2020 年國際大電網(wǎng)會議學術動態(tài)
——直流系統(tǒng)及電力電子

安 婷，劉 棟，常 彬，賀之淵

（1. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司,北京市102209；2. 先進輸電技術國家重點實驗室,北京市102209）

0 引言

成立于1921 年的國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）,是世界領先、非營利性、覆蓋技術/經濟/環(huán)境/組織/管理等方面的電力系統(tǒng)領域中最重要的世界性組織之一,是為促進國際間發(fā)、輸、配電及大電網(wǎng)領域科技知識交流、工程經驗分享和信息互惠而搭建的平臺。大會每逢雙年在法國巴黎召開,有來自全球的電力行業(yè)學者和技術人員參加。

因新型冠狀病毒（COVID-19）疫情的影響,原定在法國巴黎召開的2020 年第48 屆CIGRE 會議改為線上視頻會議,此次會議是自CIGRE 成立以來首次以視頻的方式召開。本次視頻會議歷時9 天（2020 年8 月24 日至9 月3 日）,共計召開了83 場會議,以大會開幕式、各分專委會論文宣讀、專題研討會和專題講座等方式舉行。

大會以主題為“排放差距報告”的開幕主旨演講開始。開幕式結束之后,CIGRE 直流系統(tǒng)及電力電子技術專委會（SC B4）組織召開了4 場科技論文宣讀視頻會、2 場專題研討會和1 場專題講座,內容涉及高壓直流（HVDC）輸電、直流配電、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）和相關的器件及設備。

SC B4 為CIGRE 的16 個技術專委會之一,由1 名主席、1 名秘書、28 名正式會員和12 名觀察員組成。其工作范圍覆蓋:HVDC、直流配電及直流電網(wǎng)相關的直流設備和系統(tǒng),包括轉換器技術和半導體設備；用于交流系統(tǒng)和提高電能質量的功率電子設備和應用,如FACTS。

本文對主旨演講以及SC B4 會議收錄的論文、專題研討和專題講座的主要內容進行介紹,結合HVDC 領域的發(fā)展現(xiàn)狀和特點,簡述了當前HVDC領域最新發(fā)展動向,探討該領域目前所面臨的挑戰(zhàn)并展望該領域的發(fā)展方向。

1 大會主旨演講

本次視頻大會開幕式由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的Ann Olhoff 做題為“排放差距報告”的主題發(fā)言,報告介紹了全球溫室氣體排放趨勢、二十國集團（G20）成員國減排現(xiàn)狀及與其自定減排目標的差距和如何縮小差距等,具體內容匯總如下。

全球溫室氣體排放量到目前為止并沒有出現(xiàn)已達到峰值的跡象,還會繼續(xù)上升。總體而言,部分G20 成員國未完全實現(xiàn)其2030 年的自定減排承諾,印度、俄羅斯、土耳其、中國、歐盟28 國和墨西哥等國家已步入正軌且超額完成自定的減排目標；澳大利亞、日本和南非等國家的排放超出排放目標值的15%及以下；巴西、加拿大、韓國和美國超出排放目標值15%以上,須采取額外的減排措施才能達到自定減排目標值；阿根廷、印度尼西亞和沙特阿拉伯等國家的情況不詳。

到2030 年,自定減排的排放目標值低于按照各國現(xiàn)有減排政策排放水平的4～6 GtCO2e/年（GtCO2e 表示1 Gt CO2當量）,與允許氣溫上升2 ℃、爭取1.5 ℃的預期目標相比,剩余的差距分別約為12～15 GtCO2e/年和29～32 GtCO2e/年。因此,按照各國現(xiàn)有減排政策的排放水平,如果沒有更進一步強大的決心和得力的減排措施,到21 世紀末將不能達到將溫升保持在2 ℃、爭取控制在1.5 ℃以下的目標,全球平均氣溫升高將會在3.0～3.2 ℃之間。到2030 年,溫升為2 ℃情景下的CO2預算將接近耗盡,而1.5 ℃的預算則將被遠遠超越。

就如何進一步縮小上述差距,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署給出了以下世界各國降低溫室氣體排放須采取的措施。

1）創(chuàng)造更多的機會和激勵措施并采取強有力的減排行動,為達到2030 年各國自主減排目標提供堅實的基礎。

2）能源轉型變革且必須支持可持續(xù)發(fā)展的目標。

3）在未來的幾十年中,提高能源效率將是成功的關鍵,即電力系統(tǒng)需要持續(xù)脫碳和交通運輸需大量電氣化。

綜上所述,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署為改變全球能源系統(tǒng)提出了以下5 種減排手段:擴大可再生能源的電氣化；逐步淘汰煤炭以實現(xiàn)能源系統(tǒng)的快速脫碳；脫碳運輸；高耗能行業(yè)脫碳；既要避免未來的排放還要確保能源的供應等。

