饒 宏，周月賓，李巍巍，鄒常躍，王澤青

（1. 直流輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司），廣東省廣州市 510663；2. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省廣州市 510640）

0 引言

直流輸電輸送距離遠(yuǎn)、輸電容量大、經(jīng)濟(jì)性好，是“西電東送”的主要形式。截至2021 年底，中國(guó)特高壓直流輸電工程的輸送容量已經(jīng)超過(guò)130 GW，為中國(guó)能源資源大范圍優(yōu)化配置發(fā)揮了重要作用［1］。2021 年，中國(guó)提出“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，風(fēng)電、光伏等新能源將成為未來(lái)新增電源的主要形式。2030 年，以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電光伏基地規(guī)劃建設(shè)總裝機(jī)容量預(yù)計(jì)達(dá)到455 GW 以上（其中外送315 GW，就地消納140 GW），而這些新能源距離中、東部負(fù)荷中心距離遙遠(yuǎn)，大規(guī)模新能源跨區(qū)消納將是國(guó)家重大需求。海上風(fēng)電也逐步向深遠(yuǎn)海發(fā)展，預(yù)計(jì)新增裝機(jī)容量超過(guò)100 GW。中國(guó)新能源開(kāi)發(fā)利用對(duì)直流輸電的需求非常迫切，規(guī)模有望在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻一番。

柔性直流（voltage sourced converter based high voltage direct current，VSC-HVDC）輸 電 是 新 一 代的直流輸電技術(shù)，自1990 年概念提出，距今已有三十多年的發(fā)展歷史，憑借控制靈活、諧波含量低、擴(kuò)展性強(qiáng)、可全穿越交流系統(tǒng)故障、可向交流系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐、可向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電等突出優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展［2-3］。目前，柔性直流輸電技術(shù)已在風(fēng)電送出、電網(wǎng)互聯(lián)、無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電和遠(yuǎn)距離大容量輸電等場(chǎng)景取得了充分發(fā)展和工程應(yīng)用，其輸電能力已經(jīng)達(dá)到特高壓等級(jí)，與基于晶閘管的傳統(tǒng)高壓 直 流（line commutated converter based HVDC，LCC-HVDC）輸電相當(dāng)，在歐洲等部分地區(qū)甚至已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)直流輸電［4］。柔性直流輸電已經(jīng)成為直流輸電的發(fā)展趨勢(shì)，正在深刻影響著電網(wǎng)的發(fā)展格局，將是未來(lái)新能源送出的重要技術(shù)手段。

雙碳背景下，大規(guī)模新能源通過(guò)電力電子變換器接入電網(wǎng)，將面臨諸多挑戰(zhàn)。在送端電網(wǎng)，千萬(wàn)千瓦級(jí)新能源基地?cái)?shù)以萬(wàn)計(jì)純電力電子變流器組網(wǎng)的運(yùn)行特性和穩(wěn)定機(jī)理不明確，新能源發(fā)電基地與直流輸電系統(tǒng)優(yōu)化配置和協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制難度較大；在受端電網(wǎng)，中國(guó)已經(jīng)形成的多直流復(fù)雜電網(wǎng)在不斷增加接納直流輸電容量的同時(shí)，將進(jìn)一步疊加高比例新能源電力，現(xiàn)有的直流輸電控制保護(hù)技術(shù)和多直流電網(wǎng)安全運(yùn)行控制技術(shù)難以支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；在環(huán)境條件方面，超高海拔、高地震烈度、強(qiáng)宇宙射線和高鹽霧等苛刻環(huán)境條件將對(duì)直流輸電裝備和基礎(chǔ)材料提出更高要求。

針對(duì)上述發(fā)展需要，本文首先對(duì)柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，以多個(gè)代表性的柔性直流輸電工程為例，系統(tǒng)性地闡述了中國(guó)柔性直流輸電技術(shù)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)啟示，重點(diǎn)介紹了柔性直流輸電技術(shù)在新能源送出、電網(wǎng)互聯(lián)和遠(yuǎn)距離大容量輸電的典型應(yīng)用及工程運(yùn)行情況。最后，分析了新型電力系統(tǒng)下柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展前景和所面臨的挑戰(zhàn)，為其發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

1 柔性直流輸電技術(shù)概況

1.1 柔性直流輸電的基本原理

柔性直流輸電是基于電壓源型換流器的新一代直流輸電技術(shù)，采用全控型功率器件，如絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT），能夠獨(dú)立控制輸出電壓的幅值、頻率和相位三大特征量。柔性直流輸電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖如附錄A 圖A1 所示，通過(guò)控制換流器閥側(cè)的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的功率交換。有功功率主要通過(guò)控制閥側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)電壓的相角差實(shí)現(xiàn)，無(wú)功功率主要通過(guò)控制閥側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)電壓的幅值差實(shí)現(xiàn)。

換流器是柔性直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能交直流變換的核心。工程中采用的換流器拓?fù)渲饕袃呻娖健⒍O管鉗位型三電平和模塊化多電平換流器（modular multi-level converter，MMC）三 種［5-6］。兩電平和三電平拓?fù)浯嬖谥C波含量大、開(kāi)關(guān)頻率高損耗大、多器件串聯(lián)的動(dòng)靜態(tài)均壓等問(wèn)題［7］，電壓和容量提升困難。為此，MMC 應(yīng)運(yùn)而生［8］。MMC 采用模塊化設(shè)計(jì)，具有輸出電壓質(zhì)量高、無(wú)需濾波器、開(kāi)關(guān)頻率低、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)柔性直流輸電工程，其基本結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A2 所示。

為解決直流線路故障清除難題，在MMC 基礎(chǔ)上，多種具備直流故障自清除能力的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被提出，比如鉗位雙子模塊拓?fù)?、半壓鉗位子模塊拓?fù)洹霕蚝腿珮蚧煊猛負(fù)涞龋?-11］。目前，工程應(yīng)用的子模塊主要有半橋和全橋兩種，其基本結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A3 所 示。

