王鵬飛，翟永杰

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林 長春 130041）

0 引 言

隨著電力需求的不斷增長和可再生能源的廣泛應(yīng)用，高壓直流配電網(wǎng)作為一種具有高效、靈活、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢的電力傳輸方式，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸嶄露頭角。為了更好地理解和應(yīng)對高壓直流配電網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)，文章深入研究了其關(guān)鍵技術(shù)，并通過分析和探討，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供有益的參考。

1 高壓直流配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

1.1 主要組成部分及功能

高壓直流配電網(wǎng)的主要組成部分包括直流發(fā)電站、直流變電站以及直流負(fù)荷中心。其中，直流發(fā)電站負(fù)責(zé)將交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能；直流變電站用于輸送和分配直流電能；直流負(fù)荷中心則是電能的最終使用地[1]。這3 個(gè)主要組成部分協(xié)同工作，構(gòu)成了高壓直流配電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)。

直流發(fā)電站中，直流發(fā)電機(jī)組是關(guān)鍵組件，通過將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生直流電。直流變電站則包括直流變流器、直流斷路器等設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)電能的輸送和分配。直流負(fù)荷中心則涵蓋了電力用戶、工業(yè)設(shè)備等，是電能的最終消耗者。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的交流電配電網(wǎng)相比，高壓直流配電網(wǎng)的輸電損耗較低，能夠有效減少電能在傳輸過程中的能量損失。而且高壓直流配電網(wǎng)的調(diào)度特點(diǎn)比較靈活，能夠適應(yīng)不同電力系統(tǒng)的需要，有效提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率。

高壓直流配電網(wǎng)具有較高的穩(wěn)定性，對電力系統(tǒng)中的瞬態(tài)擾動(dòng)和不穩(wěn)定因素有很強(qiáng)的抵抗能力，能夠提高電網(wǎng)可靠性[2]。此外，高壓直流配電網(wǎng)的反應(yīng)速度較快，在應(yīng)對電力系統(tǒng)突發(fā)事件時(shí)具有更大的優(yōu)勢。

1.3 現(xiàn)有問題與挑戰(zhàn)

高壓直流配電網(wǎng)在技術(shù)上具有顯著的優(yōu)勢，但在應(yīng)用過程中仍然面臨一些挑戰(zhàn)，主要有2 個(gè)方面：一方面，高壓直流變流器等核心設(shè)備的制造費(fèi)用相對較高，造成投資和建設(shè)費(fèi)用較大；另一方面，由于直流電路存在電弧等問題，其安全性和可靠性的保障有待提高。

在實(shí)際運(yùn)行中，高壓直流配電網(wǎng)需要與傳統(tǒng)交流電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)，涉及電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度和運(yùn)行等多方面的問題。電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和多變性給高壓直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來了一定的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步研究。

2 高壓直流電源技術(shù)研究

2.1 高壓直流發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與優(yōu)化

高壓直流發(fā)電機(jī)組作為高壓直流配電網(wǎng)的核心組件，其設(shè)計(jì)與優(yōu)化直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和效率。在設(shè)計(jì)階段，需要綜合考慮機(jī)組的功率密度、效率和響應(yīng)速度等指標(biāo)[3]。

在優(yōu)化階段，需要綜合考慮材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及控制策略的制定。優(yōu)化的目標(biāo)通常是最大化系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性以及可靠性。為提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，可以引入控制算法，如模型預(yù)測控制，其數(shù)學(xué)模型可表示為

式中：u(t)為控制輸入；x(t)為系統(tǒng)狀態(tài)；J為性能指標(biāo)。

模型預(yù)測控制通過在有限時(shí)域內(nèi)優(yōu)化控制輸入，精確調(diào)控系統(tǒng)。

2.2 高壓直流變流器技術(shù)

高壓直流變流器是電能轉(zhuǎn)換過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定高壓直流配電網(wǎng)的輸電質(zhì)量和效率。在技術(shù)方面需要重視變流器的功率密度轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度等關(guān)鍵性能，在設(shè)計(jì)和研發(fā)方面需要兼顧材料結(jié)構(gòu)散熱等因素，以達(dá)到高效的電能轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，為降低對環(huán)境的影響，人們對于高壓直流變流器的設(shè)計(jì)和工藝提出了更高的要求。

技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵在于采用先進(jìn)的半導(dǎo)體器件、優(yōu)化控制算法以及提高變流器的智能化水平。這些舉措能夠精確調(diào)控電能，有效提升整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。重視變流器的可靠性和穩(wěn)定性可以保證高壓直流電源系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，因此在技術(shù)革新上要高度重視變流器[4]。

2.3 高壓直流電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

評價(jià)高壓直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要綜合考慮發(fā)電機(jī)組、變流器、負(fù)荷等多種因素。在不同工況下綜合評價(jià)高壓直流電源系統(tǒng)，是保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行的必要舉措。其中，解決動(dòng)態(tài)響應(yīng)和擾動(dòng)下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)行為，以及適應(yīng)不確定因素在電力系統(tǒng)中的作用，顯得尤為重要。

穩(wěn)定性分析包括對系統(tǒng)頻域和時(shí)域響應(yīng)的研究，如傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬方法和基于仿真的數(shù)值模擬方法。先進(jìn)的控制策略和智能算法的引入有助于增強(qiáng)整個(gè)高壓直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而提升系統(tǒng)對外部擾動(dòng)的堅(jiān)固性。

3 智能電網(wǎng)技術(shù)在高壓直流配電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 智能監(jiān)控與故障檢測