最后,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署指出要達到《巴黎協(xié)定》的要求,即從2020 年到2030 年全球溫室排放量每年必須分別下降2.7%和7.6%,才可達到限制氣溫上升不超過2 ℃、爭取1.5 ℃的目標。

2 SC B4 論文介紹

本次SC B4 會議共宣讀了所收錄的51 篇論文［1-51］和2 篇年輕學者的科研成果［52-53］,涵蓋了3 個優(yōu)先主題:①HVDC 系統(tǒng)及其應用；②直流配電及其電力電子；③FACTS。

優(yōu)先主題①主要涵蓋以下3 個方面的內容:新HVDC 輸電工程項目的規(guī)劃和實施；直流電網(wǎng)、多端HVDC、混合HVDC 系統(tǒng)和HVDC 斷路器等領域新技術應用；現(xiàn)有HVDC 輸電系統(tǒng)的翻新和升級。

優(yōu)先主題①共錄用了39 篇論文［1-39］和2 篇關于下一代網(wǎng)絡［52-53］的簡介,內容主要涉及基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）的常規(guī)HVDC（簡稱LCCHVDC）、基于電壓源換流器（VSC）的柔性HVDC（簡稱VSC-HVDC）和LCC/VSC 混合直流系統(tǒng)的一次主回路及二次控制保護系統(tǒng)。另外,還涵蓋了HVDC 系統(tǒng)可靠性及可用率的調研結果及提升直流系統(tǒng)可靠性的方法等。

在LCC-HVDC 系統(tǒng)方面,共收錄了7 篇論文［1-5,28,36］,涉及的內容較為廣泛,從不同角度展示了實際常規(guī)特高壓直流（UHVDC）工程、高壓LCC 換流站并聯(lián)運行、多饋入高壓LCC 的運維和控制保護技術、換流站接地極電阻和外絕緣設計等的科研成果。

在柔性直流系統(tǒng)方面,共宣讀了21 篇論文［7-10,14,16,18-20,22-24,26-27,30-35,38］和2 篇介紹下一代網(wǎng)絡的科研成果［52-53］,涵蓋了諸多主題,包括歐盟PROMOTioN 項目的成果,新建、在建和規(guī)劃中的HVDC 項目,系統(tǒng)控制保護和仿真、HVDC 絕緣設計、直流電網(wǎng)以及多端、多供應商HVDC 系統(tǒng)等。

在LCC/VSC 混合直流系統(tǒng)方面,共收錄7 篇論文［6,12,15,21,25,29,37］,涉及的內容包含LCC/VSC 換流閥設計、閥組測試、系統(tǒng)故障保護策略以及混合級聯(lián)直流系統(tǒng)分析等。

HVDC 輸電系統(tǒng)可靠性的研究及提升方法是現(xiàn)代電力系統(tǒng)可靠性研究的重要領域之一。本專題共收錄了4 篇論文［11,13,17,39］,集中討論了提升系統(tǒng)可靠性的方法、全周期管理以及直流線路對HVDC 輸電系統(tǒng)可靠性的影響等內容。

優(yōu)先主題②的論文著重關注直流和電力電子在配電系統(tǒng)中的應用,以及相關設備的新概念和設計,共收錄論文4 篇［40-43］。

優(yōu)先主題③主要集中于新型FACTS 的規(guī)劃和實施、新技術在FACTS 設備中的應用、現(xiàn)有FACTS 系統(tǒng)和其他電力電子設備翻新和升級等。共收錄了8 篇［44-51］論文,內容主要涵蓋靜止同步補償器（STATCOM）的新應用、靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC）和基于VSC 的技術應用,解決與新興電網(wǎng)和可再生能源高滲透率有關的交流電網(wǎng)問題。

3 專題研討會

本次CIGRE 會議設立了2 個與SC B4 相關的專題研討會,分別為:①主題為“采用電磁暫態(tài)離線和實時仿真工具評估VSC-HVDC 系統(tǒng)的交互影響”的SC B4 專題研討會,主要介紹了B4-70、B4-81和B4-41 工作組,以及一篇博士論文［54］的研究內容；②主題為“海上HVDC 輸電電網(wǎng)發(fā)展”的SC A3/B4聯(lián)合專題研討會,以歐洲海上網(wǎng)狀HVDC 輸電電網(wǎng)發(fā)展項目PROMOTioN 為主線,重點介紹和演示了HVDC 輸電電網(wǎng)控制保護和相關設備等方面的技術成果。

