探析柔性直流輸電技術在全球能源互聯網中的應用

林夏妮

摘 要：隨著經濟全球化的發展趨勢，全球各個行業都在尋求一體化、互聯化，電力系統作為世界的通用能源之一，構建一個全球電力能源互聯網是極為重要的。但是電力的互聯方式要求較高，需要應用柔性直流輸電技術進行互聯，因此本文將從柔性直流輸電技術入手，對柔性直流輸電技術的發展、技術、控制保護等方面進行分析，并提出了柔性直流輸電技術在全球能源互聯網中的應用方案，旨在為相關人員提供參考意見。

關鍵詞：柔性直流輸電技術；全球能源互聯；互聯方案；

1、柔性直流輸電技術發展

柔性直流輸電技術最早是在1990年由加拿大大學學者提出的，瑞士ABB公司在此基礎上提出了輕型高壓直流輸電技術，將聚合物電纜和電壓源換流器通過技術手段進行結合，并在瑞典進行了工業試驗，取得了較好的效果，國際大電網會議因此將其定義為VSC HVDC，翻譯為電壓源換流器型高壓直流輸電，在中國簡稱為柔性直流輸電[1]。

柔性質量輸電技術在孤島供電、大型城市供電、可再生能源發并網等領域應用較為普遍。其換流器的拓撲結構有兩種，可控開關型的換流器拓撲結構和可控電源型的換流器拓撲結構，常見的有三相兩電平、三相三電平、模塊化多電平等，但是在2011年以后，柔性直流輸電工程當中都開始采用模塊化多電平換流器結構，因為模塊化多電平換流器具有輸出波形質量高、開關頻率低、處理故障能力強等優勢[2]。

2、柔性直流輸電換流器技術

柔性直流輸電換流器根據橋臂等效特性將換流器分為可控電源型和可控開關型，可控電源型換流器的各個橋臂中分散著儲能電容，因此可以通過對橋臂等效電壓的改變來實現交流側輸出電壓的變化[3]。比較典型的代表就是模塊化多電平換流器，可通過改變橋臂內串聯子模塊個數來完成等效電壓的改變，根據子模塊的類型可分為鉗位雙子模塊型、全橋型、半橋型等；級聯兩電平換流器也屬于可控電源換流器，它是由半橋電路級聯而成的。模塊化多電平換流器具有無需濾波裝置、模塊化設計、開關頻率應力低、諧波含量少、電壓畸變率低等優點。但是缺點也比較明顯，因為串聯的子模塊很多，所以增加了系統處理的數據量，加大了對控制系統的要求，并且無法在直流出現故障的時候對交流進行隔離，使得安全性不高。

可控開關型換流器可以通過相應的脈寬調制技術來控制橋臂的斷通，但是因為橋臂存在大量的串聯開關器件，所以需要注意因開關通斷引起的動態靜態均壓問題。兩電平換流器的運行控制和拓撲結構都比較簡單，但是交直流側含有大量的諧波，需要加裝濾波器，同時開關頻率也比較高，使得換流器的損耗比較大；三電平換流器的開關頻率比較低，諧波含量比較少，但是結構卻比較復雜，經濟性不好，可靠性不高。

3、柔性直流輸電控制和保護

柔性直流換流站級控制系統可以滿足系統正常的啟停操作和穩態的功率調節，包括無功和有功兩類控制器，無功控制器實現了對于交流電壓、無功功率的控制，有功控制器實現了對直流電壓、有功功率的控制，運行的時候，二者互相配合又獨立控制，保證了系統的穩定性和安全性[4]。

柔性直流輸電控制保護系統不同于常規的直流輸電，其閥級的控制保護系統更加復雜，特別是在模塊化多電平柔性直流輸電系統中，對于閥體的保護主要由閥級控制器來完成，換流站級控制器的作用微乎其微。因此對于保護控制的時機要求比較高，必須要高速同步控制，滿足控制系統的實時性需求。

4、柔性直流輸電技術在能源互聯網中的應用方案設計

全球能源互聯網的電力系統雛形包含了直流電壓母線和交流電壓母線，為保證電磁環網和實現功率雙向可控，減少交流系統的短路容量，各個區域電網的連接采取了柔性直流技術，連接方案常見以下兩種。