1.2 柔性直流輸電工程的發(fā)展現(xiàn)狀

1997 年，在瑞士中部的赫爾斯揚(yáng)完成了首次柔性直流輸電的工業(yè)試驗(yàn)；1999 年，第一個(gè)商業(yè)化的Gotland 柔性直流輸電工程在瑞典建成投運(yùn)；2000 年，Direct-Link 柔性直流輸電工程投運(yùn)，容量首次突破100 MW。由于國(guó)外公司獨(dú)有的功率器件串聯(lián)升壓技術(shù)，早期的兩電平和三電平柔性直流輸電工程被其壟斷。中國(guó)自主開(kāi)展了柔性直流輸電技術(shù)的研究工作，隨著MMC 的出現(xiàn)，中國(guó)同期開(kāi)始了MMC 型柔性直流輸電的工程技術(shù)研究工作。2010年，世界上第一個(gè)基于MMC 的柔性直流輸電工程——Trans Bay Cable 工程建成投運(yùn)；中國(guó)于2011年投運(yùn)了上海南匯柔性直流輸電工程，打破了國(guó)外對(duì)該技術(shù)的壟斷［12-13］。此后，中國(guó)的柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展迅速，2013 年投運(yùn)了世界首個(gè)多端柔性直流輸電工程——南澳柔性直流輸電工程；2015 年投運(yùn)了廈門(mén)柔性直流輸電工程，輸送容量進(jìn)一步提升至1 000 MW；2016 年投運(yùn)了魯西背靠背工程，首次將柔性直流輸電應(yīng)用于“西電東送”主電網(wǎng)。2020 年，世界首個(gè)特高壓柔性直流輸電工程——昆柳龍直流工程建成投產(chǎn)；同年，世界首個(gè)基于柔性直流輸電技術(shù)的直流電網(wǎng)工程——張北直流電網(wǎng)工程竣工投產(chǎn)［14-16］。

目前，國(guó)際上已經(jīng)投運(yùn)的柔性直流輸電工程數(shù)量達(dá)到51 個(gè)，總變電容量超過(guò)60 GW。其中，風(fēng)電送出工程17 項(xiàng)，電網(wǎng)互聯(lián)工程28 項(xiàng)，城市高密度負(fù)荷中心供電工程2 項(xiàng)，海上平臺(tái)供電工程4 項(xiàng)。多端柔性直流輸電工程共有4 項(xiàng)。中國(guó)已建成投運(yùn)或規(guī)劃建設(shè)的柔性直流輸電工程包括12 項(xiàng)，詳細(xì)情況如表1 所示。表中，IEGT 為注入增強(qiáng)型絕緣柵晶體管，BIGT 為雙模式絕緣柵晶體管。

表1 中國(guó)的柔性直流輸電工程Table 1 VSC-HVDC transmission projects in China

可以說(shuō)，模塊化多電平技術(shù)的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了柔性直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局由獨(dú)家壟斷發(fā)展為充分競(jìng)爭(zhēng)，柔性直流輸電工程的輸電電壓、輸送容量快速增加，單位投資成本大幅下降。以中國(guó)早期和近期的柔性直流輸電工程為例，核心設(shè)備柔性直流輸電換流閥的投資成本由2013 年 南 澳 工 程 的 約1 500 元/kW 下 降 至2022 年 廣東背靠背工程的約450 元/kW，下降幅度達(dá)到了70%。未來(lái)，隨著IGBT、電容器等核心元件的進(jìn)一步國(guó)產(chǎn)化，成本還將進(jìn)一步下降。另一方面，模塊化多電平技術(shù)使柔性直流換流閥的開(kāi)關(guān)頻率大幅降低至200 Hz 以內(nèi)，極大地降低了換流閥的運(yùn)行損耗，目前換流閥、變壓器、橋臂電抗器等全站主設(shè)備的損耗總和已經(jīng)低至0.85%左右。

1.3 柔性直流輸電與傳統(tǒng)直流輸電的比較

表2 為柔性直流輸電與傳統(tǒng)直流輸電的主要對(duì)比。由于所用換流元件的根本性差異，傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電對(duì)電網(wǎng)的需求是不同的。傳統(tǒng)直流輸電的送受兩端都要有穩(wěn)定、足夠強(qiáng)度的交流系統(tǒng)；柔性直流輸電不但不依賴電網(wǎng)，而且能夠主動(dòng)構(gòu)網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)提供強(qiáng)支撐。在輸電能力方面，盡管柔性直流輸電已經(jīng)達(dá)到特高壓等級(jí)，但是受限于器件的通流能力，輸送容量還無(wú)法達(dá)到傳統(tǒng)直流輸電的最高水平。在經(jīng)濟(jì)性方面，圖1 給出了傳統(tǒng)直流輸電與柔性直流輸電的主設(shè)備損耗和投資分布的比較。由圖可知，傳統(tǒng)直流輸電的變壓器損耗略高于換流閥；柔性直流換流閥成本可以占據(jù)總設(shè)備成本的一半以上，而傳統(tǒng)直流輸電的變壓器成本占比較高。

圖1 傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電的主設(shè)備損耗與投資分布比較Fig.1 Comparison of losses and investment distributions of main equipment between LCC-HVDC transmission and VSC-HVDC transmission

表2 柔性直流輸電與傳統(tǒng)直流輸電的技術(shù)特性對(duì)比Table 2 Technical characteristic comparison of VSC-HVDC transmission and LCC-HVDC transmission

2 中國(guó)柔性直流輸電技術(shù)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

2.1 柔性直流輸電技術(shù)用于新能源送出

柔性直流輸電最早商業(yè)化運(yùn)行即是解決風(fēng)電送出問(wèn)題，近年來(lái)被大量應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)送出，如歐洲北海的DolWin2、DolWin3 和BorWin3 等工程，現(xiàn)已成為深遠(yuǎn)海風(fēng)電送出的主要方式。中國(guó)早期的柔性直流輸電工程，如南匯、南澳、舟山等工程，也考慮了當(dāng)?shù)仫L(fēng)電消納需求。本文以南澳工程為例，介紹柔性直流輸電用于風(fēng)電送出的關(guān)鍵功能。南澳工程采用并聯(lián)多端方式，直流電壓為±160 kV，分別將南澳島金牛站100 MW 和青澳站50 MW 風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)直流匯集輸送至汕頭主電網(wǎng)［17］，附錄A 圖A4 給出了該工程的主回路接線。