3.1 SC B4 專題研討會

本次研討會由B4-70 和B4-81 工作組聯(lián)合組織召開,主要介紹對嵌入高壓交流系統(tǒng)中的電力電子設備之間交互影響的風險評估。該研討會主要介紹了以下4 個方面的內容。

1）分析和評估多換流器之間交互影響的方法。

2）開展電磁暫態(tài)研究所需的工具（離線和實時）。

3）實際工程項目中交互影響評估的實踐經驗。

4）防止交互影響的風險評估/解決方案。

主題為“含VSC 的電磁暫態(tài)研究指南”的B4-70工作組的工作已接近尾聲。報告者指出影響交互影響及需考慮的關鍵因素包括:系統(tǒng)中不同類型的發(fā)電機、系統(tǒng)運行點、換流器控制、交流電網(wǎng)短路容量和阻抗、系統(tǒng)中非線性元件以及附近其他電力電子設備等。提出用多饋入交互作用因子（MIIF）和阻抗掃頻方法評估穩(wěn)定性。電磁暫態(tài)型和非電磁暫態(tài)型仿真軟件可用于不同的研究目的,且不同仿真軟件和版本會導致仿真結果呈現(xiàn)不同程度的差異。最后,以法國北部含多個HVDC 和新能源發(fā)電的系統(tǒng)為例,介紹了換流器之間交互影響的研究成果,有以下結論。

1）VSC-HVDC 可能會給電力系統(tǒng)帶來交互影響。

2）與傳統(tǒng)仿真分析方法相比,基于電磁暫態(tài)的仿真可以為交互影響的評估提供更多的信息。

3）在工程項目的全生命周期中,可使用電磁暫態(tài)型工具從事各種不同類型的仿真研究。

主題為“相鄰VSC、FACTS 裝置、高壓電力電子設備和傳統(tǒng)交流裝置之間的相互影響”的B4-81工作組正在開展中,本工作組主要聚焦于以下幾個方面。

1）分析和評估交流系統(tǒng)中多個換流器間交互影響的方法。

2）分析此類交互影響所需數(shù)據(jù)、離線和實時仿真工具和模型推薦。

3）在VSC-HVDC 或FACTS 項 目 生 命 周 期 的各個階段進行此類研究的時間表。

主題為“具有多個直流饋電系統(tǒng)”的B4-41 工作組,已于2008 年完成了技術報告（TB364）。本工作組借鑒過去的廣泛研究,為含LCC-HVDC 多饋入系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)劃提供如何分析多個LCC-HVDC 系統(tǒng)換流器間相互作用的方法。目的是為單饋和多饋HVDC 系統(tǒng)之間提供無縫過渡,盡可能將適用于單饋HVDC 系統(tǒng)的概念擴展到多饋HVDC 系統(tǒng),以減少兩者之間的差異。在研討會上給出了如何進一步改進MIIF 的分析方法并指出在做MIIF 分析時,一定要考慮換流器不同運行方式組合的影響。最后,分享了采用離線和實時仿真工具對世界上第1 個由2 個供應商提供的相鄰2 個并聯(lián)運行的LCC-HVDC系統(tǒng)（挪威Johan Sverdrup 工程）交互影響的研究成果。得出以下結論:采用全局統(tǒng)一控制器兩系統(tǒng)可以達到穩(wěn)態(tài)的協(xié)調運行,但由于各供應商的保密限制,兩系統(tǒng)動態(tài)行為的協(xié)調是一個挑戰(zhàn)；對在未來的輸電網(wǎng)中可能會出現(xiàn)的問題應給予足夠的考慮和研究；采用第3 方介入以限制不良的交互影響。

最后,分享了報告“變化中的電力系統(tǒng)”［54］。首先介紹了交流系統(tǒng)傳統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性、含換流器的動態(tài)穩(wěn)定性以及新的動態(tài)穩(wěn)定性問題。接著對比了實時仿真、EMT 離線軟件時域仿真和頻域分析方法的優(yōu)缺點。最后,研討會介紹了含多端HVDC 換流站系統(tǒng)在頻域里的穩(wěn)定性相關研究成果。結論為電力電子換流器可以給系統(tǒng)提供快速控制,但現(xiàn)有的建模仿真、運行、控制和保護均受到了系統(tǒng)在響應特性需求方面的新挑戰(zhàn)。

