柔性直流輸電技術(shù)工程實(shí)踐及發(fā)展趨勢

魏琳琳

摘 要：柔性直流輸電作為新興的輸電技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入大發(fā)展的商業(yè)應(yīng)用階段，其快速發(fā)展和應(yīng)用將給我國輸配方式和電網(wǎng)架構(gòu)帶來重要變革。對柔性直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并探討了柔性直流輸電技術(shù)的典型應(yīng)用場合，包括新能源并網(wǎng)、大型城市供電、同步或異步電網(wǎng)互聯(lián)、多端柔性直流互聯(lián)和直流電網(wǎng)等。最后，對柔性直流輸電技術(shù)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電；直流電網(wǎng)；新能源并網(wǎng)；城市供電；電網(wǎng)互聯(lián)

1 柔性直流輸電技術(shù)及特點(diǎn)

柔性直流輸電是20世紀(jì)90年代開始發(fā)展起來的基于電壓源型換流器的新型直流輸電技術(shù)（VSC-HVDC，Voltage Source Converter based HVDC）[1，2]。參考相關(guān)命名習(xí)慣，我國將該技術(shù)命名為“柔性直流輸電”（HVDC Flexible），其基本特征是采用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等全控型器件，具有更強(qiáng)的可控性和靈活性，是21世紀(jì)最具前景的電力電子技術(shù)之一。

柔性直流輸電作為新興的輸電技術(shù)，電壓等級和輸送容量均有顯著提升，已經(jīng)進(jìn)入大發(fā)展的商業(yè)應(yīng)用階段，其發(fā)展和應(yīng)用將給輸電方式和電網(wǎng)架構(gòu)帶來重要變革，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 柔性直流輸電典型應(yīng)用場合

從交流系統(tǒng)角度看，柔性直流系統(tǒng)可等效為無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的發(fā)電機(jī)，可以獨(dú)立、快速地控制其輸出電壓的相位和幅值，從而能夠快速、靈活地調(diào)節(jié)其輸出的有功和無功功率，具有廣闊的應(yīng)用場合。

2.1 新能源并網(wǎng)

由于不存在交流電纜充電功率造成的輸電距離限制問題，且對接入系統(tǒng)強(qiáng)弱不敏感，具有快速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償能力，柔性直流輸電系統(tǒng)能有效提高并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源的高效接入和外送，也是目前大型海上風(fēng)電場并網(wǎng)的最佳手段。如2015年投產(chǎn)的DolWin1工程將位于北海地區(qū)的巴德風(fēng)電場群產(chǎn)生的電能送到德國電網(wǎng)，其額定容量為800MW，額定電壓等級為±320kV。

2.2 大型城市供電

柔性直流輸電具有隔離電網(wǎng)故障能力，且不會(huì)增加系統(tǒng)的短路容量，可滿足城市環(huán)網(wǎng)解列和限制短路電流的需求，且直流電纜單位截面積傳輸功率是交流電纜的1.5倍及以上。此外，與傳統(tǒng)直流輸電相比，柔性直流輸電無需額外補(bǔ)償裝置，占地面積小，是向大型城市中心供電的優(yōu)選方案。如2010年投產(chǎn)的Trans Bay Cable工程是世界上第一條采用模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流輸電工程，該工程將電力直接送到舊金山中心，提高了城市供電系統(tǒng)的安全性和供電能力。

2.3 同步或異部電網(wǎng)互聯(lián)

近年來，柔性直流同步或者異步聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越受到國際電力工程界的推崇。美國電力研究院（EPRI）在其主導(dǎo)的研究中，將柔性直流輸電系統(tǒng)稱作電網(wǎng)沖擊吸收器（grid shock absorber），并倡導(dǎo)將其嵌入到北美東部大電網(wǎng)中，從而將北美東部大電網(wǎng)分隔成若干個(gè)相互之間異步互聯(lián)的小型同步電網(wǎng)，從而有效預(yù)防大面積停電事故的發(fā)生。而ABB公司將這種用于交流電網(wǎng)異步互聯(lián)的直流輸電系統(tǒng)形象地稱為防火墻（firewall），用于隔離交流系統(tǒng)之間故障的傳遞。2015年投產(chǎn)的法國-意大利聯(lián)網(wǎng)INELEF工程額定容量為1000MW，額定電壓為±320kV，將法國、西班牙兩國間電能交換的容量從1400MW翻倍至2800MW，將伊比利亞半島豐富的可再生能源在不影響整體電網(wǎng)穩(wěn)定性的前提下高效、安全的并網(wǎng)送出，同時(shí)為未來歐洲乃至世界能源互聯(lián)網(wǎng)的整合提供寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。

