白瑪央金

（國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司電力科學(xué)研究院，西藏 拉薩 850000）

隨著人們對(duì)可再生能源的關(guān)注度不斷提高，新能源領(lǐng)域的發(fā)展越來(lái)越受到重視。作為一種清潔、高效的能源輸送方式，高壓直流輸電技術(shù)在新能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。文章將介紹高壓直流輸電在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，并探討其在新能源并網(wǎng)、分布式供電系統(tǒng)和跨區(qū)域輸送可再生能源等方面的應(yīng)用研究。

1 高壓直流輸電在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力

高壓直流輸電在新能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。首先，與傳統(tǒng)的交流輸電相比，高壓直流輸電的輸電距離可以達(dá)到數(shù)千公里，能夠有效地減少功率損耗，特別適合于長(zhǎng)距離、大容量的輸電需求。在新能源領(lǐng)域，由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源往往分布較為分散，因此高壓直流輸電技術(shù)可以有效地解決新能源發(fā)電的遠(yuǎn)距離輸送問(wèn)題[1]。其次，高壓直流輸電具有較小的輸電損耗，特別是在輸送相同功率的情況下，高壓直流輸電的損耗要明顯低于交流輸電。這對(duì)于新能源發(fā)電來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樾履茉窗l(fā)電的功率輸出容易受到天氣、光照等因素的影響，高壓直流輸電能夠更好地適應(yīng)這種波動(dòng)性的功率輸出。再次，高壓直流輸電的電弧具有強(qiáng)大的穿透能力，能夠提高輸電線路的負(fù)載能力和輸電效率。在新能源領(lǐng)域，由于新能源發(fā)電的輸出功率容易受到外界環(huán)境的影響，因此高壓直流輸電的這一特點(diǎn)能夠更好地適應(yīng)新能源發(fā)電的需求。同時(shí)，高壓直流輸電技術(shù)可以促進(jìn)可再生能源的發(fā)展和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。通過(guò)高壓直流輸電技術(shù)，可以將新能源發(fā)電更加便捷地接入電網(wǎng)，并且可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電與常規(guī)能源的互補(bǔ)，提高能源利用效率。最后，高壓直流輸電系統(tǒng)具有較小的電磁輻射，對(duì)周邊環(huán)境的干擾相對(duì)較小。在新能源領(lǐng)域，由于新能源發(fā)電本身具有環(huán)保、清潔的特點(diǎn)，因此高壓直流輸電技術(shù)的這一特點(diǎn)能夠更好地發(fā)揮新能源發(fā)電的優(yōu)勢(shì)。

2 高壓直流輸電在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2.1 新能源并網(wǎng)