附錄A 圖A5 給出了該工程在2015 年10 月份的功率波動(dòng)曲線，可以看出柔性直流輸電很好地適應(yīng)了風(fēng)電的波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)力較小時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)出力不足以滿足島上居民負(fù)荷用電，柔性直流輸電通過(guò)快速控制將功率反送至島上，為南澳島負(fù)荷和風(fēng)電場(chǎng)維持供電，出現(xiàn)風(fēng)電功率波動(dòng)時(shí)，能夠進(jìn)行快速跟蹤調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)功率平衡。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)處于孤島方式時(shí)，柔性直流輸電利用黑啟動(dòng)能力，將受端電網(wǎng)能量反送，為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)提供穩(wěn)定的交流電壓和頻率支撐。此時(shí)，受端換流站工作在定直流電壓控制模式，送端換流站工作在定交流電壓和頻率控制模式。該模式是柔性直流輸電實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)黑啟動(dòng)和穩(wěn)定可靠送出的基礎(chǔ)控制。圖2為該工程黑啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果。圖中，在3 s 時(shí)系統(tǒng)解鎖，40 s 時(shí)直流電壓達(dá)到額定值，隨后風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的交流電壓穩(wěn)步達(dá)到額定值，風(fēng)電場(chǎng)逐步并網(wǎng)；VSC 表示電壓源換流器。

圖2 南澳工程青澳站黑啟動(dòng)試驗(yàn)波形圖Fig.2 Waveforms of black-start test of Qing’ao station in Nan’ao project of China

南澳工程是中國(guó)首個(gè)百千伏百兆瓦級(jí)柔性直流輸電工程，其成功實(shí)施為中國(guó)后續(xù)柔性直流輸電的技術(shù)研發(fā)、集成設(shè)計(jì)、裝備研制、系統(tǒng)試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)體系奠定了良好基礎(chǔ)，也為中國(guó)未來(lái)海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)利用提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。中國(guó)于2021 年實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電送出的突破，建成了±400 kV/1 100 MW 如東海上風(fēng)電柔性直流輸電示范工程，目前正在研發(fā)±525 kV 等級(jí)的柔性直流輸電送出技術(shù)方案。

2.2 柔性直流輸電技術(shù)用于電網(wǎng)互聯(lián)

隨著輸電電壓等級(jí)和傳輸容量的進(jìn)一步提升，柔性直流輸電開(kāi)始逐步應(yīng)用于電網(wǎng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)交流電網(wǎng)的電力交換，并提高已有交流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平，如國(guó)外的法西聯(lián)網(wǎng)工程、德國(guó)—挪威NordLink 工程，中國(guó)的魯西背靠背工程、渝鄂背靠背工程等。

本文以魯西背靠背工程為例，介紹柔性直流輸電技術(shù)用于電網(wǎng)互聯(lián)的主要優(yōu)勢(shì)。該工程位于云南與廣西交界的羅平縣，通道總?cè)萘繛? 000 MW，近區(qū)電網(wǎng)較弱，最小短路容量?jī)H3 300 MV·A。因此，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，方案上采用了柔性直流輸電與傳統(tǒng)直流輸電共站建設(shè)。附錄A 圖A6 所示為該工程主回路接線，采用2 個(gè)傳統(tǒng)直流輸電單元和1 個(gè)柔性直流輸電單元并聯(lián)的方式。傳統(tǒng)直流輸電單元的參數(shù)為±160 kV/1 000 MW；柔性直流輸電單元的參數(shù)為±350 kV/1 000 MW，具備300 Mvar 無(wú)功補(bǔ)償能力。采用柔性直流輸電技術(shù)后，首先避免了弱系統(tǒng)條件下全部采用傳統(tǒng)直流輸電可能導(dǎo)致的系統(tǒng)無(wú)法恢復(fù)風(fēng)險(xiǎn)；其次能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)調(diào)壓，減少了傳統(tǒng)直流輸電濾波器的小組數(shù)，節(jié)約了用地約5 000 m2。

圖3 給出了同一個(gè)受端交流系統(tǒng)故障時(shí)柔性直流輸電單元和傳統(tǒng)直流輸電單元的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形。圖中：LCC 表示電網(wǎng)換相換流器。故障前，二者分別傳輸500 MW 有功功率，柔性直流輸電單元與電網(wǎng)交換的無(wú)功功率為零，傳統(tǒng)直流輸電單元從交流側(cè)吸收了約300 Mvar 無(wú)功功率，該部分無(wú)功功率由濾波器進(jìn)行補(bǔ)償。試驗(yàn)設(shè)置的故障點(diǎn)距離換流站約15 km，在交流發(fā)生故障后，故障相交流母線電壓跌落至0.2 p.u.，柔性直流輸電單元的傳輸功率降低至300 MW，沒(méi)有發(fā)生中斷，而傳統(tǒng)直流輸電單元由于換相失敗原因傳輸功率降低為0，出現(xiàn)了短時(shí)間中斷。無(wú)功功率方面，傳統(tǒng)直流輸電單元在換相失敗恢復(fù)過(guò)程中，從交流側(cè)最大吸收了約600 Mvar無(wú)功功率，此時(shí)的交流濾波器投切組合尚未變化，這意味著交流電網(wǎng)需要提供大量無(wú)功功率幫助傳統(tǒng)直流輸電單元換相失敗恢復(fù)，而柔性直流輸電單元在故障期間向交流系統(tǒng)提供了約400 Mvar 的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，支撐交流電網(wǎng)恢復(fù)。

圖3 魯西背靠背工程柔性直流輸電單元與傳統(tǒng)直流輸電單元在交流側(cè)故障時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.3 Dynamic response curves of VSC-HVDC and LCC-HVDC during AC-side fault in Luxi back-to-back project of China

魯西背靠背工程是中國(guó)首次將千兆瓦級(jí)柔性直流輸電應(yīng)用于“西電東送”主電網(wǎng)，其成功實(shí)施一方面提高了中國(guó)柔性直流輸電的裝備制造能力，另一方面提高了對(duì)柔性直流輸電與主電網(wǎng)交互影響方面的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。比如，工程中發(fā)現(xiàn)交流故障時(shí)IGBT器件對(duì)故障電流比較敏感，易引發(fā)過(guò)電流閉鎖，導(dǎo)致故障穿越失?。蝗嵝灾绷鬏旊娕c交流電網(wǎng)存在高頻諧振的固有特性，危害設(shè)備安全運(yùn)行［18-19］。這些問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和解決，進(jìn)一步推動(dòng)了中國(guó)柔性直流輸電的高可靠換流閥、低鏈路延時(shí)控制保護(hù)及閥控、滿足超高速保護(hù)需求的100 kHz 純光測(cè)量等裝備和交流故障全穿越、高頻諧振抑制等控制方法的進(jìn)步，為柔性直流輸電未來(lái)在主電網(wǎng)更大范圍的推廣應(yīng)用奠定了技術(shù)和工程實(shí)踐基礎(chǔ)。