3.2 SC A3/B4 專題研討會

本研討會由德國亞琛大學組織召開,由10 位專家主講,內容主要涵蓋HVDC 開關設備、HVDC 電網(wǎng)和海上風電的控制保護以及HVDC 電網(wǎng)的發(fā)展等。

3.2.1 HVDC 開關設備

研討會介紹了320 kV/20 kA 混合式直流斷路器研發(fā)中所做的4 個階段性試驗:材料試驗、元器件試驗、分系統(tǒng)試驗和最后的系統(tǒng)試驗（電流開斷能力、功能性、失效模式和工廠系統(tǒng)試驗）。最后,展示了基于320 kV 斷路器研發(fā)的640 kV/30 kA/3 ms 的新型混合式直流斷路器。

研討會還介紹了VARC（VSC assisted resonant current）直流斷路器。VARC 直流斷路器采用直流電流疊加由內部電壓源產生的振蕩高頻電流,使通過斷路器的電流產生過零點,由交流真空斷路器開斷電流。

另外,研討會還介紹了已應用于中國張北500 kV 直流電網(wǎng)的主動電流注入式和混合式直流斷路器,并展示了實驗室和現(xiàn)場短路試驗的情況和結果。2 類斷路器均由主電流支路、電流注入/轉移支路和能量吸收支路組成。混合式直流斷路器在實驗室試驗時的最高開斷電流為26 kA,開斷時間為2.6 ms,現(xiàn)場短路試驗的開斷電流為2.3 kA,開斷時間為2.8 ms。

高壓試驗是驗證高壓設備研制是否成功的重要手段。本次研討會介紹了HVDC 斷路器的試驗原理、線路及設備,并介紹了320 kV/20 kA/3 ms 混合式HVDC 斷路器和80 kV/12 kA /2 ms VARC HVDC 斷路器相關試驗的情況。

同時,本研討會還展示了可用于海上直流換流站平臺的高壓直流SF6氣體絕緣開關設備（GIS）,與高壓直流空氣絕緣開關相比,直流GIS 可以節(jié)省70%～95%的空間,從而大幅度減小和降低平臺的尺寸和成本,經濟效益顯著。所展示的直流GIS 已經過一年多在120% 額定直流電壓下的試驗,于2020 年6 月成功通過試驗認證。

3.2.2 HVDC 電網(wǎng)控制和保護

本研討會介紹了德國亞琛工業(yè)大學搭建的多端直流測試仿真平臺。該平臺由交流系統(tǒng)及設備、模塊化多電平換流器（MMC）換流站和直流線路等模型組成,此平臺具有可仿真3 000 個節(jié)點交流系統(tǒng)和風電場的OP5707 實時仿真器,仿真直流電網(wǎng)控制器的OP4510 實時仿真器和4 個線性功率放大器。基于此平臺,亞琛大學對4 端直流電網(wǎng)進行了仿真研究。另外,亞琛大學還介紹了小信號擾動直接注入法推導MMC 阻抗。此方法可在實驗室測試平臺進行實物驗證,也可采用建模仿真的方法驗證。亞琛大學將實驗室測試結果與仿真結果在頻域中進行了對比分析,驗證了在不同頻率范圍里2 種方法的有效性。

西班牙瓦倫西亞大學分別采用離線、控制器硬件在環(huán)（CHIL）和功率硬件在環(huán)（PHIL）實時仿真對PROMOTioN 項目海上直流系統(tǒng)控制設計進行了驗證,以交流并網(wǎng)為例展示了其風機的黑啟動研究成果。得出以下結論:采用CHIL 驗證海上風機并網(wǎng)的控制特性需要足夠多的風機,才能確保風機間的相互影響得到準確的驗證；連續(xù)黑啟動過程會因涌流和鐵磁諧振產生過電流或過電壓且啟動過程會較長；若采用軟啟動會縮短啟動時間并降低涌流和諧振；對于大量風機并網(wǎng)而言,故障響應及恢復特性至關重要。

另外,研討會介紹了風機阻抗的測量及驗證,內容涵蓋:無須打開生產廠家黑盒子的主動元件的評估與采用CHIL 和PHIL 所得阻抗測量結果的比較。得出以下結論:阻抗測量法被認為是表征VSC 并網(wǎng)的有效方法,可為未來能源系統(tǒng)的電氣化奠定基礎；CHIL 與PHIL 在中、低頻頻率范圍具有很好的匹配,對于高頻率范圍（大于1.5 kHz）PHIL 的結果具有測量不確定性以及不穩(wěn)定性問題。綜上,CHIL可成為被廣泛應用的模型驗證方法。

