淺析柔性直流輸電工程發展

熊旭 張顏真 許卉

摘 要：文章介紹了柔性直流輸電工程國內外應用領域及應用現狀，對柔性直流輸電在相關工程技術領域、工程應用情況等進行了總結和分析，分析了柔性直流輸電工程發展的前景，進而說明了其對未來電網模式發展是一種必然趨勢。

關鍵詞：柔性直流輸電；優勢；工程應用

1 概述

柔性直流輸電技術概念于20世紀80年代提出，特別是在伴隨著包括電力電子技術、自動控制技術以及計算機微處理技術等多方面的發展，經過三十多年的發展進化，柔性直流輸電技術在當前形勢下，演變發展以來產生的諸多關鍵性問題逐漸得到一一解決，此技術（柔性直流輸電技術）在HVDC以及HVAC系統中得到了越來越多的相關人員及專業的重視。

2 柔性直流輸電相關技術介紹

2.1 柔性直流輸電工程中的換流器技術

柔性直流輸電的換流器根據換流器橋臂的等效特性，可分為：可控電源型和可控開關型兩類。可控電源型交流器其換流橋臂等效為可控電壓源，其儲能電容分散于各橋臂中，并且通過改變某橋臂的等效電壓，就能間接改變交流側輸出的電壓。可控開關型換流器通過適當的脈寬調制技術控制橋臂的開通與關斷，其換流橋臂可以等效為可控開關，從而將直流側電壓傳遞到交流側。

無論是兩電平還是半橋型模塊化多電平換流器，于目前投入工程應用的換流器技術中，同時全橋式和鉗位雙子模塊型模塊化多電平換流器，均存有不可在直流故障下實現交直流系統隔離的問題。在直流電壓急劇降低時，仍然可以支撐交流電壓，究其原因可以使橋臂等效輸出電壓為負值，從而實現抑制交流側短路電流的目的。

2.2 柔性直流輸電系統中的主接線設計

電力系統中的變電站主接線設計是電力系統規劃設計中的重中之重。柔性直流輸電換流站中采用兩電平、三電平換流器，其站址一般采用在直流側中性點接地的方式，原因在于電壓等級過高，而我國交流電網110kV及以上的電力系統大多都采用中性點直接接地的方式。與此同時采用模塊化多電平的柔性直流輸電系統則一般采用交流側接地的方式，和國家電網公司設計規程吻合。而上述這些接地特點及方式都是單極對稱系統，當換流器或直流線路發生故障后，整個系統將癱瘓，進而無法正常運行，雖然正常情況下不需要單獨設置專門接地，但在系統參數配置相同情況下，直流側的不對稱還將造成換流器所連接的交流側電壓水平的大幅度提升。單極不對稱系統換流閥所耐受電壓是單極對稱系統的兩倍，水平較大。

為了降低直流側故障的發生率，大多數柔性直流輸電工程采用電纜作為傳輸線路，因此大多數的柔性直流輸電系統傳輸線路采用單極結構，而一般采用的是并聯形式作為相應連接方式的多端柔性直流輸電系統，由于并聯型式具有線路損耗更小、調節范圍更大、擴建方式更靈活，這樣既可以保證換流器工作在同一電壓水平，又能有更好的經濟性。與此同時，采用單個換流器造價等成本會更低，同時可靠性會更高。

2.3 柔性直流輸電保護與控制研究

HVDC系統的保護配置原則上需要同時滿足繼電保護的四性，即可靠性、選擇性、靈敏性、速動性原則，并且易于運行維護。保護輸電系統中各個設備的安全及正常運行，是柔性直流輸電工程中其保護系統的主要功能，如果發生故障，即在故障工況下，其保護系統能夠迅速切除故障及其相關的不正常的運行設備，且能盡可能的保證不停電，并以能夠保證其他電氣相關設備的安全運行。基于模塊化多電平系統換流器保護策略大致可分為換流器保護、交流側保護和直流區域保護，兩者主要的區別在于具體的保護算法設計和保護區分。