2.3 柔性直流輸電技術(shù)用于遠(yuǎn)距離架空線輸電

截至2019 年，國(guó)際上的柔性直流輸電工程基本采用兩電平、三電平和半橋型MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于反并聯(lián)二極管可以構(gòu)成不控整流電路，這些拓?fù)湓谥绷鱾?cè)極間短路故障時(shí)，交流系統(tǒng)、換流器和故障點(diǎn)會(huì)構(gòu)成短路通路，無(wú)法憑借換流器控制清除故障，必須通過(guò)跳開(kāi)交流開(kāi)關(guān)來(lái)清除故障，停電時(shí)間長(zhǎng)。如非洲Caprivi-Link 工程，直流電壓為-350 kV（僅有直流負(fù)極），輸電容量為300 MW，輸電距離970 km，通過(guò)跳閘交流斷路器并快速重合閘來(lái)清除直流側(cè)故障，故障清除和功率恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1.5 s 以上，難以滿足大電網(wǎng)穩(wěn)定需要［20］。自該工程后長(zhǎng)達(dá)10 年，國(guó)際上始終沒(méi)有新的架空線應(yīng)用于柔性直流輸電工程，主要采用故障率非常低的電纜線路。而對(duì)于中國(guó)“西電東送”場(chǎng)景的直流輸電，輸電距離長(zhǎng)達(dá)1 000 km 以上，沿線走廊地理環(huán)境復(fù)雜多變，直流線路采用造價(jià)高昂的電纜是不現(xiàn)實(shí)的，必須采用架空線輸電線路，而架空線輸電線路由于雷擊等原因發(fā)生暫時(shí)性故障的概率高，為了保障工程的可靠性，需要解決的核心問(wèn)題是架空線故障的快速清除。

一種思路是通過(guò)研發(fā)新型柔性直流換流閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使柔性直流輸電系統(tǒng)具備直流線路故障自清除能力并實(shí)現(xiàn)快速重新啟動(dòng)。該方法需要改進(jìn)換流閥拓?fù)洌靸r(jià)高于半橋拓?fù)?，但故障清除與換流閥能力融合，故障清除和重啟策略便捷，線路能量主要泄放至換流閥的儲(chǔ)能電容或交流電網(wǎng)中。中國(guó)的昆柳龍直流工程即采取了該技術(shù)路線，換流器為半橋和全橋混合型MMC，國(guó)外公司依托德國(guó)Ultranet 工程正在研發(fā)全橋型MMC 的技術(shù)方案。

另一種思路是采用直流斷路器阻隔直流故障電流，該方法需新增直流斷路器設(shè)備，適合組網(wǎng)。中國(guó)南澳多端柔性直流輸電工程和舟山五端柔性直流輸電工程后期改造示范即采用了該技術(shù)方案，張北直流電網(wǎng)工程也采取了直流斷路器方案［15，21-22］。

本文以昆柳龍直流工程為例，重點(diǎn)介紹該工程在第一種思路方面取得的主要技術(shù)突破。昆柳龍直流工程是落點(diǎn)廣東的第10 回高壓直流輸電工程，將烏東德水電站的電力輸送至兩廣負(fù)荷中心，輸電距離為1 452 km，輸送容量為8 000 MW。如附錄A 圖A7 所示，受端采用柔性直流輸電技術(shù)后，受端電網(wǎng)最小多直流有效短路比由第10 回采用傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)的2.1 提高至2.65，比原有9 回直流最小多直流有效短路比2.4 提高了約11%，將引發(fā)全部直流同時(shí)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)縮小了50%。柔性直流輸電技術(shù)扭轉(zhuǎn)了多直流有效短路比持續(xù)下降的趨勢(shì)，有效降低了多直流饋入電網(wǎng)的多直流同時(shí)換相失敗風(fēng)險(xiǎn)，提高了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平［23］。

1）特高壓柔性直流輸電技術(shù)

已有柔性直流輸電工程主要采用對(duì)稱(chēng)單極結(jié)構(gòu)或?qū)ΨQ(chēng)雙極單閥結(jié)構(gòu)，直流電壓僅達(dá)到±500 kV 等級(jí)。昆柳龍直流工程首次采用了對(duì)稱(chēng)雙極雙閥組均衡串聯(lián)的典型結(jié)構(gòu)，將柔性直流輸電工程的輸電電壓提升至±800 kV，雙閥組接線可實(shí)現(xiàn)單個(gè)閥組在線投、退，保證特高壓直流系統(tǒng)的可靠性不降低。同時(shí)，采用高低壓閥組均衡串聯(lián)接線結(jié)構(gòu)，便于柔性直流換流站與送端特高壓傳統(tǒng)直流換流站匹配，提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性。主要挑戰(zhàn)是定功率控制的高低閥組電壓均衡控制、變壓器閥側(cè)接地等極端故障時(shí)換流閥內(nèi)部過(guò)電壓的抑制、閥組獨(dú)立投退控制等。附錄A 圖A8 所示為昆柳龍直流工程的電氣主接線圖。

2）柔性直流遠(yuǎn)距離架空線故障自清除技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)直流線路瞬時(shí)性故障清除和重啟動(dòng)，受端柔性直流換流器首次使用“全橋+半橋”的混合型MMC 拓?fù)浞桨?，采用主?dòng)降壓控制方法，利用全橋子模塊輸出負(fù)壓將直流電流控制為零，配合送端傳統(tǒng)直流換流站的快速移相，可以在百毫秒級(jí)別（不計(jì)設(shè)定的去游離時(shí)間）實(shí)現(xiàn)直流線路故障快速自清除和重啟動(dòng)。在滿足工程應(yīng)用對(duì)直流側(cè)故障自清除、快速重啟動(dòng)要求的同時(shí)，采用混合型MMC 方案與采用全橋設(shè)計(jì)技術(shù)方案相比，能夠降低IGBT 器件用量，降低設(shè)備投資，同時(shí)還可以降低運(yùn)行損耗。

圖4 給出了該工程直流線路故障清除與重啟動(dòng)的典型試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，當(dāng)直流線路故障檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到故障后，送端昆北站快速啟動(dòng)緊急移相策略，將觸發(fā)角快速調(diào)整至164°，柳州站和龍門(mén)站柔性直流換流站自動(dòng)切換至定直流電流控制策略，控制目標(biāo)值設(shè)置為零。通過(guò)該策略，柳州站和龍門(mén)站的直流電流在10 ms 內(nèi)快速降低過(guò)零；經(jīng)過(guò)設(shè)定的400 ms 去游離時(shí)間后，直流開(kāi)始恢復(fù)功率，約100 ms 直流功率恢復(fù)至故障前的90%。