1.并網(wǎng)方案設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)高壓直流輸電在新能源并網(wǎng)的應(yīng)用方案時(shí)，我們需要考慮以下幾個(gè)方面：首先，需要確定新能源發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，包括電壓等級(jí)、電流類(lèi)型、接口形式等。根據(jù)新能源發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模、位置和特點(diǎn)，選擇適合的并網(wǎng)接口。其次，電力電子變換器是高壓直流輸電的核心設(shè)備，需要根據(jù)并網(wǎng)接口的參數(shù)要求，設(shè)計(jì)合適的電力電子變換器。同時(shí)，需要考慮電力電子變換器的效率、損耗和可靠性等因素。最后，新能源發(fā)電存在間歇性和波動(dòng)性，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來(lái)影響。因此，需要采取措施對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行控制?？梢圆捎脛?dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、直流電流控制系統(tǒng)等措施，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，為了滿足電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求，需要對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行控制[2]?？梢圆捎孟冗M(jìn)的逆變器和電能質(zhì)量控制系統(tǒng)，確保發(fā)出的電能質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，在受電端設(shè)置電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)接收的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮能耗與效率的優(yōu)化?？梢酝ㄟ^(guò)選擇高效的電力電子器件、優(yōu)化線路布局和減少能量損失等方式，提高高壓直流輸電系統(tǒng)的能效?？傊ㄟ^(guò)科學(xué)合理的方案設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的高效利用和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.并網(wǎng)技術(shù)難點(diǎn)與解決方案，在新能源并網(wǎng)中，由于新能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能等，發(fā)電的功率輸出容易受到天氣、光照等因素的影響，導(dǎo)致功率波動(dòng)和不穩(wěn)定，這是其中一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。同時(shí)，新能源發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)還需要考慮電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量等問(wèn)題，這給并網(wǎng)帶來(lái)了額外的復(fù)雜性。針對(duì)這些問(wèn)題，我們可以采取直接力矩控制的技術(shù)。在直接力矩控制中，首先，要對(duì)電機(jī)的扭矩進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。扭矩測(cè)量可以通過(guò)使用相應(yīng)的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如電磁式扭矩傳感器或光電式扭矩傳感器等。這些傳感器可以安裝在電機(jī)輸出軸上，通過(guò)測(cè)量軸的扭轉(zhuǎn)角度或轉(zhuǎn)速來(lái)推算出扭矩。其次，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載情況，通過(guò)控制算法計(jì)算電機(jī)的扭矩，可以通過(guò)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型和相應(yīng)的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，基于矢量控制的控制算法可以將電機(jī)的電流分解成直流量和交流量，然后通過(guò)控制直流量和交流量的幅值和相位來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的扭矩。接下來(lái)，根據(jù)扭矩計(jì)算結(jié)果，對(duì)電力電子變換器的輸入電流進(jìn)行控制。電力電子變換器是實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的核心部件，它可以實(shí)現(xiàn)將電源的電能轉(zhuǎn)換成適合電機(jī)的電流和電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)的占空比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子變換器輸入電流的精確控制。在直接力矩控制中，實(shí)時(shí)調(diào)整是非常重要的一環(huán)。根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)載變化，實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略可以確保電機(jī)扭矩的準(zhǔn)確控制[3]。例如，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，可以增加PWM 信號(hào)的占空比，從而增加電力電子變換器的輸入電流，進(jìn)而增加電機(jī)的扭矩。這種技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

3.案例分析——中國(guó)“風(fēng)電北送”工程，在中國(guó)的“風(fēng)電北送”工程中，北方地區(qū)的風(fēng)能資源非常豐富，為了充分利用這些資源，同時(shí)滿足南方地區(qū)的電力需求，該項(xiàng)目采用了高壓直流輸電技術(shù)進(jìn)行風(fēng)電輸送。在該項(xiàng)目中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在北方地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)中安裝，當(dāng)風(fēng)力充足時(shí)，風(fēng)能發(fā)電的電力通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過(guò)高壓直流輸電線路輸送到南方地區(qū)，這個(gè)過(guò)程使用了先進(jìn)的電力電子變換器和控制系統(tǒng)，確保了電力輸送的穩(wěn)定性和可靠性。在電力輸送完成后，南方的電力系統(tǒng)可以順利地接收并使用這些清潔的電能。這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施，不僅滿足了南方地區(qū)的電力需求，同時(shí)也促進(jìn)了北方地區(qū)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。這個(gè)案例表明，高壓直流輸電技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用是非常成功的，它解決了新能源發(fā)電的波動(dòng)性和不可預(yù)測(cè)性問(wèn)題，提高了電力輸送的效率和可靠性。同時(shí)，它也證明了新能源領(lǐng)域與高壓直流輸電技術(shù)的結(jié)合是非常有前景的。

2.2 分布式供電系統(tǒng)

1.分布式供電系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，在分布式新能源供電系統(tǒng)中，高壓直流輸電的主要應(yīng)用方案包括以下幾點(diǎn)：第一，利用高壓直流輸電線路將新能源發(fā)電站與城市電網(wǎng)連接起來(lái)。考慮到新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，這種輸電方式能夠最大限度地減少能源傳輸過(guò)程中的損失。第二，在新能源發(fā)電站和城市電網(wǎng)之間設(shè)置電力電子變換器，以實(shí)現(xiàn)直流電和交流電之間的轉(zhuǎn)換。這樣，新能源發(fā)電站產(chǎn)生的直流電可以通過(guò)變換器轉(zhuǎn)換為交流電，然后輸送到城市電網(wǎng)。第三，通過(guò)建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓直流輸電線路的運(yùn)行狀況，以及電力電子變換器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，可以立即采取措施進(jìn)行處理。

