柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

許卉　熊旭　閆曉娜

摘 要：伴隨著新型電力電子器件IGBT的出現(xiàn)，開通和關(guān)斷均可控制，具有兩個(gè)自由度?；贗GBT的輸電方式是一種更優(yōu)的輸電方式。其豐富的控制方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，柔性直流輸電的應(yīng)用范圍越來越廣泛。文章主要對柔性直流輸電進(jìn)行簡介，首先與傳統(tǒng)技術(shù)比較，介紹了多端直流輸電以及柔性直流輸電的優(yōu)點(diǎn)，并對其的應(yīng)用進(jìn)行介紹，努力構(gòu)建我國堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)直流；柔性直流；晶閘管；IGBT；電壓源換流器

1 概述

隨著IGBT、GTO、IGCT等新型高壓大功率可控關(guān)斷電力電子器件的不斷發(fā)展，使其可承受的額定電壓、電流增大，新型換流技術(shù)基于PWM技術(shù)可將小功率及中低壓系統(tǒng)變換到高壓等級的輸電領(lǐng)域，且逐漸取代相控?fù)Q流技術(shù)。最初實(shí)現(xiàn)是ABB公司在背靠背工程、靜止無功補(bǔ)償裝置SVC和長遠(yuǎn)距離輸電等領(lǐng)域進(jìn)行工程應(yīng)用。ABB公司于20世紀(jì)90年代應(yīng)用于赫爾斯揚(yáng)示范工程，直流電壓做到±10kV，額定功率為3MW。采用具有IGBT的閥完全不同于傳統(tǒng)的晶閘管閥，并且具有可控關(guān)斷和開通能力。

2 柔性直流輸電技術(shù)簡介

2.1 晶閘管電流源型直流輸電技術(shù)

晶閘管閥不可控關(guān)斷，電流源型高壓直流輸電技術(shù)存在固有缺陷：（1）運(yùn)行時(shí)換流器要產(chǎn)生大量的低次諧波。（2）換流器需要很多的濾波和無功補(bǔ)償裝置，需吸收大量無功功率。（3）在有源逆變狀態(tài)下工作，且短路容量在受端側(cè)系統(tǒng)要求需要足夠大，否則容易造成換相失敗。（4）建設(shè)換流站的土地面積過于龐大、建設(shè)的投資巨大。

基于電流源換流技術(shù)的傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)，與純交流輸電系統(tǒng)相比較明顯具有優(yōu)勢，主要可以應(yīng)用在大容量的及長遠(yuǎn)距離輸電和交流電網(wǎng)互聯(lián)以及海底電纜輸電等領(lǐng)域。

2.2 柔性直流輸電應(yīng)用技術(shù)

近些年以來，全世界范圍內(nèi)各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅猛，大規(guī)模集成電路，電力電子器件，以及相關(guān)控制技術(shù)等方面的發(fā)展，促進(jìn)了電壓源型換流站（VSC）進(jìn)行整流從而進(jìn)行直流輸電成為現(xiàn)實(shí)，采用IGBT、IGCT等構(gòu)成。同時(shí)采用可關(guān)斷電壓源型換流器的VSC技術(shù)和PWM技術(shù)進(jìn)行直流輸電，類似于在電網(wǎng)中相應(yīng)接入對應(yīng)的一個(gè)閥門和對以的一個(gè)電源，故其電能可以做到有效方便控制，并且還能快速、靈活、可調(diào)地吸收或發(fā)出一些能量以滿足電網(wǎng)的需求，進(jìn)而做到電網(wǎng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)、電網(wǎng)潮流分布優(yōu)化、電網(wǎng)的可控性提高以及智能化電網(wǎng)。并且該類柔性直流輸電技術(shù)適用于可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)、大中城市電網(wǎng)的供電、孤島供電黑啟動(dòng)等情況。

2.3 多端口柔性直流FACTS輸電技術(shù)

將含有多個(gè)（三個(gè)及以上）的整流站或多個(gè)（三個(gè)及以上）的逆變站的柔性直流輸電系統(tǒng)，與相連接的交流系統(tǒng)通過三個(gè)或三個(gè)端口相連，即可構(gòu)成多端口的直流輸電系統(tǒng)。那么一般是由大于等于三個(gè)的換流站及與其連接換流站之間相關(guān)的直流輸電線路組成多端口直流輸電系統(tǒng)。

對于系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)問題，多個(gè)換流站中應(yīng)用控制直流電網(wǎng)電壓是用一個(gè)以電壓調(diào)節(jié)器來操作，此換流站類似于交流電網(wǎng)中的平衡節(jié)點(diǎn)。在多端柔性直流工程中，DC直流側(cè)需要建成相應(yīng)的直流網(wǎng)絡(luò)，除上述平衡節(jié)點(diǎn)外，其余各站可實(shí)現(xiàn)功率的分配。換流站可以做到整流AC-DC和逆變DC-AC，但無論是整流還是進(jìn)行逆變，按照能量守恒，整個(gè)系統(tǒng)輸入功率與輸出功率是相等的，即系統(tǒng)運(yùn)行中的總功率必須是相等的。柔性直流輸電技術(shù)具有可使電流方向改變，且可保持直流電壓極性不變，可方便構(gòu)成多端直流輸電并聯(lián)的系統(tǒng)，故目前建成的多端直流輸電工程上大都采用了柔性直流輸電技術(shù)。應(yīng)用前景及研究均十分廣闊。為了確保換流站的換流器及其他相關(guān)設(shè)備的安全，系統(tǒng)內(nèi)功率分配可通過電流調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)。多端口直流輸電系統(tǒng)可以通過多個(gè)電源同時(shí)供電或者是多個(gè)直流落點(diǎn)同時(shí)受電，且可以聯(lián)結(jié)多個(gè)交流系統(tǒng)或者將交流系統(tǒng)分成若干個(gè)孤立運(yùn)行的小電網(wǎng)、微電網(wǎng)，在電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)此多端口結(jié)構(gòu)可便捷地控制相關(guān)的直流電壓，將其維持在規(guī)定的允許范圍以內(nèi)。