圖4 昆柳龍直流工程直流線路故障清除與重啟動(dòng)Fig. 4 Fault clearance and restart of DC transmission line in Kunliulong UHVDC project of China

3）混合多端直流輸電技術(shù)

工程的送端云南側(cè)采用傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)，技術(shù)更加成熟且更具經(jīng)濟(jì)性，而對(duì)于受端方案的選擇，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了傳統(tǒng)直流+柔性直流、傳統(tǒng)直流+傳統(tǒng)直流、柔性直流+柔性直流的方案對(duì)比［24］。對(duì)于多端直流輸電系統(tǒng)，當(dāng)傳統(tǒng)直流逆變站由于受端交流故障發(fā)生換相失敗時(shí)，相當(dāng)于直流極間短路故障，給多端直流系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。受端采用柔性直流輸電技術(shù)時(shí)可避免本回直流換相失敗，不增加多直流饋入系統(tǒng)換相失敗概率；受端均采用柔性直流輸電技術(shù)，任一受端發(fā)生交流故障時(shí)不會(huì)波及另一受端電力輸送，有利于提高三端直流輸電系統(tǒng)的可靠性。因此，對(duì)于混合多端的直流輸電系統(tǒng)，多個(gè)并聯(lián)逆變站適宜全部采用柔性直流輸電技術(shù)。

圖5 給出了昆柳龍直流工程在受端交流故障試驗(yàn)時(shí)的結(jié)果。由圖可知，發(fā)生交流故障時(shí)，龍門(mén)換流站故障相交流電壓跌落至0.34 p.u.，換流站直流側(cè)電壓基本保持穩(wěn)定，由于電流發(fā)生變化，直流傳輸功率出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，換流站在交流故障期間提供了高達(dá)1 000 Mvar 的無(wú)功支撐。

圖5 昆柳龍直流工程龍門(mén)站交流故障響應(yīng)曲線Fig.5 AC fault response curves of Longmen station in Kunliulong UHVDC project of China

昆柳龍直流工程運(yùn)行至今穩(wěn)定可靠，經(jīng)受了長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行考驗(yàn)。全部可靠清除了已發(fā)生的19 次直流線路故障，與研究結(jié)果、設(shè)計(jì)預(yù)期吻合，穿越了全部發(fā)生的17 次交流短路故障，并快速、準(zhǔn)確提供無(wú)功支撐。截至2022 年10 月，工程累計(jì)送電量超過(guò)48.5 TW·h 時(shí)。該工程的成功實(shí)踐，證明了柔性直流輸電技術(shù)已經(jīng)具備特高壓輸電能力，完全適應(yīng)遠(yuǎn)距離大容量輸電場(chǎng)景，并且可以與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)構(gòu)成一種新的直流輸電系統(tǒng)，為中國(guó)“西電東送”的持續(xù)實(shí)施提供了新的解決方案。

3 柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展前景和挑戰(zhàn)

3.1 柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展前景

據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)10 年國(guó)外新增柔性直流輸電工程的數(shù)量將達(dá)到50 個(gè)以上，新增容量預(yù)計(jì)超過(guò)60 GW。目前，歐洲大陸、北美地區(qū)等都已規(guī)劃基于柔性直流輸電技術(shù)的工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域聯(lián)網(wǎng)。歐洲“超級(jí)電網(wǎng)”計(jì)劃將柔性輸電作為骨干網(wǎng)架和主要路線，提高歐洲電網(wǎng)可再生能源的消納利用［4］。

在“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)下，中國(guó)新能源將迎來(lái)快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2030 年風(fēng)電光伏總裝機(jī)容量達(dá)到12 TW 以上，“以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系”成為國(guó)家重大需求。為實(shí)現(xiàn)更大范圍資源優(yōu)化配置大平臺(tái)，中國(guó)南方電網(wǎng)已明確提出“新建直流受端以柔性直流為主，存量直流逐步實(shí)施柔性直流改造”。可見(jiàn)，作為新能源并網(wǎng)消納、電網(wǎng)互聯(lián)和遠(yuǎn)距離輸電的重要方式，柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展前景十分廣闊。

從國(guó)內(nèi)外應(yīng)用需求來(lái)看，柔性直流輸電技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向主要有千萬(wàn)千瓦級(jí)大規(guī)模新能源發(fā)電基地柔性直流送出、更大容量的海上風(fēng)電柔性直流送出、多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)和高壓大容量柔性直流新裝備等。

3.2 千萬(wàn)千瓦級(jí)大規(guī)模新能源發(fā)電基地柔性直流送出

沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)的大規(guī)模風(fēng)光基地將是中國(guó)新能源新增裝機(jī)的主要部分，如何送出消納將是重大課題。國(guó)外也在積極探索大型光伏基地送出方法，如澳大利亞正在論證計(jì)劃將北部達(dá)爾文地區(qū)的大量光伏資源經(jīng)柔性直流輸電技術(shù)送電至新加坡，采用海底電纜的輸電距離長(zhǎng)達(dá)4 200 km，送電容量約為3 200 MW。

中國(guó)的這類(lèi)地區(qū)人口稀少，本地消納水平有限，大量電力需要外送，但是電源基地距離中、東部負(fù)荷中心遙遠(yuǎn)，可達(dá)2 500 km，直流送出的經(jīng)濟(jì)性更好。但電源側(cè)網(wǎng)架薄弱，風(fēng)、光、水、火、儲(chǔ)等多類(lèi)型發(fā)電方式互補(bǔ)聯(lián)合運(yùn)行，早期階段甚至只有風(fēng)光新能源孤島送出，系統(tǒng)運(yùn)行特性和穩(wěn)定機(jī)理復(fù)雜；中、東部受端地區(qū)電網(wǎng)多直流饋入特征明顯，受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)突出。送、受端電網(wǎng)的特性決定了大規(guī)模新能源基地采用柔性直流輸電技術(shù)送出將是重要的技術(shù)方案。本文從送端、直流線路和受端3 個(gè)角度，分析該方案面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1）送端大規(guī)模新能源的組網(wǎng)問(wèn)題

大規(guī)模新能源基地可能包括風(fēng)、光、水、火、儲(chǔ)等多種類(lèi)型電源，根據(jù)電源建設(shè)時(shí)序，不同階段呈現(xiàn)不同的電網(wǎng)形態(tài)。

