熊旭 張顏真 許卉

摘 要：文章介紹了柔性直流輸電工程國(guó)內(nèi)外應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)柔性直流輸電在相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域、工程應(yīng)用情況等進(jìn)行了總結(jié)和分析，分析了柔性直流輸電工程發(fā)展的前景，進(jìn)而說(shuō)明了其對(duì)未來(lái)電網(wǎng)模式發(fā)展是一種必然趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電；優(yōu)勢(shì)；工程應(yīng)用

1 概述

柔性直流輸電技術(shù)概念于20世紀(jì)80年代提出，特別是在伴隨著包括電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)微處理技術(shù)等多方面的發(fā)展，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展進(jìn)化，柔性直流輸電技術(shù)在當(dāng)前形勢(shì)下，演變發(fā)展以來(lái)產(chǎn)生的諸多關(guān)鍵性問(wèn)題逐漸得到一一解決，此技術(shù)（柔性直流輸電技術(shù)）在HVDC以及HVAC系統(tǒng)中得到了越來(lái)越多的相關(guān)人員及專(zhuān)業(yè)的重視。

2 柔性直流輸電相關(guān)技術(shù)介紹

2.1 柔性直流輸電工程中的換流器技術(shù)

柔性直流輸電的換流器根據(jù)換流器橋臂的等效特性，可分為：可控電源型和可控開(kāi)關(guān)型兩類(lèi)?？煽仉娫葱徒涣髌髌鋼Q流橋臂等效為可控電壓源，其儲(chǔ)能電容分散于各橋臂中，并且通過(guò)改變某橋臂的等效電壓，就能間接改變交流側(cè)輸出的電壓。可控開(kāi)關(guān)型換流器通過(guò)適當(dāng)?shù)拿}寬調(diào)制技術(shù)控制橋臂的開(kāi)通與關(guān)斷，其換流橋臂可以等效為可控開(kāi)關(guān)，從而將直流側(cè)電壓傳遞到交流側(cè)。

無(wú)論是兩電平還是半橋型模塊化多電平換流器，于目前投入工程應(yīng)用的換流器技術(shù)中，同時(shí)全橋式和鉗位雙子模塊型模塊化多電平換流器，均存有不可在直流故障下實(shí)現(xiàn)交直流系統(tǒng)隔離的問(wèn)題。在直流電壓急劇降低時(shí)，仍然可以支撐交流電壓，究其原因可以使橋臂等效輸出電壓為負(fù)值，從而實(shí)現(xiàn)抑制交流側(cè)短路電流的目的。

2.2 柔性直流輸電系統(tǒng)中的主接線設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)中的變電站主接線設(shè)計(jì)是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的重中之重。柔性直流輸電換流站中采用兩電平、三電平換流器，其站址一般采用在直流側(cè)中性點(diǎn)接地的方式，原因在于電壓等級(jí)過(guò)高，而我國(guó)交流電網(wǎng)110kV及以上的電力系統(tǒng)大多都采用中性點(diǎn)直接接地的方式。與此同時(shí)采用模塊化多電平的柔性直流輸電系統(tǒng)則一般采用交流側(cè)接地的方式，和國(guó)家電網(wǎng)公司設(shè)計(jì)規(guī)程吻合。而上述這些接地特點(diǎn)及方式都是單極對(duì)稱系統(tǒng)，當(dāng)換流器或直流線路發(fā)生故障后，整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓，進(jìn)而無(wú)法正常運(yùn)行，雖然正常情況下不需要單獨(dú)設(shè)置專(zhuān)門(mén)接地，但在系統(tǒng)參數(shù)配置相同情況下，直流側(cè)的不對(duì)稱還將造成換流器所連接的交流側(cè)電壓水平的大幅度提升。單極不對(duì)稱系統(tǒng)換流閥所耐受電壓是單極對(duì)稱系統(tǒng)的兩倍，水平較大。

為了降低直流側(cè)故障的發(fā)生率，大多數(shù)柔性直流輸電工程采用電纜作為傳輸線路，因此大多數(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)傳輸線路采用單極結(jié)構(gòu)，而一般采用的是并聯(lián)形式作為相應(yīng)連接方式的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，由于并聯(lián)型式具有線路損耗更小、調(diào)節(jié)范圍更大、擴(kuò)建方式更靈活，這樣既可以保證換流器工作在同一電壓水平，又能有更好的經(jīng)濟(jì)性。與此同時(shí)，采用單個(gè)換流器造價(jià)等成本會(huì)更低，同時(shí)可靠性會(huì)更高。

2.3 柔性直流輸電保護(hù)與控制研究

HVDC系統(tǒng)的保護(hù)配置原則上需要同時(shí)滿足繼電保護(hù)的四性，即可靠性、選擇性、靈敏性、速動(dòng)性原則，并且易于運(yùn)行維護(hù)。保護(hù)輸電系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的安全及正常運(yùn)行，是柔性直流輸電工程中其保護(hù)系統(tǒng)的主要功能，如果發(fā)生故障，即在故障工況下，其保護(hù)系統(tǒng)能夠迅速切除故障及其相關(guān)的不正常的運(yùn)行設(shè)備，且能盡可能的保證不停電，并以能夠保證其他電氣相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行?；谀K化多電平系統(tǒng)換流器保護(hù)策略大致可分為換流器保護(hù)、交流側(cè)保護(hù)和直流區(qū)域保護(hù)，兩者主要的區(qū)別在于具體的保護(hù)算法設(shè)計(jì)和保護(hù)區(qū)分。

