電力系統(tǒng)中柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用研究

新華通訊社 湯連軍

1 柔性直流輸電技術(shù)的原理分析

電壓源性換流器與交流系統(tǒng)之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性，在計算對應(yīng)的有功功率以及無功功率時，可以使用如下公式：

其中：P代表著有功功率；對于交流母線而言，其對應(yīng)擁有的電壓基波分量在上式中表示為Us；對于交流站而言，其對應(yīng)擁有的輸出電壓基波分量在上式中表示為Uc；交流電抗器所具備的電抗值主要利用Xc進行表達；無功功率使用Q進行表示。、結(jié)合上述公式能夠了解到：對于有功功率而言，其大小會受到移相角數(shù)值的影響。具體而言，當移相角數(shù)值保持在高于0的狀態(tài)下時，有功功率也隨之表現(xiàn)出大于0的水平；當移相角數(shù)值保持在低于0的狀態(tài)下時，有功功率也隨之表現(xiàn)出小于0的水平，此時換流器會持續(xù)性地吸收有功功率。為了實現(xiàn)對無功功率的有效控制，進一步調(diào)節(jié)交流母線的電壓基波分量，以及交流站的輸出電壓基波分量，促使其達到高于0的狀態(tài)，最終控制換流站接收無功功率。

2 柔性直流輸電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用價值與優(yōu)勢分析

常規(guī)直流技術(shù)與柔性直流輸電技術(shù)之間的區(qū)別見表1。對于柔性直流輸電而言，其主要基于模塊化概念完成設(shè)計。換流站具有多種標準的容量和尺寸，大部分設(shè)備是在工場安裝的，所以實際的交貨時間一般不會超過12個月，占地較小。而傳統(tǒng)直流輸電總是單獨設(shè)計以滿足特定的應(yīng)用場合[1]。同時，柔性直流輸電換流電路本身就是雙極（偽）的，因此直流電路是不接地的，必須使用兩根電纜。

表1 常規(guī)直流技術(shù)與柔性直流輸電技術(shù)之間的區(qū)別對比

與傳統(tǒng)交流輸電和就地發(fā)電相比，除成本優(yōu)勢外柔性直流輸電還能提高供電的電能質(zhì)量。柔性直流輸電可自換相運行，可在弱交流系統(tǒng)或者是無源系統(tǒng)內(nèi)進行對柔性直流輸電技術(shù)的利用。在實際處于正常運行的狀態(tài)下，可依托柔性直流，完成對交流系統(tǒng)基本運行參數(shù)的控制，包括頻率、電壓。在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，柔性直流具有注入故障電流的能力，以利于交流系統(tǒng)保護動作以消除故障。針對柔性直流輸電系統(tǒng)，其直流回路和換流器單元存在多種可能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個換流站可由一種拓撲結(jié)構(gòu)的單換流器單元組成，實現(xiàn)單極的輸電方案。總體來看，相比于常規(guī)直流技術(shù)柔性直流輸電技術(shù)，本身所具備的優(yōu)勢性更為明顯，在電力系統(tǒng)中能夠發(fā)揮出更為理想的作用與價值，因此在當前逐步得到了廣泛應(yīng)用。

結(jié)合柔性直流輸電技術(shù)的特點能夠了解到，其在可再生能源并網(wǎng)、大型城市電網(wǎng)供電等方面有著更高的適用性。特別是在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)、海上平臺供電和大型城市電網(wǎng)供電方面，柔性直流輸電系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢十分明顯。

3 柔性直流輸電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用探究

3.1 在風(fēng)電電網(wǎng)工程中的應(yīng)用

我國風(fēng)能資源豐富、風(fēng)向規(guī)律且環(huán)保性理想，所以在目前的新能源發(fā)電生產(chǎn)中更為常見。在實際利用風(fēng)電資源期間，傳輸距離、容量等因素，均會對風(fēng)電資源的具體利用產(chǎn)生不同程度的影響，在這樣的條件下，若是應(yīng)用傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)開發(fā)應(yīng)用風(fēng)電資源，則難以切實滿足現(xiàn)實需要。相比較而言，柔性直流輸電技術(shù)在風(fēng)電電網(wǎng)工程中能夠發(fā)揮出的應(yīng)用優(yōu)勢更加明顯。就當前的情況來看，社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展使得各個行業(yè)領(lǐng)域的用電量大幅提升，為實現(xiàn)對傳統(tǒng)化石能源發(fā)電不足所產(chǎn)生的電力缺口的彌補，多種基于清潔能源、可再生能源的新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，規(guī)模也明顯擴大。