一種類(lèi)型是新能源基地送端電源系統(tǒng)是100%新能源構(gòu)成的，沒(méi)有常規(guī)電源支撐，慣量近乎為零。這類(lèi)電網(wǎng)是由成千上萬(wàn)個(gè)電力電子變換器組網(wǎng)構(gòu)成的，其中，柔性直流換流器是最大的電力電子變換器，負(fù)責(zé)整個(gè)電網(wǎng)的功率平衡。在這類(lèi)電網(wǎng)中，柔性直流輸電可以通過(guò)反送功率為送端新能源基地提供并網(wǎng)所需的電壓和頻率支撐，實(shí)現(xiàn)新能源電站黑啟動(dòng)。但是，目前對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行特性和穩(wěn)定機(jī)理研究尚不清晰，規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制等關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。面臨的突出問(wèn)題有：1）寬頻振蕩。柔性直流輸電本身的控制在寬頻帶均有響應(yīng)，部分頻帶存在負(fù)阻尼。因此，相比新能源接入交流電網(wǎng)，新能源通過(guò)柔性直流輸電送出的電網(wǎng)中更容易發(fā)生寬頻振蕩，解決辦法主要包括優(yōu)化新能源換流器和柔性直流輸電系統(tǒng)的控制策略與參數(shù)、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式或者增加無(wú)源阻尼設(shè)備等。除此以外，還要關(guān)注次/超同步諧振風(fēng)險(xiǎn)。2）交流保護(hù)靈敏度不足。送端交流電網(wǎng)故障時(shí)，故障特性高度受控于柔性直流輸電與新能源集群的暫態(tài)控制策略，傳統(tǒng)的短路電流計(jì)算和整定方法難以適應(yīng)，可以通過(guò)優(yōu)化電力電子設(shè)備暫態(tài)控制策略、優(yōu)化交流保護(hù)等方式解決。

另一種類(lèi)型是新能源基地送端電源系統(tǒng)是新能源和水電或火電構(gòu)成的，形成弱同步支撐。在這類(lèi)高比例電力電子電網(wǎng)中，系統(tǒng)慣量極低。由于柔性直流輸電沒(méi)有交流濾波器，而且具備動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償能力，其暫態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題沒(méi)有“新能源基地+傳統(tǒng)直流”系統(tǒng)嚴(yán)峻，但仍需關(guān)注無(wú)功問(wèn)題。與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)不同，柔性直流輸電可以根據(jù)系統(tǒng)需要采用跟網(wǎng)控制或構(gòu)網(wǎng)控制，主動(dòng)提供系統(tǒng)所需的電壓和頻率支撐。當(dāng)柔性直流輸電采取電壓頻率控制時(shí)，將與常規(guī)電源的電壓頻率特性相互作用，容易發(fā)生低頻振蕩。

2）超遠(yuǎn)距離架空線問(wèn)題

直流輸電線路增加至2 500 km 甚至更長(zhǎng)，線路存儲(chǔ)的能量增加，可能導(dǎo)致故障熄弧時(shí)間增加，需要對(duì)換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障自清除控制策略、控制器參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)送端為孤島發(fā)電基地時(shí)，發(fā)生直流線路故障或者直流單極閉鎖故障后，由于發(fā)電側(cè)出力無(wú)法快速降低，送端大量盈余功率缺乏耗散通道，極可能引起直流健康極過(guò)壓過(guò)流閉鎖風(fēng)險(xiǎn)以及送端電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定問(wèn)題，導(dǎo)致新能源脫網(wǎng)、直流線路故障清除與重啟動(dòng)失敗，甚至引發(fā)雙極閉鎖。如何解決直流故障時(shí)送端電網(wǎng)的盈余功率是保障直流穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

3）提升受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的問(wèn)題

柔性直流輸電可以通過(guò)快速輸出無(wú)功功率提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，但當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能否穿越故障是決定柔性直流輸電能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵。一方面，柔性直流輸電要保持良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高頻諧振抑制能力，但二者往往難以兼顧，由于控制器鏈路延時(shí)、控制參數(shù)和采樣濾波等環(huán)節(jié)作用，柔性直流換流閥可能在故障瞬間發(fā)生過(guò)電流，觸發(fā)器件電流保護(hù)，引發(fā)交流故障穿越失敗。另一方面，由于控制器電流限幅的作用，受端換流器的輸出功率受限，送端不能快速反應(yīng)降低輸入有功功率，送、受端功率不平衡導(dǎo)致直流側(cè)高過(guò)電壓，可能引發(fā)直流過(guò)壓閉鎖，導(dǎo)致交流故障穿越失敗。直流側(cè)盈余功率處理、換流器動(dòng)態(tài)性能和高頻諧振抑制能力的綜合優(yōu)化將是受端交流故障穿越設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

目前，柔性直流輸電接入受端電網(wǎng)時(shí)基本采用跟網(wǎng)型控制，主要目標(biāo)是傳輸功率，同時(shí)為電網(wǎng)提供無(wú)功支撐。未來(lái)，隨著基于電力電子變換器新能源發(fā)電和柔性直流輸電等大規(guī)模發(fā)展和高比例接入，電力系統(tǒng)的慣量將會(huì)逐步下降，系統(tǒng)的頻率將更加敏感，頻率穩(wěn)定問(wèn)題會(huì)更加突出。從電力電子變換器的角度出發(fā)，構(gòu)網(wǎng)型控制是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的有效手段。通過(guò)構(gòu)網(wǎng)控制，可以進(jìn)一步發(fā)掘柔性直流輸電的調(diào)頻能力和慣量支撐能力，但由于對(duì)外呈現(xiàn)電壓源外特性，交流故障時(shí)面臨更加嚴(yán)峻的限流保護(hù)和故障穿越挑戰(zhàn)［25］。

3.3 更大容量的海上風(fēng)電柔性直流送出

在海上風(fēng)電送出方面，高可靠、低成本的海上風(fēng)電集中送出始終是重要研究方向。柔性直流輸電工程目前的最高容量為1 100 MW，更高等級(jí)的送出方案（±525 kV/2 000～3 000 MW）正處于研發(fā)當(dāng)中，示范工程有望在未來(lái)2 至3 年內(nèi)投入應(yīng)用。

更大規(guī)模海上風(fēng)電集中送出能夠有效降低送出成本。根據(jù)初步測(cè)算，百公里輸電距離下，單回±500 kV/2 000 MW 比兩回±320 kV/1 000 MW方案單位容量送出成本降低20%左右。因此，為滿足未來(lái)億千瓦級(jí)海上風(fēng)電基地開(kāi)發(fā)和電網(wǎng)消納需求，需要數(shù)百萬(wàn)千萬(wàn)，甚至千萬(wàn)千瓦級(jí)海上風(fēng)電匯集組網(wǎng)直送負(fù)荷中心，其主要難點(diǎn)是多端協(xié)調(diào)控制，以及電纜和架空線混合輸電系統(tǒng)的直流側(cè)故障高速高精度定位、電纜故障的快速隔離、架空線故障的快速清除與再啟動(dòng)等。

