混合直流輸電技術及發展分析

王一品

國網天津市電力公司薊州供電分公司 天津 301900

近年來，隨著大功率電子器件的普及化使用，例如絕緣柵雙極型晶體管、集成門極換相晶閘管的不斷應用，以及目前的電壓電流水平的進一步提升，混合高壓直流電得到了非常廣泛的關注。此外，國外學者對于模塊化多電換流器的高壓直流輸電系統的提出，讓我國逐漸意識到混合直流輸電系統的重要性以及可應用性。但是，目前現有的文獻對于混合直流輸電系數的基本原理、控制、保護方法等進行的研究還遠遠不夠。比較系統全面的論述文獻相對較少，此外對于總結性的混合直流輸電技術的難點以及今后運用的主要領域及方向的文獻也比較少，所以，對于混合直流輸電技術的發展分析是很有必要的。

一、混合直流輸電應用領域

當前，混合直流輸電應用領域十分廣泛。例如：混合直流輸電系統在海島與海上鉆井平臺領域方面的應用，采用此種無源網絡或者弱交流系統供電時，可以發揮相應的VSC逆變站技術優勢，能夠降低整體系統的投資及運行費用。其次，混合直流輸電系統還可以向城市電網進項供電，這不僅能夠給城市帶來無功支撐，使得城市短路電流大大減少，還能為城市節省空間，節省開資。最后，混合直流輸電技術在大規模的風力發電、光伏等可再生能源的利用方面也取得了顯著成效，它不僅能夠解決長距離的輸電問題，與此同時能夠保證發電的穩定性，更重要的是將其中一部分進行常規直流改造后，解決了我國多饋入直流連續換相失敗的問題，大大提高了電網的穩定性。

二、混合直流輸電發展現狀

（一）端對端混合直流輸電系統

德國的不萊梅電氣化鐵道和電力系統聯網的直流輸電工程是一個經典案例，它主要采用兩端混合直流輸電系統，是可供參考的典型案例。該工程的主要目的其實很簡單，就是將50Hz的交流電轉換成32/3Hz的交流電，以便電氣管道可以使用。它的逆變器是由全控器件IGCT構成的，LCC則是由整流側晶閘管構成。系統的整體容量為100MW，10KV的額定直流電壓。它采用直流電壓控制整個系統的整流側，逆變側則主要依靠有功、無功功率控制方式。

（二）極與極混合直流輸電系統

極與極的混合直流輸電系統在2013年的挪威和丹麥之間建設的極4工程中被運用到。該工程在原有的三極常規直流輸電系統的基礎上加以建設，極4采用柔性直流輸電系統，混合4極輸電系統由此構成。除此之外，極與極混合直流輸電系統在國內也有應用，2015年6月中國在云南的羅平背靠背直流工程中就采用此種輸電系統。這種輸電系統的極與極的混合直流聯網主要是通過采用1000MW LCC-HVDC輸電系統、1000MW VSC-HVDC輸電系統實現的，這種混合直流輸電系統的投運后，大大增加了我國南方境內的電網的穩定性及安全性。

（三）混合多端直流輸電系統

混合多端直流輸電系統目前使用的工程項目還比較少，目前只在美國開工建設的一項GBX工程中有見到。這個工程的總容量是3500MW，總體的輸送距離長達750Km。兩端采用的是LCC的轉換站，VSC換流站構成中間的落點。這項工程的目的是要將美國西南部的聯營電力的可再生能源能夠進行運輸，讓美國的中西部地區收益，并且為美國的PJM公司帶來穩定的安全的電力市場。

三、混合直流輸電未來趨勢

（一）利用混合直流輸電系統提升常規輸電性能

常規的直流輸電系統存在很大的缺陷，這個缺陷就是對于受端電網的短路容量有要求，所以利用混合直流輸電系統來提升常規輸電系統的性能，克服此類缺點就顯得很有必要。常規的直流輸電系統的這個缺陷是非常容易發生換相失敗的，這將導致整個系統無法運行下去。在實際的案例中也存在這樣的問題，例如廣東電網和華東電網，采用的常規直流工程造成多直流落點問題，其嚴重性在于受端系統一個點發生問題，就會引起多回流線路同時換相失敗，導致直流電輸送中斷，安全性穩定性不能保證。

因此，對常規直流輸電系統改造為混合直流輸電系統就非常有必要，這不僅能夠解決換相的失敗問題，還能在造價節省、損耗減少方面產生很大的益處。我國的常規直流輸電系統主要建設于2000年，早期的工程項目已經超過10年，甚至已經接近20年，升級改造已經刻不容緩，這些工程主要集中在我國的華東電網和南方電網。在未來，借助升級改造的機會可以讓這部分電網將常規的直流輸電系統進行積極改造，建設成為混合直流輸電系統，這不僅在投資方面能夠有一部分資金的節省，在性能上面甚至可以達到柔性直流輸電系統的技術水平。

（二）利用混合多端直流技術保障電網安全運行

未來電網的一個發展趨勢就是實現大規模的可再生能源的遠距離輸送。根據我國的地理位置考量，我國90%的水電資源在西部地區集中，而大部分的光伏、風電則集中在北部地區，可以說西北地區的負擔小，但是能源多。而我國的東南地區由于人口數量較大，所以負擔重但是能源少。所以能否實現大規模的遠距離輸電就需要多電源的輸電和多落點的供電，其中多端直流輸電系統將在直流電網技術中承擔著很重要的責任。

到底什么是混合多端直流輸電技術呢？其實就是通過串聯、并聯或者混聯的方式連接起來的直流輸電系統，但是換流站需要3個以上，而且其中一個換流站使用常規直流輸電技術、一個使用柔性直流輸電技術。在未來，混合直流輸電技術的應用可以解決常規直流輸電技術的缺陷，充分發揮其造價小、損耗少、容量大的特點，充分實現對可再生能源的利用，并且大大提高能源的使用效率，與此同時還能保證電網運行的穩定性。

結束語：

本文在混合直流輸電系統的基本原理、目前存在的問題以及未來主要應用的領域等方面進行了系統論述，并且對未來我國電網系統的發展方向做出了進一步的探討，希望能夠為我國的電力事業發展提供一分參考，略盡綿薄之力。