2.技術(shù)難點(diǎn)與解決方案。首先，由于風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源具有波動(dòng)性，導(dǎo)致電力供應(yīng)不穩(wěn)定。為了解決這一問(wèn)題，可以采取儲(chǔ)能技術(shù)，如電池儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等，來(lái)平衡電力供應(yīng)和需求。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)充電和放電來(lái)平衡電力供應(yīng)和需求，飛輪儲(chǔ)能則可以利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來(lái)存儲(chǔ)能量，并在需要時(shí)釋放。此外，超導(dǎo)儲(chǔ)能也是一種具有潛力的技術(shù)，它利用超導(dǎo)體的零電阻特性來(lái)傳輸電能，具有高效率、大容量和快速充放電等優(yōu)點(diǎn)。在降低電力電子變換器能量損失方面，研究和開(kāi)發(fā)更高效的電力電子器件和冷卻技術(shù)確實(shí)是非常重要的。例如，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導(dǎo)體材料具有更高的耐壓能力和更低的導(dǎo)通損耗，可以大大提高電力電子器件的效率。同時(shí)，研發(fā)先進(jìn)的冷卻技術(shù)，如液體冷卻、熱管冷卻等，可以幫助降低變換器的工作溫度，從而降低能量損失。關(guān)于提高高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性，加強(qiáng)設(shè)備的質(zhì)量控制和運(yùn)行維護(hù)工作是必不可少的。例如，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在問(wèn)題，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，采取多種措施來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是非常關(guān)鍵的。引入先進(jìn)的控制算法可以幫助優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，而保護(hù)裝置可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速切斷電流，保護(hù)系統(tǒng)和人員的安全。

3.案例分析——上海市分布式海洋能供電系統(tǒng)項(xiàng)目。上海市位于長(zhǎng)江入海口，擁有豐富的海洋能資源。為了開(kāi)發(fā)利用海洋能資源，該區(qū)政府決定在轄區(qū)內(nèi)實(shí)施一項(xiàng)分布式海洋能供電系統(tǒng)項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要利用海洋能發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能，通過(guò)電力電子變換器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，然后通過(guò)低壓配電線路輸送到用戶(hù)端。在項(xiàng)目的初期，首先在海岸線附近安裝了海洋能發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)到數(shù)兆瓦。這些海洋能發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能一部分用于為當(dāng)?shù)氐脑O(shè)施和居民提供日常用電，另一部分則通過(guò)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)賣(mài)給國(guó)家電網(wǎng)。通過(guò)以上案例，我們可以看到高壓直流輸電在分布式新能源供電系統(tǒng)中的應(yīng)用在不同城市和地區(qū)都取得了顯著的成果。這些項(xiàng)目不僅提高了能源利用效率，降低了能源成本，還促進(jìn)了可再生能源的發(fā)展，為城市的可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

2.3 跨區(qū)域輸送可再生能源

1.高壓直流輸電在跨區(qū)域輸送中的技術(shù)方案。高壓直流輸電（HVDC）是一種有效的輸電方式，適用于跨區(qū)域輸送可再生能源。在跨區(qū)域輸送中，HVDC 技術(shù)方案主要包括以下幾個(gè)方面：第一，根據(jù)需要輸送的能源量、距離和地理?xiàng)l件，對(duì)輸電線路進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，選擇合適的線路路徑和導(dǎo)體類(lèi)型，以最大化輸電效率和穩(wěn)定性。第二，換流器是HVDC 輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電或反之[4]。根據(jù)輸送能源的特性和需求，設(shè)計(jì)合適的換流器，以滿足系統(tǒng)的電力電子需求。第三，控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)和穩(wěn)定HVDC 輸電系統(tǒng)的運(yùn)行。設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)輸電線路的電壓、電流和相位等參數(shù)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。第四，保護(hù)系統(tǒng)用于應(yīng)對(duì)突發(fā)的故障和異常情況。設(shè)計(jì)一套完善的保護(hù)系統(tǒng)，能夠快速檢測(cè)和處理各種故障，如短路、斷線、過(guò)載等，以保證輸電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。第五，建立一個(gè)高效的調(diào)度和控制系統(tǒng)，對(duì)輸電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理。通過(guò)與電力市場(chǎng)的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)能源的高效調(diào)度和輸送，以滿足不同地區(qū)的需求。