此外，海上風(fēng)電中頻匯集直流送出、風(fēng)機(jī)全直流組網(wǎng)、低頻送出等新型柔性并網(wǎng)技術(shù)也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，需要評(píng)估不同送出方式的經(jīng)濟(jì)性［26］。在技術(shù)層面，需要深入研究系統(tǒng)運(yùn)行特性、控制保護(hù)技術(shù)和精確模擬仿真驗(yàn)證方法，建立非標(biāo)裝備的研制和試驗(yàn)技術(shù)體系。

3.4 多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)

目前的直流輸電系統(tǒng)均為端對(duì)端、多端或直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具有單一電壓等級(jí)。直流電網(wǎng)具備冗余的輸電通道，能夠大范圍實(shí)現(xiàn)多種能源類(lèi)型的時(shí)空互補(bǔ)，是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。中國(guó)于2020 年建成世界上第一個(gè)直流電網(wǎng)工程，實(shí)現(xiàn)了直流組網(wǎng)的基礎(chǔ)理論、控制保護(hù)、關(guān)鍵裝備和系統(tǒng)集成的突破。為了適應(yīng)未來(lái)更大規(guī)模、更大海域海上風(fēng)電基地送出需要，連接不同電壓等級(jí)的直流系統(tǒng)，多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)的概念近年來(lái)被提出［26］。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功率調(diào)節(jié)、故障隔離等技術(shù)還未得到系統(tǒng)研究，而且缺乏直流變壓器和直流潮流控制器等核心裝備支撐。從工程應(yīng)用現(xiàn)實(shí)來(lái)看，多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)在短期內(nèi)尚無(wú)技術(shù)需求。

就其技術(shù)特征而言，涉及的核心裝備主要有直流斷路器、直流變壓器和直流潮流控制器等。依托南澳、舟山和張北工程，中國(guó)已經(jīng)在直流斷路器方面取得了突破，電壓等級(jí)可達(dá)±535 kV，開(kāi)斷電流達(dá)到25 kA，更高電壓和開(kāi)斷能力還需未來(lái)進(jìn)一步研發(fā)。直流變壓器分為隔離型和非隔離型兩類(lèi)，但目前都處于低電壓、小功率的示范應(yīng)用階段，適應(yīng)輸電系統(tǒng)需要的高壓大容量直流變壓器還處于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、仿真計(jì)算和原理樣機(jī)驗(yàn)證階段。直流潮流控制器是直流電網(wǎng)中的潮流優(yōu)化調(diào)節(jié)設(shè)備，當(dāng)直流電網(wǎng)線路數(shù)量大于等于換流站數(shù)量時(shí)，可用于避免部分線路過(guò)載，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)線損，目前還處于拓?fù)湓砗蛯?shí)驗(yàn)室樣機(jī)論證階段。

3.5 含高比例新能源的交直流大電網(wǎng)仿真分析技術(shù)

高精度仿真是掌握電網(wǎng)特性、驗(yàn)證電網(wǎng)演化路徑的重要技術(shù)手段。由于直流模型的局限性，傳統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真無(wú)法滿足中國(guó)交直流復(fù)雜大電網(wǎng)研究分析需要。為此，中國(guó)已經(jīng)研發(fā)了基于全電磁暫態(tài)的全景電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真方法。以中國(guó)南方電網(wǎng)為例，仿真平臺(tái)包含了所有直流和500 kV/220 kV 交流電網(wǎng)，并且連接了實(shí)際的直流控制保護(hù)裝置，既能夠真實(shí)反映直流輸電的微秒級(jí)動(dòng)態(tài)過(guò)程，又能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)各大區(qū)間機(jī)群的功角穩(wěn)定特性［27］。

隨著中國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的推進(jìn)，超大規(guī)模新能源接入多直流復(fù)雜電網(wǎng)，系統(tǒng)將面臨仿真對(duì)象更加多樣、仿真規(guī)模更加龐大、動(dòng)態(tài)過(guò)程更加復(fù)雜等挑戰(zhàn)，現(xiàn)有仿真技術(shù)已無(wú)法適應(yīng)。為了滿足疊加高比例新能源的全景交直流大電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真研究分析對(duì)精度和規(guī)模的要求，需進(jìn)一步突破能夠精確模擬電力電子高頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的微秒級(jí)仿真建模方法、風(fēng)光新能源場(chǎng)站全拓?fù)鋱?chǎng)景實(shí)時(shí)仿真方法和支撐更大仿真規(guī)模的高效高精度仿真解算方法。

3.6 高壓大容量柔性直流核心裝備

1）柔性直流換流閥

換流閥是柔性直流輸電的“心臟”，其核心元件是電力電子器件、干式電容器和二次控制板卡等。

在電力電子器件方面，柔性直流輸電工程目前主要采用IGBT，成熟應(yīng)用的最高參數(shù)為4 500 V/3 000 A，5 000 A IGBT 已在研發(fā)測(cè)試中。在海上風(fēng)電應(yīng)用中，為降低模塊數(shù)量，提高換流閥緊湊性，6 500 V 等級(jí)的IGBT 也在研發(fā)測(cè)試中。更高電壓、更大電流的IGBT 需要更大尺寸封裝結(jié)構(gòu)和更多芯片并聯(lián)，在保證器件可靠性的同時(shí)，多芯片并聯(lián)壓力均衡及靜動(dòng)態(tài)均流等技術(shù)難度極高，子模塊大容量電容器儲(chǔ)能也對(duì)其防護(hù)設(shè)計(jì)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

與IGBT 相比，由于更高的阻斷電壓、更低的通態(tài)壓降和成本，集成門(mén)極換流晶閘管（integrated gate commutated thyristor，IGCT）近年來(lái)成為柔性直流輸電用功率器件的研究熱點(diǎn)。中國(guó)已經(jīng)研制出基于4 500 V/5 000 A IGCT 的柔性直流換流閥試驗(yàn)樣機(jī)，在部分中低壓直流配網(wǎng)工程中，也已有小規(guī)模示范應(yīng)用。總體來(lái)看，基于IGCT 的柔性直流換流閥目前還處于起步階段，IGCT 換流閥樣機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景、運(yùn)行工況、設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等還未達(dá)到高壓大容量柔性直流輸電工程的高可靠要求，還需要進(jìn)一步研發(fā)和試用測(cè)試。