研討會上還展示了中國張北直流電網(wǎng)示范工程的控制保護系統(tǒng),包括:控制系統(tǒng)構架、運行控制模式、各換流站自適應控制、孤島控制、系統(tǒng)上電控制以及保護分區(qū)和冗余設計、換流器的配置和采用直流斷路器的直流線路保護原則等。

3.2.3 HVDC 電網(wǎng)的發(fā)展

研討會介紹了歐洲北海海上HVDC 輸電電網(wǎng)的研發(fā)進展情況。在PROMOTioN 項目的框架下,通過對多端放射型和環(huán)網(wǎng)型的技術經濟對比,提出了在北海逐步建立多端跨國HVDC 電網(wǎng)倡議,且對三端直流電網(wǎng)進行了可行性研究。得出以下結論:建立多端、跨國、多供應商的海上HVDC 電網(wǎng)在技術上是可行的；由多供應商建成的HVDC 電網(wǎng)并網(wǎng)需要進一步的標準化工作；國際合作與協(xié)作是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵；需要實際試點項目以充分展示直流電網(wǎng)的可行性和效益。

另外,由總部位于德國的輸電運營商介紹了關于海上風電項目并網(wǎng)的“歐洲海上風電母線（European Offshore Busbar）”全新計劃,旨在為德國和歐洲其他國家海上風電建立專用的海上電網(wǎng),降低并網(wǎng)成本,以滿足符合可持續(xù)發(fā)展理念的未來海上風電并網(wǎng)需求。所提歐洲海上直流母線工程將北部的挪威,經丹麥、荷蘭和法國,最終與英國相連。此聯(lián)合倡議的關鍵原則是模塊化擴展、穩(wěn)健的進展、一個多端直流系統(tǒng)及跨國開源路徑。

歐洲項目的研究成果表明,預計在2027 年歐洲可實現(xiàn)標準化的2 GW、525 kV 海上輸電平臺建設；2030 年建成丹麥能源群島和風電連接器；2040 年建成北海風電樞紐站；2050 年建成歐洲海上直流母線。

研討會上還介紹了英國蘇格蘭在建的Caithness-Moray-Shedland 三端輻射狀直流系統(tǒng),內容包括項目進展、拓撲、主設備（直流斷路器、變壓器和交流耗能器）、控制與保護、調試試驗和展望等方面。

中國張北直流電網(wǎng)的建成以及歐洲項目的相關科研成果已證明直流電網(wǎng)不但技術上可行,而且還具有獨特的效益。要實現(xiàn)和建成國際化多廠商供貨的海上直流電網(wǎng),需要采取實質性的行動,即所有利益相關者需要協(xié)調合作,實現(xiàn)直流電網(wǎng)系統(tǒng)和設備的標準化建設；攻克因多廠商供貨帶來的諸如控制系統(tǒng)的兼容性、運行的可操作性和等效模型的準確性等相關技術難點。這些也是建設直流電網(wǎng)的進程中需要面對的挑戰(zhàn)。

4 專題講座

主題為“連接于弱網(wǎng)或孤網(wǎng)的逆變器運行特性”的專題講座介紹了在弱交流系統(tǒng)/孤立交流系統(tǒng)中對逆變器的要求和可行的解決方案,對電網(wǎng)跟隨式逆變器和電網(wǎng)形成式逆變器做了詳細的介紹。

講座從同步發(fā)電機為系統(tǒng)提供電壓支撐和頻率調節(jié)的原理和功能入手,得出弱電網(wǎng)對逆變器的要求。在電壓支撐方面,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時,逆變器需按照所設計的PQ 能力為系統(tǒng)提供所需的無功支撐；在動態(tài)及故障時逆變器須給系統(tǒng)注入大量無功,支撐電壓快速恢復。在頻率調節(jié)方面,逆變器需提供類似于同步發(fā)電機慣性矩能力的慣性支撐；其功率輸出應能夠根據(jù)頻率下降設置進行調整,能夠適應系統(tǒng)功率的波動,需要由系統(tǒng)操作員確定儲備需求,能夠接受連接區(qū)域的自動發(fā)電控制所要求的功率調整等。現(xiàn)有的解決方案包括根據(jù)逆變器的最大電流能力（通常約為1.1～1.2 p.u.）優(yōu)化有功-無功電流的支撐；逆變器電流能力內的慣性仿真（例如風機慣性）、使用動態(tài)無功補償設備（如STATCOM）或同步調相機提供電壓或慣性支撐等。對逆變器未來的研究包括耐受高暫態(tài)電流的逆變器（1～2 s 的電流高達約3～4 p.u.）、逆變器內部或其直流側的儲能能力、作用類似于同步電機的控制器以及基于儲能功能充分利用可再生能源等。