4.1中壓直流互聯方案

中壓直流互聯方案如圖1所示，通過柔性互聯方式連接110kV的變電站，每個變電站母線的開關S閉合。這種方案的優勢比較明顯：該方案系統內的各個主變都能互為“熱備用”，從而省去了單臺主變的備用容量，進而降低設備的經濟成本；電壓源換流器能夠自主調節，實現潮流的主動控制；能夠提升每個主變的負載率，使得總變的損耗降低；電壓源換流器換流站可以提供無功功率，能夠免去常規的無功補償設備；能實現光伏、風電、電動汽車、儲能裝置的集中接入；實現系統各組成之間的互聯，優化能源的利用。

變壓器在配電系統中的能量損耗是極大的，主要包括負載損耗和空載損耗兩部分，其中負載損耗是可變的，它隨著負荷的增大而增大；空載損耗屬于固定損耗，只受變壓器容量的影響。該方案雖然增加了平均的負載率，但是能夠明顯的降低損耗量。隨著風力發電、光伏發電的推廣普及，對于電力的接入方式也提出了新的挑戰，因為燃料電池和光伏發電是直流電，需要變換之后才能接入電網；風力發電具有不穩定性和間歇性，也需要變換才能接入電網；目前比較火熱的電動汽車也需要在交流電網中加入變換結構來進行充電。因此建設直流電網能夠很好的解決這一問題，降低了傳輸的損耗，減少了設備的支出，更加實用和便捷[5]。

4.2低壓直流入戶方案

電力的普及也具有一定的隱患，除了影響人們的生命安全外，對于企業的經濟利益也有很大的作用。例如銀行的數據處理中心、芯片制造商等高精尖企業，當電力系統出現故障的時候，會對其產能、數據的安全造成一定的影響，出現經濟損失。傳統的電力系統中，電能質量問題主要為電流、電壓、頻率等出現偏差，但是在直流電網中不會出現這類問題，而且許多辦公設備是直接用直流供電的，因此可以對直流負荷較大的用戶采用直流形式來供電，不但能降低傳輸的損耗，還免去了變流的過程，保證了同步穩定性，經濟效益更好[6]。

低壓直流入戶有兩種方案，為提高機房服務器負荷的接入率，將配電母線由交流改為直流，使得服務器負荷通過Buck電路接到直流配電母線上，省去了UPS系統的逆變器，該方案如圖2所示。

方案2對于方案1增加了一個直流母線，將其作為數據中心的直流負荷、變頻負荷、分布式電源的能量交換環節。雖然變頻和直流負荷少了整流環節，但是交流母線到直流配電過程增加了變流環節。在分布式電源接入環節有較大的優勢，減少變流環節能夠降低投資，提升傳輸性能，因此比較適用于電源滲透率較高的情況。

結束語：本文對柔性直流輸電技術的發展、技術、控制保護等方面進行了分析，同時提出幾點柔性直流輸電技術在全球能源互聯網中的應用方法，相關人員在進行參考的時候要注意結合實際的情況來選擇方案的使用，并對現有的方案進行優化和改進，不斷的摸索新的辦法，推動全球能源互聯網的建設與發展。

參考文獻：

[1]李全建. 分布式發電單元接入的柔性直流輸電系統的控制研究[D].山東大學，2016.

[2]劉一琦. 多端柔性直流輸電系統控制策略的研究[D].哈爾濱工業大學，2016.

[3]趙朗. 含柔性直流輸電的交直流混合系統穩定性分析[D].華北電力大學（北京），2016.

[4]劉曉倩. 柔性直流換流系統傳導電磁騷擾特性研究[D].華北電力大學，2016.

[5]湯廣福，賀之淵，龐輝. 柔性直流輸電技術在全球能源互聯網中的應用探討[J]. 智能電網，2016，（02）：116-123.

[6]王一振，趙彪，袁志昌，付姣，趙宇明，劉國偉，韓英鐸. 柔性直流技術在能源互聯網中的應用探討[J]. 中國電機工程學報，2015，（14）：3551-3560.