3 應用領域與相關研究現狀

3.1 應用領域

目前來看，根據柔性直流輸電技術的相關特點，其廣泛應用于輸電系統工程中的案例有如下幾點，譬如：新能源及可再生能源的接入問題、電網的孤島供電問題、地區城市的供電可靠性問題、智能電網（Smart Grid）聯網互聯等相關的領域。

（1）可以緩解功率波動引起的電壓波動，改善電能質量。用于可再生能源接入，譬如：風電、太陽能等功率輸出波動較大的新能源及可再生能源等。

（2）通過對有功及無功功率的控制，用于向中心城市供電，以解決電能質量問題，譬如電壓閃變等，提高系統運行的的穩定性，并且同時可以完成城市電網的改造增容，另外對中心城市供電時，可做到無電磁干擾及不影響城市的市容，在中心城市負荷需求和環保節能要求下，達到滿足之要求。

（3）可用于解決大電網的異步互聯問題，電網間功率互換，解決大規模電網中的動態穩定性及短路電流超標等問題，鑒于其快速獨立調節無功、不提供短路電流等技術。

（4）可大幅減少經濟人力投資及運行管理等費用。可充分發揮其可自換相的技術優勢，應用于遠離海岸的海島及海上石油天然氣等鉆井平臺的供電。

3.2 國內外工程應用現狀

至2012年年底，全世界投入柔性直流輸電工程建設的柔性直流輸電工程已經投入運行的有13個，其中有6個用于電網間互聯，4個用于風電廠接入電網，2個用于海上鉆井平臺供電，1個用于大型城市的供電。

我國研究起步較晚。但在國家電網公司的努力下，一代又一代的電網人在柔性直流輸電工程技術研究與應用方面做出了巨大的努力和貢獻。前些年無論是高校還是電力科研院所對于柔直的研究都集中在兩電平換流器（也就是VSC）柔性直流輸電系統建模與仿真分析（0和1）等方面，對于實際工程技術領域的研究很少有涉及，很少能結合實際做一些事情。于2006年以來，國內研究各大高校及電力科研院所等單位陸續開展了基于模塊化多電平（MMC）的柔性直流輸電工程技術領域的研究工作，在理論及技術層面上都取得了突破性的研究進展，中國首條柔性直流輸電示范工程于2011年7月在上海南匯投運。這是第一次做示范工程，也是大膽嘗試工程實際。國家電網公司近期又在舟山地區電網建成一個5端柔性直流輸電工程，建設規模系統總容量1000MW，包含5個換流站，其中最大的換流站容量為400MW，電壓等級為±500kV。目前來看，該工程的建設與實施在其應用領域提供可行性工程實際及研發平臺，另外該工程是當今世界上端數最多的柔性直流輸電工程，為后期的建設和發展提供相關技術和工程實踐上的參考。

4 結束語

隨著柔性直流系統有效提升其輸送容量，大容量的可關斷元器件及直流電纜等設備技術研發及生產水平的不斷提高，使柔性直流輸電在目前乃至未來成為電網可采用的主要輸電方式。柔性直流電技術已經是世界各國電力行業發展的努力發展方向。隨著全球氣候變化溫室效應等災害的發生，以及能源日漸枯竭等問題的日趨嚴峻，迫切需要能夠可持續，和諧的，且更為Smart、clean、efficient、reliable，隨著新能源并網消納及可再生能源電網發展、智能電網（smart grid）升級改造等等需求的響應，在不遠的將來，世界范圍內的柔性直流輸電工程應用將會獲得更快更迅猛的發展。其發展天地更為廣闊。未來電網的模式發展更加適應發展，必將是大勢所趨。

參考文獻

[1]國家電網公司.國家電網公司促進清潔能源發展綜合研究報告[R].北京：國家電網公司，2009.

[2]湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術[M].北京：中國電力出版社，2009：21-24.

作者簡介：熊旭（1980，10-），女，福建蒲城人，國網福建省電力有限公司檢修分公司工程師，主要研究柔性直流輸電。