柔性直流输电技术发展现状研究

许卉　熊旭　闫晓娜

摘 要：伴随着新型电力电子器件IGBT的出现，开通和关断均可控制，具有两个自由度。基于IGBT的输电方式是一种更优的输电方式。其丰富的控制方式具有很多优点，柔性直流输电的应用范围越来越广泛。文章主要对柔性直流输电进行简介，首先与传统技术比较，介绍了多端直流输电以及柔性直流输电的优点，并对其的应用进行介绍，努力构建我国坚强智能电网。

关键词：传统直流；柔性直流；晶闸管；IGBT；电压源换流器

1 概述

随着IGBT、GTO、IGCT等新型高压大功率可控关断电力电子器件的不断发展，使其可承受的额定电压、电流增大，新型换流技术基于PWM技术可将小功率及中低压系统变换到高压等级的输电领域，且逐渐取代相控换流技术。最初实现是ABB公司在背靠背工程、静止无功补偿装置SVC和长远距离输电等领域进行工程应用。ABB公司于20世纪90年代应用于赫尔斯扬示范工程，直流电压做到±10kV，额定功率为3MW。采用具有IGBT的阀完全不同于传统的晶闸管阀，并且具有可控关断和开通能力。

2 柔性直流输电技术简介

2.1 晶闸管电流源型直流输电技术

晶闸管阀不可控关断，电流源型高压直流输电技术存在固有缺陷：（1）运行时换流器要产生大量的低次谐波。（2）换流器需要很多的滤波和无功补偿装置，需吸收大量无功功率。（3）在有源逆变状态下工作，且短路容量在受端侧系统要求需要足够大，否则容易造成换相失败。（4）建设换流站的土地面积过于庞大、建设的投资巨大。

基于电流源换流技术的传统直流输电技术，与纯交流输电系统相比较明显具有优势，主要可以应用在大容量的及长远距离输电和交流电网互联以及海底电缆输电等领域。

2.2 柔性直流输电应用技术

近些年以来，全世界范围内各项技术发展迅猛，大规模集成电路，电力电子器件，以及相关控制技术等方面的发展，促进了电压源型换流站（VSC）进行整流从而进行直流输电成为现实，采用IGBT、IGCT等构成。同时采用可关断电压源型换流器的VSC技术和PWM技术进行直流输电，类似于在电网中相应接入对应的一个阀门和对以的一个电源，故其电能可以做到有效方便控制，并且还能快速、灵活、可调地吸收或发出一些能量以满足电网的需求，进而做到电网的稳定性增强、电网潮流分布优化、电网的可控性提高以及智能化电网。并且该类柔性直流输电技术适用于可再生能源发电的并网、异步交流电网互联、大中城市电网的供电、孤岛供电黑启动等情况。

2.3 多端口柔性直流FACTS输电技术

将含有多个（三个及以上）的整流站或多个（三个及以上）的逆变站的柔性直流输电系统，与相连接的交流系统通过三个或三个端口相连，即可构成多端口的直流输电系统。那么一般是由大于等于三个的换流站及与其连接换流站之间相关的直流输电线路组成多端口直流输电系统。

对于系统的平衡节点问题，多个换流站中应用控制直流电网电压是用一个以电压调节器来操作，此换流站类似于交流电网中的平衡节点。在多端柔性直流工程中，DC直流侧需要建成相应的直流网络，除上述平衡节点外，其余各站可实现功率的分配。换流站可以做到整流AC-DC和逆变DC-AC，但无论是整流还是进行逆变，按照能量守恒，整个系统输入功率与输出功率是相等的，即系统运行中的总功率必须是相等的。柔性直流输电技术具有可使电流方向改变，且可保持直流电压极性不变，可方便构成多端直流输电并联的系统，故目前建成的多端直流输电工程上大都采用了柔性直流输电技术。应用前景及研究均十分广阔。为了确保换流站的换流器及其他相关设备的安全，系统内功率分配可通过电流调节来调节。多端口直流输电系统可以通过多个电源同时供电或者是多个直流落点同时受电，且可以联结多个交流系统或者将交流系统分成若干个孤立运行的小电网、微电网，在电网系统稳态运行时此多端口结构可便捷地控制相关的直流电压，将其维持在规定的允许范围以内。

3 柔性直流输电技术优势

至今，具备了较好的工程应用条件的大容量高压柔性直流输电技术已在我国国家电网公司和南方电网公司的共同努力下建成了多个示范性工程，这将对我国大规模输送电能以及未来的电网发展模式产生极其重要的影响。其具体优势，可有如下几个方面：

第一，通过调节有功和无功，应用柔性直流输电技术可提高系统的功角稳定性及电压稳定性。例如电网交流系统侧发生故障，电网直流侧可为其提供有功，从而进行紧急支援，同时又可提供无功，进行电压稳定性的保障。

第二，相比较传统的直流输电工程，采用了多电平及无滤波装置，占地面积较小；在控制交流侧电流的同时，系统的短路容量也不会增加。

第三，系统运作在潮流反转状态下，直流方向反转，而其电压极性不变，这样就既可以做到能控制潮流分布而又有较高可靠性的多端口并联直流系统，实现多端口系统间潮流的相互自由控制。

第四，电网发生故障后，柔性直流输电技术可以快速恢复控制；如传统直流输电系统的受端网络必须是有源网络，必须有电源供电；而柔直系统可工作在无源逆变的方式下，不必须电源供电；各个AC-DC换流站向对端才充电可通过该直流线路，而站间可以同步不通讯，并根据相应的直流线路电压可采取相应的控制措施及策略。

4 柔性直流输电的应用领域

（1）可连接分散的小型发电厂。如中小水电厂、风电场（含海上风电场）、潮汐电站、太阳能发电站等，利用柔性直流输电与主电网网实现网网互联，可克服该新能源发电并网而产生的一系列问题，且完全可以提高系统的稳定性和供电的电能质量。

（2）可对配电网的供电电能质量达到提高的目标。该技术可独立快速决断的控制系统内有功和无功，基本可以保持交流侧系统电压基本不变，从而可以有系统电压和电流较容易满足规定的电能质量的标准。

（3）可做到海上电力的供电工程。现今很多海上或海岛石油钻井平台的用电，大多数是靠一次能源发电中的柴油机或及天然气燃烧发电，发电成本非常高、电压不能稳定，且供电的可靠性较低，污染环境问题严峻。而采用柔性直流输电技术就可以解决该类问题，并且可以将产生的多余的电能通过新建的输电网络反送给系统，供其他电力用户消纳。

（4）可做异步联网，实现相同同频率或不同频率间的交流系统间的非同步联网、并网及运行。进而可构建地区城市直流输配电网。就目前国家社会发展的情况来看，城市建设向中心区域输送电能，直流落点采用柔性直流输电技术，是未来城市电网发展扩大的最优选择。

5 结束语

随着受端电网的多直流馈入问题日显严重，无源弱联地区系统送电规模增大及深海风电开发需求相应的增加，需要发展大容量柔性直流输电技术。现今社会，应用大中城市的地面上的架空线做输电走廊，无论是在容量上，还是建设用地上，都已逐渐的没有发展及建设的空间余地，而国家建设电网以来原有的架空输配电线路及其网络也逐渐不能满足城市的快速建设及发展，同时是需要大量消纳电力需求的，发展该技术任重道远，为大气污染防治及构建坚强智能电网提供手段。

参考文献

[1]乐波.柔性直流输电技术综述[J].中国电业，2014（5）：43-47.

作者简介：许卉（1985-），女，福建莆田人，工学学士，国网福建省电力有限公司检修分公司工程师，主要研究柔性直流输电。