2.4 多端柔性直流互聯(lián)和直流電網(wǎng)

柔性直流電流可以雙向流動(dòng)，故易于構(gòu)筑多端直流輸電系統(tǒng)。因此，越來越多的國家對多端柔性直流輸電技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣并付諸工程實(shí)施。歐洲規(guī)劃了以柔性直流為主的超級電網(wǎng)，計(jì)劃建設(shè)連接歐洲、北非及中東的多端直流輸電網(wǎng)絡(luò)。英國國家電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)多端柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)，滿足大規(guī)模海上風(fēng)電接入。美國能源部規(guī)劃新建柔性直流輸電60余條，滿足2030的20%風(fēng)能接入目標(biāo)。

國家電網(wǎng)公司在多端直流、高壓大容量柔性直流輸電領(lǐng)域開展了積極的研發(fā)儲(chǔ)備。為保障舟山群島新區(qū)發(fā)展的供電可靠性，提高電網(wǎng)供電能力及抗災(zāi)能力，并為將來更高電壓等級和更大傳輸容量的柔性直流輸電工程提供技術(shù)積累，2014年國家電網(wǎng)公司在浙江舟山本島、岱山島、衢山島、嵊泗島和洋山島建成投運(yùn)了±200kV五端柔性直流輸電示范工程。舟山示范工程是當(dāng)前世界上等級最高、端數(shù)最多、單端容量最大的多端柔性直流輸電工程，是多端柔性直流輸電技術(shù)的重大突破。示范工程投產(chǎn)后舟山電網(wǎng)發(fā)展為一個(gè)同時(shí)包含多端柔性直流、傳統(tǒng)直流和風(fēng)電場的復(fù)雜弱交直流混聯(lián)電網(wǎng)，運(yùn)行方式復(fù)雜多變，其運(yùn)行方式對其他后續(xù)工程具有重要的借鑒意義。目前，示范工程正在改造升級加裝直流斷路器。舟山示范工程的研發(fā)過程，形成自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，有力推動(dòng)了我國柔性直流輸電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有良好的科技示范效應(yīng)，為后續(xù)工程積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

3 柔性直流輸電技術(shù)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

隨著柔性直流輸電技術(shù)的日臻完善，越來越多的國家開始積極探討和研究多端柔性直流輸電技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，柔性直流輸電工程向更高電壓等級、更大輸送容量和多端化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展趨勢日趨明顯。

鑒于多端柔性直流輸電技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景，為推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，國際大電網(wǎng)組織（CIGRE）已經(jīng)成立了專門研究柔性直流輸電的B4系列工作組，主要包括：

B4-57工作組：主要研究直流電網(wǎng)（HVDC Grid）中直流換流器的仿真建模問題。

B4-56工作組：主要研究內(nèi)容為直流電網(wǎng)并網(wǎng)準(zhǔn)則（Grid Codes for HVDC Grids）。

B4-58工作組：主要研究內(nèi)容網(wǎng)狀直流電網(wǎng)（Meshed HVDC Grid）潮流控制裝置及直流電壓控制方法。

B4/B5-59聯(lián)合工作組：主要研究內(nèi)容為直流電網(wǎng)的控制與保護(hù)。

為適應(yīng)社會(huì)快速發(fā)展對電能需求的提升以及實(shí)現(xiàn)未來跨省、跨大區(qū)和跨國資源優(yōu)化配置的要求，一方面需要在現(xiàn)有柔性直流輸電技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，攻克更高電壓、電流和可靠性帶來的設(shè)備研制難題，另一方面需要解決大量直流接入電網(wǎng)后帶來的控制、保護(hù)和運(yùn)行等方面的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括具備短路電流限制功能的新型換流器拓?fù)浼夹g(shù)、換流器容量提升技術(shù)、直流斷路器技術(shù)、直流電纜技術(shù)、直流電網(wǎng)仿真技術(shù)和控制技術(shù)等。

參考文獻(xiàn)

[1]湯廣福，賀之淵，龐輝.柔性直流輸電工程技術(shù)研究、應(yīng)用及發(fā)展[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（15）：3-14.

[2]云龍，包海龍，田杰，等.柔性直流輸電控制及保護(hù)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（19）：89-92.

（作者單位：國家電網(wǎng)公司華東分部）