2.技術(shù)難點(diǎn)與解決方案。在跨區(qū)域輸送中應(yīng)用高壓直流輸電技術(shù)存在以下技術(shù)難點(diǎn)：高壓直流輸電過(guò)程中存在一定的能源損耗，如何降低損耗和提高輸電效率是技術(shù)難點(diǎn)之一。解決方案如下，在高壓直流輸電過(guò)程中，由于電流的電阻和傳輸線路的阻抗，電能會(huì)以熱能的形式損失掉，這種損耗在長(zhǎng)距離、高電壓的傳輸中尤為明顯。為了降低這種損耗，提高輸電效率，我們可以采用新型的導(dǎo)體材料，其中一種新型導(dǎo)體材料是超導(dǎo)材料。超導(dǎo)材料在低溫下具有幾乎為零的電阻，因此電能傳輸過(guò)程中的損耗可以大大降低。相比傳統(tǒng)導(dǎo)體材料，超導(dǎo)材料具有更高的載流能力和更低的損耗，因此可以有效地提高輸電效率。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以考慮將超導(dǎo)材料應(yīng)用于高壓直流輸電線路中。通過(guò)采用超導(dǎo)導(dǎo)線來(lái)替代傳統(tǒng)的銅、鋁導(dǎo)線，可以大幅降低傳輸過(guò)程中的能源損耗。同時(shí)，由于超導(dǎo)材料的零電阻特性，還可以提高線路的傳輸容量和穩(wěn)定性。通過(guò)應(yīng)用超導(dǎo)材料等新型導(dǎo)體材料，可以提高輸電效率、降低能源損耗并減少對(duì)環(huán)境的影響。

3.案例分析——Ticma 太陽(yáng)風(fēng)能項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于西班牙和摩洛哥之間，通過(guò)跨區(qū)域輸送可再生能源，將西班牙的太陽(yáng)能和風(fēng)能輸送到摩洛哥。該項(xiàng)目包括一個(gè)太陽(yáng)能電站和一個(gè)風(fēng)能發(fā)電站，總裝機(jī)容量為2GW。太陽(yáng)能電站和風(fēng)能發(fā)電站分別位于西班牙和摩洛哥的邊境地區(qū)。通過(guò)一條1500kV 的高壓直流輸電線路將電能輸送到摩洛哥。首先，在西班牙和摩洛哥的邊境地區(qū)選址并建設(shè)太陽(yáng)能電站和風(fēng)能發(fā)電站，采用高效能的太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等設(shè)備。同時(shí)建設(shè)相應(yīng)的電力電子變換設(shè)備，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。其次，在電站和摩洛哥之間建設(shè)一條1500kV 的高壓直流輸電線路，確保電能穩(wěn)定傳輸。同時(shí)建設(shè)相應(yīng)的換流站和直流變壓器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電壓的變換和電流的轉(zhuǎn)換。在受電端設(shè)置電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)接收的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整[5]。該項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)了西班牙太陽(yáng)能和風(fēng)能電能的跨區(qū)域輸送，并通過(guò)高壓直流輸電技術(shù)將電能穩(wěn)定地輸送到摩洛哥。該項(xiàng)目的實(shí)施不僅提供了可再生能源的有效利用途徑，還降低了摩洛哥的碳排放和能源成本。同時(shí)，該項(xiàng)目為高壓直流輸電技術(shù)在新能源并網(wǎng)中的應(yīng)用提供了有益的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。

3 結(jié)論

高壓直流輸電技術(shù)在新能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，其在新能源并網(wǎng)、分布式供電系統(tǒng)和跨區(qū)域輸送可再生能源等方面都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)解決技術(shù)難點(diǎn)和優(yōu)化方案，高壓直流輸電技術(shù)可以為新能源領(lǐng)域的能源利用和可持續(xù)發(fā)展提供有效的支持和解決方案。本文所介紹的案例分析表明，高壓直流輸電技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果，同時(shí)也為未來(lái)的研究方向提供了參考。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷深化，高壓直流輸電技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用將進(jìn)一步拓展和提升。