柔性直流输电技术在电网中的应用

扎西 普布顿珠

(1.国网西藏电力有限公司,西藏拉萨 850000;2.国网日喀则供电公司,西藏日喀则 857000)

柔性直流输电技术在电网中的应用

扎西1普布顿珠2

(1.国网西藏电力有限公司,西藏拉萨 850000;2.国网日喀则供电公司,西藏日喀则 857000)

柔性直流输电技术具有控制灵活、环境友好、适合中小容量电力远距离输送等优点。总结和分析目前国内外关于柔性直流输电技术应用与设备的相关信息,结合新能源接入电网、高负荷密度城市电网以及远方孤立负荷供电的需求,分析了柔性直流输电线路技术在智能电网中的应用。

柔性直流输电 智能电网 应用 可再生能源 智能电网

1 柔性直流输电简介

柔性直流输电又被称为轻型直流输电(HVDC Light)，或新型直流输电(HVDC Plus)，就是采用电压源换流器的高压直流输电技术。国际权威电力方面学术组织，如CIGRE和IEEE，将其正式称为“VSC-HVDC”，即“电压源变流器直流输电”。ABB公司则称之为轻型直流输电(HVDC Light)，并作为商标注册。西门子公司则称之为新型直流输电(HVDC Plus)。为简化、形象，并形成自有知识产权，我国将该技术商业命名为“柔性直流输电”。典型的柔性直流输电系统的基本原理图如图1所示。

它与传统的高压直流输电(HVDC)的最大区别就在于：(1)它的换流器采用可关断器件IGBT，具有关断电流的能力；(2)采用脉宽调制技术进行无源逆变，对受端系统的容量没有要求，解决了常规直流输电向无交流电源的负荷点送电的难题；(3)灵活的控制方式和理想的运行特性也有助于提高交流电网电能质量；(4)将直流输电的经济应用功率范围降低到几十MW。

与传统直流输电相比，柔性直流输电的优势主要体现在孤岛供电、有功功率与无功功率控制等方面。如在孤岛供电中，常规直流要求在岛上具备发电机组之类的电源点，而柔性直流只需设备启动的电源。与交流输电相比，柔性直流输电的优势主要体现在长距离输电、新能源消纳、成本控制等方面。如在长距离电缆输电中，交流电缆越长，电能损耗越高，输送的有效电能越少。最近它在世界上的发展势头十分迅猛，我国也正在快速开展相关研究和工程建设。

2 国内柔性直流输电工程

2.1 国内柔性直流工程

国家电网公司于2006年启动了柔性直流输电技术专项研究，2011年7月投运上海南汇风电场柔性直流输电工程(输送容量20MW，直流电压等级±30kV)，是亚洲首个具有自主知识产权的柔性直流输电工程。该工程的线路采用架空线路。

广东汕头南澳岛上200多台耸立的大风车正迎风转动，南澳±160kV多端柔性直流输电示范工程就坐落在风车脚下的青澳湾，这是南方电网公司全力推进的世界第一个多端柔性直流输电示范工程。今天下午，伴随着该工程总指挥的一声令下，南澳岛上青澳、金牛两个换流站与汕头澄海区的塑城广东汕头南澳岛的三端柔性直流输电工程设计容量为20万千瓦，直流电压等级±160kV。换流站完成了三端投产启动。

图1 柔性直流输电基本原理图

舟山多端柔性直流输电示范工程是世界首个五端柔性直流输电工程，采用±200kV直流电压，分别在定海、岱山、衢山、洋山、泗礁建设一座换流站；建设±320kV直流电缆输电线路141km；建设交流220kV输电线路21.8km，交流110kV输电线路9.99km。整个柔直工程计划于2014年5月开始进行系统带电调试及试验；2014年6月实现五站全面建成投产。

厦门柔性直流输电科技示范工程获核准，该工程采用直流电压±320kV，输送容量1000MW，由翔安彭厝换流站、湖里湖边换流站和10.3km直流线路组成世界上容量最大、电压等级最高的1000MW/±320kV“大连跨海柔性直流工程大连跨海柔性直流输电重大科技示范工程，线路长度约50.2km，是目前世界上容量最大的柔性直流工程，被称为大连电网第二条“生命线”。工程计划于2013年年底建成，届时将大大提高大连电网供电可靠性。

为了满足西北地区大规模风电接入电网的需求，适合于柔性直流输电并网应用规划的风电场如表1所示。

2.2 国外柔性输电工程

在1990年代绝缘栅极双极晶体管(IGBT)和门断开晶体闸流管(GTO)的市场性为高压直流输电技术添加新的特性，使它克服了基于晶闸管控制的CSC HVDC一些基本的缺点，使VSC HVDC传输成为可能。1997年瑞典建成的低功耗试点工程Hellsjon，(容量3 MW和3MVA，电压10kV，传输距离超过10公里)，证明了柔性直流传输技术实用性和可靠性。自那以后， 大量高压柔性直流输电项目开始投运；其中第一个商业应用的80 kV50MW传输的离70km柔性直流工程安装在瑞典的哥特兰岛，和在美国纽黑文和Shoreham之间的Cross-Sound电缆工程，额定功率330MW的额定电压of150千伏和输电线路长度约40公里是全球第一个柔性直流装置嵌入同步运行电网。