對于柔性直流輸電技術(shù)而言，實際所應(yīng)用的并網(wǎng)形式為直流形式，因此并不需要調(diào)整風(fēng)電場與之實際連接著的交流電網(wǎng)之間，始終維持在相互同步的狀態(tài)下；投放了全控型器件，為換流器無功功率的獨立性控制工作的展開提供了有力支持；實際所具備的故障穿越性能更強，可達到對風(fēng)電場和并網(wǎng)交流電網(wǎng)在故障問題發(fā)生期間所產(chǎn)生的相互影響的有效隔離，避免發(fā)生換相失敗風(fēng)險問題；一旦風(fēng)電場在運行階段發(fā)生較為嚴重的事故問題，在柔性直流輸電技術(shù)的支持下，能夠達到在更短時間內(nèi)將風(fēng)電場母線充電恢復(fù)至正常水平的效果。

結(jié)合上述分析，能夠明確的是，柔性直流輸電技術(shù)可達到為風(fēng)電電網(wǎng)工程的生產(chǎn)提供更好、更有力支持的效果，因此在現(xiàn)階段已然發(fā)展成為風(fēng)電并網(wǎng)的最佳選擇。同時，就當前的情況來看，伴隨海上風(fēng)電裝機規(guī)模不斷提升，采用柔性直流輸電技術(shù)可更好助力于我國深遠海風(fēng)電的高質(zhì)量開發(fā)，進一步覆蓋微電網(wǎng)互聯(lián)等柔性直流輸電領(lǐng)域[2]。

3.2 在非同步電網(wǎng)并聯(lián)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，在電力工程建設(shè)與使用期間，通過在跨區(qū)域的遠距離高壓輸電工程內(nèi)引入柔性直流輸電技術(shù)，能夠促使非同步電網(wǎng)的并聯(lián)成為現(xiàn)實，以此實現(xiàn)對電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的有效提升，切換滿足多種電網(wǎng)的用電需要。

3.3 在孤立電網(wǎng)供電中的應(yīng)用

孤立電網(wǎng)供電的一種較為典型的應(yīng)用場景為海上石油鉆井，在本文的研究中，主要以該典型場景為案例，展開對柔性直流輸電技術(shù)在孤立電網(wǎng)供電中應(yīng)用的說明。當前，實際組織展開海上石油鉆井平臺的作業(yè)期間，需要電能作為主要動能支持，促使多種機械設(shè)備能夠正常運行，此時需要向海上石油鉆井平臺持續(xù)提供更為充足且高質(zhì)量的電能。而一般情況下，海上石油鉆井平臺的現(xiàn)實設(shè)置位置具有較為明顯的特殊性，需要在距離供電位置較遠的地方搭建，換言之，實際所需要的供電距離普遍維持在偏大狀態(tài)下。基于這樣的情況，如果利用傳統(tǒng)的交流高壓輸電網(wǎng)提供電能支持，則難以切實滿足現(xiàn)實需要。通過柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用，就能夠?qū)崿F(xiàn)對電能長距離傳輸、供應(yīng)難題的有效解決，以此更好支持海上石油鉆井平臺等類似孤立電網(wǎng)的供電質(zhì)量的提升。

3.4 在城市中心區(qū)供電中的應(yīng)用

當前，城市化發(fā)展進程加速，使得實際應(yīng)用于城市電網(wǎng)交流電走廊建設(shè)的空間呈現(xiàn)出隨之縮減的發(fā)展趨勢，所需要投入的成本有所提升，對城市電力系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展產(chǎn)生了一定程度的制約。與架空交流線路相比，直流電纜在實際架設(shè)期間所需要的空間大小更小，且能夠產(chǎn)生更大的輸電量，所以有著更為理想的應(yīng)用優(yōu)勢。同時，將柔性直流輸電技術(shù)實際應(yīng)用于對城市輸電網(wǎng)的建設(shè)、優(yōu)化改造實踐中，可達到有效解決現(xiàn)實城市電網(wǎng)中頻繁發(fā)生的短路電流問題的效果，為城市電力系統(tǒng)運行管理中潮流涌動合理控制工作的展開提供了有力支持，從而達到對城市電網(wǎng)運行質(zhì)量以及穩(wěn)定性進行有效提高的效果。

3.5 在改善電能質(zhì)量中的應(yīng)用

當前，對于一些用電負荷相對較高的生產(chǎn)行業(yè)與企業(yè)而言，在利用電能展開實際的生產(chǎn)作業(yè)期間，出現(xiàn)沖擊負荷、不對稱負荷、非線性負荷等現(xiàn)象的概率普遍保持在相對較高的水平。此時，此時所產(chǎn)生的不正常負荷，會直接影響電力系統(tǒng)中的電壓數(shù)據(jù)，導(dǎo)致電壓顯現(xiàn)出不同程度的波動狀態(tài)。當不正常負荷問題較為嚴重的情況下，會促使整個電力系統(tǒng)的運行發(fā)生異常，使得其他電力用戶無法正常用電。