CIGRE TF-77 將電網(wǎng)跟隨式逆變器的定義為與交流電網(wǎng)電壓和頻率相匹配的換流器,且可在交流故障期間提供等同于穩(wěn)態(tài)額定電流的無功電流。典型的電流限制值為穩(wěn)態(tài)時是1.0 p.u.,暫態(tài)時是1.1～1.2 p.u.,故障時逆變器的輸出以無功電流為主且最大為額定電流。動態(tài)無功支撐需根據(jù)相關電網(wǎng)規(guī)范所確定的特性曲線進行設置。慣性/頻率控制需要有功電流來維持頻率穩(wěn)定,其中有功電流的來源包括:由直流輸電系統(tǒng)的整流側提供、增加直流電壓將能量儲存在直流輸電系統(tǒng)和子模塊中以及專門配套的儲能設備。常見的電壓/無功功率控制模式有3 種:電壓控制、電壓相關的無功功率控制以及功率因數(shù)控制。

電網(wǎng)形成式逆變器是能夠控制連接點的電壓和頻率的逆變器,為所連接的其他設備提供參考電壓（作用類似于電壓源）,且能夠自行啟動以及其他設備應能夠與其連接/同步。講座對電網(wǎng)形成式逆變器的要求和控制做了詳細的講解,包括基于虛擬同步機控制技術即可實現(xiàn)電網(wǎng)形成式逆變器的功能控制,其他諸如與電網(wǎng)跟隨式逆變器相同的電壓控制器和具有頻率下垂功能的功率控制器等。講座以仿真為例驗證了各種控制功能和對系統(tǒng)需求的滿足。

在規(guī)劃和設計逆變器時,需充分考慮系統(tǒng)需求、逆變器通流能力、仿真分析計算,由此得到對逆變器的要求并確定是否需要諸如STATCOM 或同步調相機等其他設備。

5 直流輸電技術的思考及展望

近20 年來電力系統(tǒng)的發(fā)展舉世矚目,由于可再生能源高滲透和電力電子設備高比例接入,導致了現(xiàn)代電力系統(tǒng)呈現(xiàn)更為復雜的強耦合、非線性的隨機特性。UHVDC 輸電、高壓柔直工程的建設,加速了電力系統(tǒng)的電力電子化,使原本弱直強交的電力系統(tǒng)逐步轉向強直弱交的局面；因智能電網(wǎng)的建設,高比例可再生能源已接入電網(wǎng)的不同電壓等級,打破了傳統(tǒng)的自上而下的輸、配、供電模式；還有正在崛起的綜合能源體系、電網(wǎng)數(shù)字化等,都直接或間接地影響到直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展、系統(tǒng)建模與仿真和設備研發(fā)。

5.1 LCC/VSC 混合直流輸電系統(tǒng)

雖然LCC-HVDC 輸電技術及裝備已得到了實際工程的應用,在世界范圍內已建成多個HVDC 輸電工程并投入運行,實現(xiàn)了大容量、遠距離的電力功率傳輸,顯著提高了電網(wǎng)大范圍的資源優(yōu)化配置。但是,隨著HVDC 輸電的廣泛應用,多回直流輸電線路不可避免地落在同一個受端交流系統(tǒng),顯現(xiàn)出饋入直流落點密集、功率大、耦合緊密等特征,受端系統(tǒng)易受到交流電網(wǎng)故障影響而發(fā)生換相失敗,由此可導致直流單/雙極閉鎖等直流系統(tǒng)的故障對所接入的送、受端交流電網(wǎng)產生較大沖擊,威脅到電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