虽然高压柔性直流输电技术最初应用于一些低电压等级的搀和而限制了其应用领域，但是随着制造商不断推动应用的电压等级和传输容量，现有商用的电压等级和功率改写成500kV电压和功率1200MW。

迄今最大的柔性直流直流输电系统是200kV电压和额定功率400MW的互连在美国的东北部的两个异步运行的电网 Trans Bay电缆工程。更大等级的柔性高压直流输电系统现在在规划阶段，其中一个是预计将在2015年投运，采用额定电压±320kV大约135km的海底电缆线路将900MW的DolWin2风电集群的风力发电输送到德国大陆。

表1 适合于柔性直流输电并网应用规划的风电场

表2 可再生能源的发展与规划 单位:万kW

3 柔性直流输电在智能电网中的应用

3.1 新能源接入电网

根据《可再生能源发展“十二五”规划》的目标，除了水电外，风电和太阳能发电将成为可再生能源发电的主力，而这些可再生电源的功率具有很大的波动性，采用传统的交流输电系统接入，对受端电网的容量和电压稳定性都有很高的要求。柔性直流输电使电网运行控制更加灵活、经济，并能适应大量分布式电源接入(如表2)。

3.2 应用于大城市负荷密集地区供电

在我国经济发达、负荷密集地区，随着大城市负荷的增长，需要从外地向城市中心输入大量电力，导致向大城市供电问题越来越多，主要有：(1)随着城市化进程加快，向负荷中心地区建设新建输电通道、架设新的交流线路的代价和难度越来越大；(2)负荷中心地区动态无功相对不足，负荷中心抗暂态电压稳定的条件不断恶化；(3)城市电网新建支撑电源受环境限制难度越来越大、代价越来越高，新建燃煤火电难度较大，而新建LNG电厂等清洁能源发电成本又过高；(4)城市电网负荷密度越来越大带来了短路电流超标的问题；(5)部分线路潮流过于重载，影响到电网的可靠性。

美国跨湾工程是柔性直流向城市供电的工程范例。柔性直流

(电缆)输电应用于向澳门电网供电，可作为澳门新的支撑电源，具有占地面积小、对环境影响小的特点，可提高供电质量，而且紧急情况下可作为保安电源和黑启动电源，对保证南方电网向澳门安全供电具有较大的经济意义和政治意义。

3.3 向远方孤立负荷供电

柔性直流(电缆)输电由于可以给无源网络直接供电、无最低输送有功功率限制、提高受端电网供电质量、换流站占地面积小、可远距离电缆输电等特点十分适用于远距离中小容量(如低至数十兆瓦甚至数兆瓦)电力输送，特别适合向远方孤立负荷供电，已有多个向海岛、海上平台等负荷供电的工程实例。

4 结语

柔性直流输电技术作为一种新型直流输电技术，相对于传统输电方式有一系列的工程、技术、经济优点，可以用来解决传统输电技术难以解决的问题。

随着基于新型电力电子器件的电压源直流输电技术等取得新的突破并逐渐得到推广应用。

柔性直流输电技术将在大规模新能源发电并入电网、大城市负荷密集地区供电以及远方孤立负荷供电等方面得到广泛的应用。

[1]邓旭,王东举,沈扬.舟山多端柔性直流输电工程换流站内部暂态过电压[J].电力系统保护与控制,2013.41(18):111-119.

[2]尹 寿垚 ,翟毅,吴昊.基于柔性直流输电技术的分布式发电在城市电网中的应用[J].江苏电机工程,2013.(4):9-12.

[3]吴应双,韦应顺,肖小兵.柔性直流输电对孤岛负荷供电的无源电力滤波器设计[J].电源学报,2013.(4):60-64.

[4]申原,吴应双.传统交流、高压直流和柔性直流输电技术的比较[J].贵州电力技术,2013.16(6):19-23.

[5]胡鹏飞,江道灼,郭捷.基于混合型多电平换流器的柔性直流输电系统[J].电力系统保护与控制,2013.41(10):33-38.

[6]Flourentzou, N.,Agelidis,V.G.,Demetriades, G.D.: VSC-based HVDC power transmission systems:an overview. IEEE Trans Power Electron24(3), 592–602 (2009).

[7]ABB: HVDC Light?.http://www.abb.com/industries/us/9AAC30300394.aspx (2012).Accessed 23 Jan 2012.