而通過應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)對上述問題的有效規(guī)避。實踐中，依托柔性直流輸電技術(shù)的使用對高負荷用電單位的輸電線路進行完善與改造，能夠?qū)崿F(xiàn)對整個電網(wǎng)中無功功率以及有功功率的合理化控制，以此確保電力系統(tǒng)的電壓長時間保持在合理、正常水平，為全網(wǎng)的電力用戶正常、安全提供電能，滿足所有電力用戶的現(xiàn)實用電需要。

3.6 在優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

對于交流大電網(wǎng)而言，其實際所具備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度保持在偏高水平，潮流自然分布。在發(fā)生較為嚴重的故障時，電網(wǎng)潮流會發(fā)生大范圍的轉(zhuǎn)移，從而引發(fā)較大規(guī)模的停電事故。為避免上述問題的發(fā)生，需要結(jié)合柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)落實優(yōu)化調(diào)整，以此促使電網(wǎng)本質(zhì)的安全水平得到進一步提高[3]。

現(xiàn)階段，在我國的大電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程實踐中，柔性直流輸電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。如在送端云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)異步互聯(lián)的魯西背靠背工程中，應(yīng)用了柔性直流輸電技術(shù)進行對大電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化（如圖1所示）。在該工程建設(shè)前，云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)構(gòu)建起了西電東送的主網(wǎng)架構(gòu)，其中有超過70%的功率在實際運輸期間應(yīng)用了直流通道。在發(fā)生現(xiàn)實故障問題后，對于原有直流通道的潮流而言，其會迅速、大量向著交流通道內(nèi)移動，在這樣的情況下，發(fā)生系統(tǒng)同步失穩(wěn)的概率隨之提高。而該項目的投產(chǎn)建設(shè)，促使云南送端電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)的異步互聯(lián)成為現(xiàn)實，實現(xiàn)了交流潮流大規(guī)模轉(zhuǎn)移問題的有效規(guī)避，降低發(fā)生系統(tǒng)同步失穩(wěn)問題的概率。使用了交流與直流并聯(lián)運行的模式。

圖1 云南異步互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

3.7 在減小多回直流同時換相失敗的安全風(fēng)險中的應(yīng)用

半控型器件為直流電路中較為常用的一種器件，對于電網(wǎng)換相高度依賴，存在發(fā)生換相失敗問題的可能性。在多回直流集中饋入的受端電網(wǎng)中，交流與直流相互影響的情況更加明顯。在交流電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障問題后，對于直流而言，其實際隨之產(chǎn)生換相失敗的可能性有所增大，與之相對應(yīng)的是，大量的功率會在瞬間顯現(xiàn)出跌落狀態(tài)。基于這樣的情況，若是不及時使用切除的方式對交流故障問題展開處理，那么必然會隨之導(dǎo)致多回直流換相失敗問題的持續(xù)性發(fā)生，情況嚴重時，可能會導(dǎo)致直流閉鎖，從而引起大規(guī)模的停電事故[4]。

而通過柔性直流輸電技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用，就能夠達到規(guī)避上述問題發(fā)生的效果，實現(xiàn)對多回直流同時換相失敗的安全風(fēng)險的有效降低。對于柔性直流而言，其主要使用了全控型器件，換相過程屬于自換相，所以不存在發(fā)生換相失敗問題的可能性。柔性直流可快速地獨立控制在P、Q平面內(nèi)所具有的4個象限內(nèi)，所包含的有功功率、無功功率。在實際檢測到交流系統(tǒng)產(chǎn)生故障之后，柔性直流可以迅速面向交流系統(tǒng)，向其提供容量允許范圍內(nèi)的動態(tài)無功功率、有功功率。結(jié)合某直流工程A站在運行中產(chǎn)生的交流故障問題為案例，進行具體說明。

在實踐中發(fā)現(xiàn)，當檢測到交流故障問題發(fā)生后，A換流站的故障相交流電壓呈現(xiàn)出了明顯降低的變化趨勢，且該數(shù)值降低能夠達到故障前的標幺值（0.34），而在直流側(cè)，電壓顯現(xiàn)出了相對明顯的穩(wěn)定性；在電流發(fā)生改變的大背景下，可以觀察到，直流傳輸功率顯現(xiàn)出了一定程度的波動，且這種波動相對較小。在整個故障的發(fā)生期間，柔性直流實現(xiàn)了對大量無功支撐的有效提供，約1000MVA。而與之相對應(yīng)的是，在該故障發(fā)生階段，與A換流站距離較近的三回傳統(tǒng)直流均產(chǎn)生的換相失敗問題。另外，將柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用能夠緩解直流與交流相互影響的情況。

與當前應(yīng)用常規(guī)直流方案的受端換流站相比，應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù)的A換流站在實際的運行管理實踐中，更為有效地實現(xiàn)了對衡量交流與直流相互影響程度的多直流有效短路比為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性持續(xù)降低問題的控制，明顯降低了直流同時換相失敗的風(fēng)險區(qū)的范圍。