另一個(gè)研究熱點(diǎn)是寬禁帶半導(dǎo)體器件，如碳化硅（silicon carbide，SiC）。相比傳統(tǒng)的硅器件，其耐受電壓、工作溫度和通流密度更高，且損耗更低，將其應(yīng)用于柔性直流輸電，將對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝備制造和試驗(yàn)體系帶來(lái)革命性變化，重點(diǎn)在于萬(wàn)伏級(jí)SiC IGBT 器件的技術(shù)突破。但是，由于材料、芯片和封裝等技術(shù)工藝和成本問(wèn)題，SiC 目前主要在小容量工程中探索和示范應(yīng)用，短期內(nèi)尚無(wú)法應(yīng)用于高壓大容量直流輸電工程。

目前，中國(guó)柔性直流換流閥的裝備集成技術(shù)已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，但是換流閥電力電子器件、直流電容器等核心元件和控制芯片仍然依賴進(jìn)口。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)化也取得了一定進(jìn)展，2017 年成功研制出4 500 V/3 600 A 壓接型IGBT，并在昆柳龍、廣東背靠背等工程中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用突破，尤其在廣東背靠背工程中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整整流逆變單元的100%使用。

柔性直流輸電使用的電容器為干式金屬化膜電容器，采用聚丙烯薄膜作為儲(chǔ)能電介質(zhì)，具有可自愈、能量密度高、電容量大、損耗小、無(wú)油環(huán)保、長(zhǎng)壽命等技術(shù)特點(diǎn)。目前，中國(guó)柔性直流輸電工程已經(jīng)使用超過(guò)10 萬(wàn)只電容器，全部為進(jìn)口品牌。中國(guó)已經(jīng)初步具備采用國(guó)產(chǎn)薄膜制造樣機(jī)的能力，且研制出干式電容器樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)少量試用，但還未形成批量生產(chǎn)能力。核心制約是電容膜聚丙烯（PP）粒料要求極低的灰分和高等規(guī)度等，工藝條件苛刻，生產(chǎn)技術(shù)集中在少數(shù)國(guó)外公司手中。

柔性直流換流閥的二次板卡主要包括取能電源、控制板、驅(qū)動(dòng)等。工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，造成子模塊旁路的絕大部分故障都是板卡級(jí)故障，其中，取能電源和主控板故障占比超過(guò)50%。二次板卡包含數(shù)十種運(yùn)算、存儲(chǔ)、隔離和采樣等主要芯片，目前基本依賴進(jìn)口。國(guó)產(chǎn)化研制工作也取得了一定進(jìn)展，相關(guān)機(jī)構(gòu)也已經(jīng)研制出全國(guó)產(chǎn)化的閥段樣機(jī)，有待工程進(jìn)一步長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)。

2）直流電纜

在海上風(fēng)電送出、海底電纜輸電等場(chǎng)景，直流電纜是制約柔性直流輸電電壓和輸送容量的關(guān)鍵。由于輸送容量大、工作溫度高、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、無(wú)漏油風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，柔性直流輸電工程中主要使用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣高壓直流電纜。

1998 年，世界第一條XLPE 直流電纜在Gotland工程中投運(yùn)，電壓±80 kV，全長(zhǎng)72 km。目前，國(guó)外直流電壓最高的XLPE 直流電纜為±400 kV，長(zhǎng)為140 km，輸電能力為1 400 MW，已經(jīng)在英國(guó)—比利時(shí)Nemo Link 工程投運(yùn)。近10 年，中國(guó)高壓直流電纜的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和運(yùn)行技術(shù)也取得長(zhǎng)足發(fā)展，先后實(shí)現(xiàn)了±160 kV、±200 kV、±320 kV、±400 kV 直流電纜的應(yīng)用，距離最長(zhǎng)為如東工程的103 km。當(dāng)前，中國(guó)和歐洲正在研發(fā)測(cè)試±500 kV等級(jí)XLPE 直流電纜，輸送容量可以達(dá)到2 000～2 600 MW，預(yù)計(jì)2 至3 年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。未來(lái)更高電壓等級(jí)、更大截面、更長(zhǎng)距離的直流電纜也可能出現(xiàn)。比如，2015 年歐洲提出2030 年戰(zhàn)略研發(fā)規(guī)劃，預(yù)期實(shí)現(xiàn)±1 000 kV/5 000 MW 擠包絕緣直流電纜系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以滿足可再生能源開(kāi)發(fā)與區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的需求。主要難點(diǎn)是更高運(yùn)行溫度的電纜絕緣材料、大厚度大長(zhǎng)度的擠出工藝和電纜試驗(yàn)技術(shù)等。隨著市場(chǎng)需求的推動(dòng)和技術(shù)的不斷發(fā)展，新型非交聯(lián)型電纜絕緣材料也將在未來(lái)直流工程中不斷獲得發(fā)展應(yīng)用，如德國(guó)A-Nord 和SuidOstlink 工程將采用非交聯(lián)聚烯烴絕緣電纜。

4 結(jié)語(yǔ)

柔性直流輸電作為新一代的直流輸電技術(shù)，通過(guò)30 年發(fā)展已有許多成熟的工程技術(shù)沉淀和經(jīng)驗(yàn)積累。昆柳龍、張北、廣東背靠背、如東等工程的成功實(shí)踐表明，無(wú)論是在輸電電壓、輸電容量、電纜/架空線輸電方式，還是在可靠性方面，柔性直流輸電均已經(jīng)滿足遠(yuǎn)距離大容量輸電、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)和大容量海上風(fēng)電送出需求，部分場(chǎng)景已經(jīng)具備取代傳統(tǒng)直流輸電的能力。

在全球能源變革背景和中國(guó)“雙碳”目標(biāo)下，沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)大規(guī)模光伏基地送出已經(jīng)是重大需求，新能源大規(guī)模接入和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)需求巨大，柔性直流輸電勢(shì)必將成為未來(lái)電網(wǎng)的重要輸電方式之一。隨著大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)，常規(guī)電源陸續(xù)退出，柔性直流輸電在電網(wǎng)中的角色定位、功能性能需求和環(huán)境適應(yīng)性等也將面臨新的挑戰(zhàn)，柔性直流輸電的基礎(chǔ)理論、控制保護(hù)、關(guān)鍵原材料和元部件、核心裝備及試驗(yàn)技術(shù)等將迎來(lái)全面升級(jí)，為新型電力系統(tǒng)建設(shè)發(fā)揮重要作用。

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