3 柔性直流輸電技術(shù)優(yōu)勢

至今，具備了較好的工程應(yīng)用條件的大容量高壓柔性直流輸電技術(shù)已在我國國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的共同努力下建成了多個(gè)示范性工程，這將對我國大規(guī)模輸送電能以及未來的電網(wǎng)發(fā)展模式產(chǎn)生極其重要的影響。其具體優(yōu)勢，可有如下幾個(gè)方面：

第一，通過調(diào)節(jié)有功和無功，應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù)可提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性及電壓穩(wěn)定性。例如電網(wǎng)交流系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障，電網(wǎng)直流側(cè)可為其提供有功，從而進(jìn)行緊急支援，同時(shí)又可提供無功，進(jìn)行電壓穩(wěn)定性的保障。

第二，相比較傳統(tǒng)的直流輸電工程，采用了多電平及無濾波裝置，占地面積較??；在控制交流側(cè)電流的同時(shí)，系統(tǒng)的短路容量也不會(huì)增加。

第三，系統(tǒng)運(yùn)作在潮流反轉(zhuǎn)狀態(tài)下，直流方向反轉(zhuǎn)，而其電壓極性不變，這樣就既可以做到能控制潮流分布而又有較高可靠性的多端口并聯(lián)直流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多端口系統(tǒng)間潮流的相互自由控制。

第四，電網(wǎng)發(fā)生故障后，柔性直流輸電技術(shù)可以快速恢復(fù)控制；如傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的受端網(wǎng)絡(luò)必須是有源網(wǎng)絡(luò)，必須有電源供電；而柔直系統(tǒng)可工作在無源逆變的方式下，不必須電源供電；各個(gè)AC-DC換流站向?qū)Χ瞬懦潆娍赏ㄟ^該直流線路，而站間可以同步不通訊，并根據(jù)相應(yīng)的直流線路電壓可采取相應(yīng)的控制措施及策略。

4 柔性直流輸電的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）可連接分散的小型發(fā)電廠。如中小水電廠、風(fēng)電場（含海上風(fēng)電場）、潮汐電站、太陽能發(fā)電站等，利用柔性直流輸電與主電網(wǎng)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)互聯(lián)，可克服該新能源發(fā)電并網(wǎng)而產(chǎn)生的一系列問題，且完全可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電的電能質(zhì)量。

（2）可對配電網(wǎng)的供電電能質(zhì)量達(dá)到提高的目標(biāo)。該技術(shù)可獨(dú)立快速?zèng)Q斷的控制系統(tǒng)內(nèi)有功和無功，基本可以保持交流側(cè)系統(tǒng)電壓基本不變，從而可以有系統(tǒng)電壓和電流較容易滿足規(guī)定的電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）可做到海上電力的供電工程?，F(xiàn)今很多海上或海島石油鉆井平臺(tái)的用電，大多數(shù)是靠一次能源發(fā)電中的柴油機(jī)或及天然氣燃燒發(fā)電，發(fā)電成本非常高、電壓不能穩(wěn)定，且供電的可靠性較低，污染環(huán)境問題嚴(yán)峻。而采用柔性直流輸電技術(shù)就可以解決該類問題，并且可以將產(chǎn)生的多余的電能通過新建的輸電網(wǎng)絡(luò)反送給系統(tǒng)，供其他電力用戶消納。

（4）可做異步聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)相同同頻率或不同頻率間的交流系統(tǒng)間的非同步聯(lián)網(wǎng)、并網(wǎng)及運(yùn)行。進(jìn)而可構(gòu)建地區(qū)城市直流輸配電網(wǎng)。就目前國家社會(huì)發(fā)展的情況來看，城市建設(shè)向中心區(qū)域輸送電能，直流落點(diǎn)采用柔性直流輸電技術(shù)，是未來城市電網(wǎng)發(fā)展擴(kuò)大的最優(yōu)選擇。

5 結(jié)束語

隨著受端電網(wǎng)的多直流饋入問題日顯嚴(yán)重，無源弱聯(lián)地區(qū)系統(tǒng)送電規(guī)模增大及深海風(fēng)電開發(fā)需求相應(yīng)的增加，需要發(fā)展大容量柔性直流輸電技術(shù)。現(xiàn)今社會(huì)，應(yīng)用大中城市的地面上的架空線做輸電走廊，無論是在容量上，還是建設(shè)用地上，都已逐漸的沒有發(fā)展及建設(shè)的空間余地，而國家建設(shè)電網(wǎng)以來原有的架空輸配電線路及其網(wǎng)絡(luò)也逐漸不能滿足城市的快速建設(shè)及發(fā)展，同時(shí)是需要大量消納電力需求的，發(fā)展該技術(shù)任重道遠(yuǎn)，為大氣污染防治及構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)提供手段。

參考文獻(xiàn)

[1]樂波.柔性直流輸電技術(shù)綜述[J].中國電業(yè)，2014（5）：43-47.

作者簡介：許卉（1985-），女，福建莆田人，工學(xué)學(xué)士，國網(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。