智能監(jiān)控系統(tǒng)是高壓直流配電網(wǎng)中必不可少的一部分，它利用數(shù)據(jù)處理和模型算法，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，并通過監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)，快速發(fā)現(xiàn)潛在的故障和異常，從而全面監(jiān)控電力設(shè)備。

智能監(jiān)控系統(tǒng)在故障檢測上，能夠通過分析電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，快速識別和定位系統(tǒng)中可能發(fā)生的故障，并通過實(shí)時(shí)故障診斷，快速制定修復(fù)措施，縮短系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。智能監(jiān)控系統(tǒng)的流程如圖1所示。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的流程

3.2 數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化控制策略

數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化控制策略是智能電網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)組成部分，對高壓直流配電網(wǎng)運(yùn)行效益與性能的提高具有十分關(guān)鍵的作用。運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析方法可以深入挖掘系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的規(guī)律性和演變趨勢，從而為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供科學(xué)的基礎(chǔ)。

在優(yōu)化控制策略方面，智能電網(wǎng)技術(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和外部環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)電能[5]。引入人工智能算法和模型預(yù)測控制技術(shù)，可以更好地適應(yīng)系統(tǒng)的非線性和時(shí)變特性，提升系統(tǒng)適應(yīng)性。

3.3 高壓直流電網(wǎng)的自動(dòng)化運(yùn)維系統(tǒng)

自動(dòng)化運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用是在高壓直流配電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)，該系統(tǒng)將傳感器網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和智能控制系統(tǒng)融為一體，自動(dòng)監(jiān)測檢修調(diào)度和管理電力設(shè)備，在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的在線巡檢和維護(hù)，因此提高了系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率。智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用效果的對比如表1 所示，高壓直流配電網(wǎng)在智能監(jiān)控與故障檢測、數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化控制策略以及自動(dòng)化運(yùn)維方面均呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。在優(yōu)化控制效果方面，高壓直流電網(wǎng)的自動(dòng)化運(yùn)維系統(tǒng)的故障檢測準(zhǔn)確率達(dá)到98%，為電網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的支持。同時(shí)，自動(dòng)化運(yùn)維系統(tǒng)能提高35%的運(yùn)維效率，在大幅減少人為操作的同時(shí)，提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，高壓直流配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用探索在提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、優(yōu)化控制策略以及提高故障檢測準(zhǔn)確率方面表現(xiàn)出了巨大的潛力和優(yōu)勢，對未來智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。

表1 智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用效果比較

4 高壓直流電網(wǎng)與電力系統(tǒng)互聯(lián)的相關(guān)內(nèi)容

4.1 高壓直流與交流系統(tǒng)的互聯(lián)與協(xié)同

高壓直流與交流系統(tǒng)的互聯(lián)與協(xié)同是提高電力系統(tǒng)整體效率和靈活性的重要手段。通過建立高壓直流與交流系統(tǒng)之間的連接，可以實(shí)現(xiàn)不同電力系統(tǒng)之間的能量傳輸和共享。這種互聯(lián)機(jī)制有助于跨越不同地域、不同電力系統(tǒng)之間的能量交換，提高電力系統(tǒng)的整體資源利用率。

在互聯(lián)的過程中，協(xié)同運(yùn)行是關(guān)鍵研究內(nèi)容。高壓直流電網(wǎng)作為靈活調(diào)度的手段，可以通過與交流系統(tǒng)協(xié)同，靈活調(diào)度和分配電能。

4.2 潮流控制與電力平衡問題

潮流控制與電力平衡問題是高壓直流電網(wǎng)與電力系統(tǒng)互聯(lián)中的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，由于直流電網(wǎng)具有較高的調(diào)度靈活性，因此需要綜合考慮其與交流系統(tǒng)的潮流分布和平衡問題。研究潮流控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高壓直流電網(wǎng)與交流系統(tǒng)之間的電能平衡，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

電力平衡問題涉及不同電力系統(tǒng)之間的功率匹配和協(xié)同運(yùn)行，引入智能電網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和調(diào)整電力系統(tǒng)，使得電網(wǎng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下保持平衡。

4.3 互聯(lián)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用案例

通過高壓直流與交流系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在某一國家電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用案例中的協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)和資源優(yōu)化?；ヂ?lián)互通技術(shù)的應(yīng)用在提高整個(gè)電力系統(tǒng)效率的同時(shí)，在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面也取得顯著的效益。

國家電力系統(tǒng)通過互聯(lián)互通技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，順利實(shí)現(xiàn)了高壓直流和交流系統(tǒng)之間的順暢切換和互補(bǔ)性操作。通過智能電網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出功率，制定數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化控制策略。據(jù)統(tǒng)計(jì)，互聯(lián)互通技術(shù)的應(yīng)用，使電力系統(tǒng)整體能源利用效率提高超過20%。

電力系統(tǒng)引入潮流控制技術(shù)調(diào)節(jié)電流分布，最大限度地提高了傳輸效率，解決了電力平衡問題。在互聯(lián)互通技術(shù)的支持下，潮流控制技術(shù)有效解決了電力平衡問題，顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了能源損耗。在過去一年中，聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用為全國電力系統(tǒng)節(jié)約大量電能。

5 結(jié) 論

文章通過深入研究智能化監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)化運(yùn)行維護(hù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化管理，同時(shí)研究交流系統(tǒng)的高壓直流電網(wǎng)互聯(lián)互通技術(shù)，提供靈活調(diào)度電力系統(tǒng)的新思路。未來將不斷探索推動(dòng)高壓直流配網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展，助力電力系統(tǒng)向著更加智能、可靠且高效的方向發(fā)展。