3 應(yīng)用領(lǐng)域與相關(guān)研究現(xiàn)狀

3.1 應(yīng)用領(lǐng)域

目前來(lái)看，根據(jù)柔性直流輸電技術(shù)的相關(guān)特點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于輸電系統(tǒng)工程中的案例有如下幾點(diǎn)，譬如：新能源及可再生能源的接入問(wèn)題、電網(wǎng)的孤島供電問(wèn)題、地區(qū)城市的供電可靠性問(wèn)題、智能電網(wǎng)（Smart Grid）聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)等相關(guān)的領(lǐng)域。

（1）可以緩解功率波動(dòng)引起的電壓波動(dòng)，改善電能質(zhì)量。用于可再生能源接入，譬如：風(fēng)電、太陽(yáng)能等功率輸出波動(dòng)較大的新能源及可再生能源等。

（2）通過(guò)對(duì)有功及無(wú)功功率的控制，用于向中心城市供電，以解決電能質(zhì)量問(wèn)題，譬如電壓閃變等，提高系統(tǒng)運(yùn)行的的穩(wěn)定性，并且同時(shí)可以完成城市電網(wǎng)的改造增容，另外對(duì)中心城市供電時(shí)，可做到無(wú)電磁干擾及不影響城市的市容，在中心城市負(fù)荷需求和環(huán)保節(jié)能要求下，達(dá)到滿足之要求。

（3）可用于解決大電網(wǎng)的異步互聯(lián)問(wèn)題，電網(wǎng)間功率互換，解決大規(guī)模電網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及短路電流超標(biāo)等問(wèn)題，鑒于其快速獨(dú)立調(diào)節(jié)無(wú)功、不提供短路電流等技術(shù)。

（4）可大幅減少經(jīng)濟(jì)人力投資及運(yùn)行管理等費(fèi)用?？沙浞职l(fā)揮其可自換相的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于遠(yuǎn)離海岸的海島及海上石油天然氣等鉆井平臺(tái)的供電。

3.2 國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用現(xiàn)狀

至2012年年底，全世界投入柔性直流輸電工程建設(shè)的柔性直流輸電工程已經(jīng)投入運(yùn)行的有13個(gè)，其中有6個(gè)用于電網(wǎng)間互聯(lián)，4個(gè)用于風(fēng)電廠接入電網(wǎng)，2個(gè)用于海上鉆井平臺(tái)供電，1個(gè)用于大型城市的供電。

我國(guó)研究起步較晚。但在國(guó)家電網(wǎng)公司的努力下，一代又一代的電網(wǎng)人在柔性直流輸電工程技術(shù)研究與應(yīng)用方面做出了巨大的努力和貢獻(xiàn)。前些年無(wú)論是高校還是電力科研院所對(duì)于柔直的研究都集中在兩電平換流器（也就是VSC）柔性直流輸電系統(tǒng)建模與仿真分析（0和1）等方面，對(duì)于實(shí)際工程技術(shù)領(lǐng)域的研究很少有涉及，很少能結(jié)合實(shí)際做一些事情。于2006年以來(lái)，國(guó)內(nèi)研究各大高校及電力科研院所等單位陸續(xù)開(kāi)展了基于模塊化多電平（MMC）的柔性直流輸電工程技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，在理論及技術(shù)層面上都取得了突破性的研究進(jìn)展，中國(guó)首條柔性直流輸電示范工程于2011年7月在上海南匯投運(yùn)。這是第一次做示范工程，也是大膽嘗試工程實(shí)際。國(guó)家電網(wǎng)公司近期又在舟山地區(qū)電網(wǎng)建成一個(gè)5端柔性直流輸電工程，建設(shè)規(guī)模系統(tǒng)總?cè)萘?000MW，包含5個(gè)換流站，其中最大的換流站容量為400MW，電壓等級(jí)為±500kV。目前來(lái)看，該工程的建設(shè)與實(shí)施在其應(yīng)用領(lǐng)域提供可行性工程實(shí)際及研發(fā)平臺(tái)，另外該工程是當(dāng)今世界上端數(shù)最多的柔性直流輸電工程，為后期的建設(shè)和發(fā)展提供相關(guān)技術(shù)和工程實(shí)踐上的參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著柔性直流系統(tǒng)有效提升其輸送容量，大容量的可關(guān)斷元器件及直流電纜等設(shè)備技術(shù)研發(fā)及生產(chǎn)水平的不斷提高，使柔性直流輸電在目前乃至未來(lái)成為電網(wǎng)可采用的主要輸電方式。柔性直流電技術(shù)已經(jīng)是世界各國(guó)電力行業(yè)發(fā)展的努力發(fā)展方向。隨著全球氣候變化溫室效應(yīng)等災(zāi)害的發(fā)生，以及能源日漸枯竭等問(wèn)題的日趨嚴(yán)峻，迫切需要能夠可持續(xù)，和諧的，且更為Smart、clean、efficient、reliable，隨著新能源并網(wǎng)消納及可再生能源電網(wǎng)發(fā)展、智能電網(wǎng)（smart grid）升級(jí)改造等等需求的響應(yīng)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，世界范圍內(nèi)的柔性直流輸電工程應(yīng)用將會(huì)獲得更快更迅猛的發(fā)展。其發(fā)展天地更為廣闊。未來(lái)電網(wǎng)的模式發(fā)展更加適應(yīng)發(fā)展，必將是大勢(shì)所趨。

參考文獻(xiàn)

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[2]湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009：21-24.

作者簡(jiǎn)介：熊旭（1980，10-），女，福建蒲城人，國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司工程師，主要研究柔性直流輸電。