VSC-HVDC 輸電技術,因其換流器能夠實現(xiàn)自主換相,從根本上避免了換相失敗的風險。在LCC-HVDC 輸電系統(tǒng)中引入VSC 構成混合型直流輸電方案,即送端采用LCC 技術,受端采用VSC 或LCC/VSC 混合技術,可兼具LCC-HVDC 輸送容量大和VSC-HVDC 輸電控制靈活的優(yōu)點,既解決了換相失敗的問題,又具有良好的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性。因此,LCC/VSC 混合直流系統(tǒng)將會在未來電網(wǎng)中發(fā)揮日益重要的作用,成為UHVDC/HVDC 輸電技術的一個重要發(fā)展方向,如中國國家電網(wǎng)有限公司和中國南方電網(wǎng)有限責任公司分別規(guī)劃建設了白鶴灘、烏東德等混合直流工程。

5.2 VSC 多端系統(tǒng)和直流電網(wǎng)

電力系統(tǒng)中可再生能源和換流器的大量接入會導致交流系統(tǒng)慣性和短路容量的降低。交流電網(wǎng)中相鄰的由不同供應商提供的多個換流器之間會因供應商之間的保密限制等因素而產生交互影響,此影響也會波及相連的交流系統(tǒng),從而影響整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。近年來,由不同供應商提供的太陽能、風能和HVDC 的大規(guī)模接入在電網(wǎng)中已導致多次振蕩頻率范圍很廣（100 Hz 至近10 kHz）的穩(wěn)定性問題,由此引起的系統(tǒng)互操作性和穩(wěn)定性是未來電力系統(tǒng)發(fā)展中關鍵和亟待解決的問題。

隨著VSC 技術的成熟、成本和損耗的降低,在不需要大容量遠距離電能傳輸?shù)牡貐^(qū)（如歐洲大陸）,VSC-HVDC 技術已完全取代了LCC-HVDC技術。從本次CIGRE 會議得知歐洲海上風電并網(wǎng)用直流電網(wǎng)也已得到廣泛的論證和認可,多端VSC-HVDC 系統(tǒng)正在逐步建成。在不遠的將來,歐洲北海上將會建成三端直流電網(wǎng),并逐步擴展到多端、多網(wǎng)孔連接多國的由不同供應商提供設備的海上直流電網(wǎng)以及陸地直流電網(wǎng)。可以斷定直流電網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一,但如何有效解決由多供應商提供設備的直流系統(tǒng)的兼容性、互換性、運行的配合性、可操作性和等效模型的準確性等帶來的諸多問題以及直流電網(wǎng)系統(tǒng)和設備的標準化建設也是直流電網(wǎng)發(fā)展過程中所面臨的挑戰(zhàn)和研究方向。

5.3 海上風電場的直流并網(wǎng)

近年來,海上風電采用VSC-HVDC 并網(wǎng)發(fā)展迅速,成為驅動海上直流電網(wǎng)發(fā)展的動力。如何降低海上平臺的尺寸和成本,設備的緊湊化和輕型化是一大挑戰(zhàn)和機遇。到目前為止,已建成的海上平臺的直流開關場均采用敞開式GIS,為滿足絕緣間距的要求,設備間距離大,整個直流開關場所需空間大。如何減小直流開關場中設備間距,即直流GIS的工程化應用和改進是相關設備制造商近年來努力研發(fā)的方向。

另外,換流站組件可視化和數(shù)字化服務將在直流系統(tǒng)的全周期服務以及海上平臺設備的免維護中發(fā)揮十分重要的作用。如何借助先進的信息通信（IT）技術和人工智能（AI）技術改進人機交互界面（HMI）和數(shù)據(jù)庫標準語言設計,改進網(wǎng)絡安全交換機及防火墻、區(qū)塊鏈平臺、虛擬現(xiàn)實（VR）、激光3D和成像等也是換流站相關研究的熱點和研發(fā)方向。

5.4 直流系統(tǒng)/電網(wǎng)的控制保護

UHVDC/HVDC 的控制保護以及風險評估等是UHVDC/HVDC 系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的保障。應用先進的IT 和AI 技術,研制出先進的具有自適應功能的控制系統(tǒng)以消除系統(tǒng)振蕩,并提高功率響應速度,加強直流電網(wǎng)系統(tǒng)和設備間的頂層協(xié)調控制等是UHVDC/HVDC 控制領域的研發(fā)熱點；如何借助先進的IT 和AI 技術,研制出快速、高靈敏度、先進的故障檢測和定位技術,并結合換流器半/全橋拓撲、直流故障電流限制和開斷技術的直流系統(tǒng)保護策略是當下UHVDC/HVDC 保護領域的研發(fā)方向；如何評估多供應商高壓直流項目中管理存在的風險等,也是亟待解決的問題。

