3 VSC-HVDC技術的研究現狀

VSC-HVDC技術自問世以來便受到了業界的廣泛關注，一些專家學者也加大了對其的研究力度。ABB和SIEMENS等多家公司對VSC-HVDC的技術特點及設備研發進行了深入的研究，并承擔了一些實際工程的建設。與國外的發達國家相比，我國在VSC-HVDC應用方面的研究起步較晚，但在國家的大力支持下，近幾年來在該領域取得了顯著的研究成果。有的專家對VSC-HVDC系統的數學模型、控制策略及試驗系統進行了研究；有的專家對VSC-HVDC系統的暫態建模進行了研究；有的專家對VSC-HVDC技術在城市電網中應用的可行性進行了研究。諸如此類研究還有很多，限于篇幅在此不一一介紹。

2 柔性直流輸電技術的應用前景展望

由于VSC-HVDC技術所具備的諸多優點，使其在風電場并網、海上平臺等方面獲得了廣泛應用。其在未來一段時期的應用方向主要集中在以下三個方面：

2.1 在城市電網增容及直流供電中的應用

近年來，隨著我國經濟的快速發展，城市化進程逐步加快，這使得城市電網的負荷出現了持續增長的態勢，人們對供電可靠性和電能質量的要求也越來越高。由于國內大部分城市的電網均是以交流輸電為主，在當前的形勢下，電網面臨的困難和挑戰越來越大，如城市電網電能傳輸通道資源日漸緊張、供電容量激增導致短路電流超標、土地資源緊缺導致輸變電站站址選擇困難。由于VSC-HVDC技術所產生的諧波含量要明顯少于傳統的直流輸電，加之其能夠對有功和無功功率進行快速控制，將其應用到城市電網當中，必然能夠使供電質量獲得顯著改善。同時VSC-HVDC的電纜為埋地式直流電纜，工程建設中不需要設置輸電走廊，既能夠滿足城市電網的增容目的，又不會對城市市容造成影響。此外，換流站本身的占地面積較小，可大幅度節約土地資源。上述的這些優點，使VSC-HVDC技術在城市電網增容擴建中具備了一定的應用優勢，這也成為未來一段時期該技術應用的主流發展方向。

2.2 替代交直流聯網

從國內目前的總體情況上看，西部具有能源多、負荷少的特點，將近90%的水電集中在西部地區；東部則具有能源少、負荷多的特點，相關調查數據結果顯示，東部七省的電力消費約占全國的40%以上。由上述分析不難看出，我國東西部的能源和負荷嚴重失衡，正因如此，使得大容量、遠距離輸電尤為必要，這也是特高壓直流輸電工程不斷增多的主要原因之一。相關研究結果表明，傳統的直流輸電對接入電網的短路容量要求較高，并且需要額外配置大量的無功補償裝置。與此同時，隨著大量特高壓直流線路接入電網，使得傳統直流輸電系統出現了各種新的問題，如換相失敗、多條直流并入電網后互相影響等。從理論的角度上講，VSC-HVDC對接入的交流電網無任何特殊要求，可實現各種形式的交直流聯網，由此對電網運行穩定性所產生的影響十分輕微，可忽略不計。從目前VSC-HVDC系統的輸送容量上看，其主要受VSC容量和直流電纜耐受電壓的限制，由于尚未研發出適用于大電流開斷的直流斷路器，故此，VSC-HVDC系統的主流側故障自清除能力相對較差，若是在直流側發生短路故障，則必須對交流斷路器進行切除，并對整個直流系統進行閉鎖處理，由此會導致故障恢復時間延長，所以不宜采用架空輸電線路，而更適合電纜輸電。為了使VSC-HVDC滿足實際應用需要，其必須向大容量、長距離方向發展，在這一過程中，應當突破以下技術障礙：（1）改變VSC的材質，可利用碳化硅替代二氧化硅，并對其封裝材料的絕緣性和耐熱性進行改進，以此來突破容量的限制；（2）加大對大電流直流斷路器的研發力度。一旦上述技術障礙得以有效突破，相信在不久的將來，VSC-HVDC勢必會替代傳統的直流輸電系統承擔其大容量、遠距離輸電的任務。

2.3 在孤立負荷供電方面的應用

由于VSC-HVDC能夠對無緣網絡進行直接供電，且沒有最低輸送有功功率的限制，故此可將之應用于遠方孤立負荷的供電。以南方電網為例，在其區域內存在一些較為偏遠的海島等孤立負荷主網，其交流供電的困難較大，一般都是采用柴油機組就地發電，這種方式不但成本高，而且對環境污染大，不符合節能環保的要求。將VSC-HVDC應用于這些孤立負荷的供電，可使上述問題獲得有效解決。

3 結語

綜上所述，柔性直流輸電是一項極具應用優勢的電力技術，它的出現進一步促進了新能源使用的發展，該技術現已成為海上風電唯一的并網方法，不僅如此，它的應用還可以使電壓和電流更容易達到電能質量的相關標準。由此可見，柔性直流輸電技術的應用前景一片光明。在未來一段時期，應當重點加大對柔性直流輸電技術相關方面的研究力度，并對現有的技術進行不斷改進和完善，使其能夠更好地為電網發展服務，這對于推動我國電力事業的發展具有非常重要的現實意義。

參考文獻

[1] 馬國鵬，李廣凱.向無源網絡供電的VSC-HVDC調節特性研究[J].電網技術，2012，（8）.

[2] 姜燕.基于VSC-HVDC并網風電場的暫態電壓穩定性研究華北[D].電力大學，2013.

[3] 陳海榮.交流系統故障時VSC-HVDC系統的控制與保護策略研究[D].浙江大學，2012.

（責任編輯：陳 倩）