淺談柔性直流輸電技術(shù)

金偉民

中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江火電建設(shè)有限公司 杭州 310016

1 概述

近年來，柔性直流輸電技術(shù)逐步進(jìn)入了國內(nèi)的電網(wǎng)系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)輸電技術(shù)相比，在孤島上靈活的直流輸電、城市配網(wǎng)升級、通信系統(tǒng)、大型風(fēng)電場等方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，改變大電網(wǎng)的發(fā)展模式是一個(gè)戰(zhàn)略選擇，柔性直流輸電技術(shù)在不久的將來必然成為構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要裝備。本文將從柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展、原理及技術(shù)特點(diǎn)等幾方面與大家一起探討柔性直流輸電技術(shù)。

2 柔性直流輸電技術(shù)原理

柔性直流輸電技術(shù)是基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)，在二十世紀(jì)初由Boon-Teck Ooi等人提出，這是用電壓源技術(shù)為基礎(chǔ)的新型輸電技術(shù)。

柔性直流輸電系統(tǒng)中的電壓源換流器，可以獨(dú)立的改變其輸出電壓的相位和幅值（見圖1），從而方便、快速地調(diào)節(jié)其輸出的有功和無功功率，達(dá)到對能量進(jìn)行靈活控制的目的。

由于其核心部分—電壓電壓源換流器和LCCHVDC的交換機(jī)有明顯的差異。VSC-HVDC具有一些顯著的技術(shù)優(yōu)勢。柔性直流輸電系統(tǒng)主要設(shè)備一般包括換流閥、換流閥基控制器（VBC）、閥電抗器、接口變壓器、換流站控制保護(hù)系統(tǒng)、開關(guān)以及輔助系統(tǒng)（水冷系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)）等，其中換流閥是整個(gè)系統(tǒng)中最重要也是最核心的設(shè)備。

圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)組成與運(yùn)行原理

3 柔性直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)

3.1 柔性直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢

（1）相對換流站直流可以斷開，可以在被動(dòng)逆變模式下工作，所以，不需要額外的電壓，終端機(jī)系統(tǒng)可以成為無源網(wǎng)絡(luò)。可以利用HVDC進(jìn)行遠(yuǎn)程隔離負(fù)載。

（2）在正常運(yùn)行的過程中，換流站可以獨(dú)立的去控制有功功率和無功功率，并且控制的更加的靈活。

（3）由于換流站交流側(cè)電流可以控制,所以不會(huì)增加系統(tǒng)短路容量。這意味著增加新的柔性直流輸電線路后，交流系統(tǒng)的保護(hù)整定基本不需改變。

（4）換流站采用的一般都是PWM技術(shù)，開關(guān)的頻率胡很高，經(jīng)過低通濾波后可獲得必要的交流電壓,不需要再使用變壓器，從而簡化換流站設(shè)備結(jié)構(gòu)以及濾波電容顯著降低。

（5）站間通信是沒有必要的，它的控制結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)無人值守。

（6）柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)故障后迅速恢復(fù)有效管理能力。

3.2 柔性直流輸電技術(shù)的局限性

相比于傳統(tǒng)的直流輸電方式，柔性直流輸電技術(shù)主要有以下局限性：

（1）輸送容量有限。相比特高壓直流輸電8000MW以上的有功功率輸送，受制于電壓源型換流器件結(jié)溫容量限制及直流電纜的電壓限制，目前柔性直輸電的最高輸送有功功率為1000MW。

（2）輸送距離較短。受制于電壓及損耗問題，柔性直流輸電的距離普遍在幾十至100多公里，相較于特高壓直流輸電的上千公里，輸送距離偏短。

（3）建設(shè)成本較高。受制于廠家生產(chǎn)能力、技術(shù)水平等因素，柔性直流輸電工程的建設(shè)成本較高，單位容量的造價(jià)為普通直流輸電工程的4～5倍。

4 柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用

4.1 柔性直流技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

柔性直流輸電HVDC克服傳統(tǒng)的固有缺陷，使直流輸電擴(kuò)展應(yīng)用范圍，為直流傳輸技術(shù)持續(xù)發(fā)展開辟了新的方向。它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：

（1）小型分散的發(fā)電廠。在有限的環(huán)境條件下，清潔能源容量小，電力供應(yīng)不高，遠(yuǎn)離主網(wǎng)，包括小型和中型水電站、風(fēng)力發(fā)電場(包括海上風(fēng)電場)、潮汐發(fā)電站、太陽能發(fā)電站等，由于其運(yùn)行成本高，通信線路傳輸能力低，難以滿足經(jīng)濟(jì)和技術(shù)要求，充分利用可再生能源的最佳途徑是利用柔性直流輸電和主電網(wǎng)，這對環(huán)境有好處。

（2）不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運(yùn)行。模塊化結(jié)構(gòu)和電纜直流輸電線路讓柔性直流輸電對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境的需求大幅下降，變流站的投資大大減少，可以根據(jù)供電技術(shù)選擇最優(yōu)的接入系統(tǒng)。

（3）向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。偏遠(yuǎn)地區(qū)一般離電網(wǎng)比較遠(yuǎn)，負(fù)荷輕，日負(fù)荷波動(dòng)較大，經(jīng)濟(jì)因素和線路輸送能力低是限制部署交流輸電線路發(fā)展的主要原因。通過柔性直流輸電可以實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)，可以提高電纜線路、傳輸功率,提高供電可靠性,減少維修負(fù)荷。

（4）應(yīng)用于電力市場模式。通過直接連接柔性直流輸電,電力供應(yīng)商之間構(gòu)建可行區(qū)域技術(shù)交流平臺(tái),提高靈活性和可靠的電力。

4.2 柔性直流輸電工程在國內(nèi)的應(yīng)用

（1）上海南匯柔性直流輸電示范工程

2011年7月投運(yùn)的上海南匯柔性直流輸電示范工程，是我國自主研發(fā)和建設(shè)的首個(gè)柔直輸電工程，也是亞洲首個(gè)柔直輸電工程，直流電壓±30kV，額定輸送功率20MW。

（2）舟山多端柔性直流輸電示范工程

2014年7月，國家電網(wǎng)公司分別在舟山定海、岱山、衢山、洋山、泗礁島上建成了一座換流站，直流電壓±200kV，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)海上風(fēng)電廠同時(shí)接入和電力輸送，是世界上首個(gè)五端柔性直流輸電工程。

5 結(jié)語

綜上所訴，雖然目前受限于生產(chǎn)能力和技術(shù)水平，柔性直流輸電技術(shù)仍然存在不少局限性，但是柔性直流輸電技術(shù)相較于傳統(tǒng)的輸電技術(shù)對解決孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、交流系統(tǒng)互聯(lián)及大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)等難題有著顯著的優(yōu)勢。柔性直流輸電技術(shù)必然會(huì)在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，甚至在某些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的輸電技術(shù)，成為我國構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要裝備。

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