5.5 直流系統(tǒng)的建模仿真及測試平臺

直流系統(tǒng)仿真是從事直流系統(tǒng)分析、研究的重要方法和手段之一,仿真技術水平決定了系統(tǒng)分析研究的水平,如何對處在變化中且具有海量電力電子開關器件的直流系統(tǒng)進行準確建模,得到正確仿真結果；如何等效和搭建因高比例新能源帶來的具有強隨機波動性和互補特性的電源模型；如何應對因未來電力系統(tǒng)向微觀縱深和宏觀全局的發(fā)展,這一系列問題對多時間尺度、全過程的仿真需求也是建模仿真領域所面臨的新挑戰(zhàn)。

在直流配電系統(tǒng)的建模仿真方面,如何等效和搭建電動車充電等導致的具有隨機不確定性和概率特性的負荷模型,如何確保綜合能源終端建模的準確性,如何簡化交直流混聯(lián)的復雜性以及如何體現(xiàn)具有雙向響應特性的源、網(wǎng)、荷的互動性是直流配電系統(tǒng)建模仿真研究的熱點和研發(fā)方向。

因多供應商之間的保密以及知識產權的限制,無法獲得精確的系統(tǒng)模型。如何對多設備供應商的換流站系統(tǒng)進行離線和實時硬件在環(huán)系統(tǒng)測試以及現(xiàn)場試驗驗證,如何對多設備廠商換流站的控制、數(shù)據(jù)交換和模型驗證及共享等方面提出標準化的要求等也是亟待解決的問題。

多端直流測試仿真平臺是驗證直流電網(wǎng)控制保護系統(tǒng)有效性和安全性必不可少的手段。另外,離線仿真、CHIL 和PHIL 實時仿真也是開發(fā)、驗證控制保護系統(tǒng)最基本的手段。不同測試和仿真手段之間的有效性驗證和互補以及精確、有效、合理的模型等效和簡化是HVDC 電網(wǎng)控制和保護系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、安全運行的保障。

5.6 直流設備

在直流設備層面,AC/DC 換流器、直流斷路器、直流GIS、直流變壓器、直流故障限流器以及直流潮流控制器等是構建直流電網(wǎng)的重要設備。雖然會議涉及AC/DC 換流器研發(fā)的成果較少,但研發(fā)具備故障隔離能力、多功能、功耗小、成本低和緊湊化的新型VSC 換流器是本領域發(fā)展方向之一。

另外,VSC-HVDC 饋電和諸如風力和太陽能等基于逆變器的發(fā)電設備并網(wǎng)正成為發(fā)展趨勢,大量傳統(tǒng)發(fā)電機正在逐步被淘汰。為了滿足給系統(tǒng)提供諸如電壓支撐和慣性/頻率調節(jié)的功能,連接到弱電網(wǎng)或孤網(wǎng)的逆變器功能設計與傳統(tǒng)的逆變器設計會有所不同。如何基于虛擬同步機控制技術,研發(fā)出滿足弱網(wǎng)或孤網(wǎng)各種控制功能需求的電網(wǎng)形成式或電網(wǎng)跟隨式逆變器,是未來逆變器研究的技術方向之一。

直流斷路器是直流電網(wǎng)的關鍵設備,被用來快速清除/隔離直流故障,確保系統(tǒng)內未受故障影響部分能持續(xù)安全穩(wěn)定運行。因此,經過10 余年的研究,在世界范圍內已研發(fā)出不同技術路線、不同拓撲和不同電壓等級的直流斷路器,如額定電壓最高達500 kV 的直流斷路器已通過試驗并應用于中國張北直流電網(wǎng)示范工程。但是相對交流斷路器而言,直流斷路器的尺寸和成本遠遠高于交流斷路器,這也是影響直流電網(wǎng)發(fā)展的主要因素之一。因此,進一步降低直流斷路器的成本和尺寸,集成或融合諸如限流、潮流控制等其他功能的新一代尺寸小、成本低、功能全的直流斷路器的研發(fā)仍然是本領域面臨的一大挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

相對而言,本次會議少有涉及直流變壓器、直流潮流控制器以及直流故障限流器等的研究成果。隨著歐洲海上直流電網(wǎng)建設的不斷推進,此類設備的研發(fā)預計在不遠的將來全面展開,成為本領域的發(fā)展方向之一。

另外,功能單一的各種設備會大大增加直流系統(tǒng)的成本、占地面積和損耗。可以預見,直流設備將向多功能集成融合、緊湊模塊化的方向發(fā)展,從而提高系統(tǒng)可靠性及經濟性。