浅析柔性直流输电工程发展

熊旭 张颜真 许卉

摘 要：文章介绍了柔性直流输电工程国内外应用领域及应用现状，对柔性直流输电在相关工程技术领域、工程应用情况等进行了总结和分析，分析了柔性直流输电工程发展的前景，进而说明了其对未来电网模式发展是一种必然趋势。

关键词：柔性直流输电；优势；工程应用

1 概述

柔性直流输电技术概念于20世纪80年代提出，特别是在伴随着包括电力电子技术、自动控制技术以及计算机微处理技术等多方面的发展，经过三十多年的发展进化，柔性直流输电技术在当前形势下，演变发展以来产生的诸多关键性问题逐渐得到一一解决，此技术（柔性直流输电技术）在HVDC以及HVAC系统中得到了越来越多的相关人员及专业的重视。

2 柔性直流输电相关技术介绍

2.1 柔性直流输电工程中的换流器技术

柔性直流输电的换流器根据换流器桥臂的等效特性，可分为：可控电源型和可控开关型两类。可控电源型交流器其换流桥臂等效为可控电压源，其储能电容分散于各桥臂中，并且通过改变某桥臂的等效电压，就能间接改变交流侧输出的电压。可控开关型换流器通过适当的脉宽调制技术控制桥臂的开通与关断，其换流桥臂可以等效为可控开关，从而将直流侧电压传递到交流侧。

无论是两电平还是半桥型模块化多电平换流器，于目前投入工程应用的换流器技术中，同时全桥式和钳位双子模块型模块化多电平换流器，均存有不可在直流故障下实现交直流系统隔离的问题。在直流电压急剧降低时，仍然可以支撑交流电压，究其原因可以使桥臂等效输出电压为负值，从而实现抑制交流侧短路电流的目的。

2.2 柔性直流输电系统中的主接线设计

电力系统中的变电站主接线设计是电力系统规划设计中的重中之重。柔性直流输电换流站中采用两电平、三电平换流器，其站址一般采用在直流侧中性点接地的方式，原因在于电压等级过高，而我国交流电网110kV及以上的电力系统大多都采用中性点直接接地的方式。与此同时采用模块化多电平的柔性直流输电系统则一般采用交流侧接地的方式，和国家电网公司设计规程吻合。而上述这些接地特点及方式都是单极对称系统，当换流器或直流线路发生故障后，整个系统将瘫痪，进而无法正常运行，虽然正常情况下不需要单独设置专门接地，但在系统参数配置相同情况下，直流侧的不对称还将造成换流器所连接的交流侧电压水平的大幅度提升。单极不对称系统换流阀所耐受电压是单极对称系统的两倍，水平较大。

为了降低直流侧故障的发生率，大多数柔性直流输电工程采用电缆作为传输线路，因此大多数的柔性直流输电系统传输线路采用单极结构，而一般采用的是并联形式作为相应连接方式的多端柔性直流输电系统，由于并联型式具有线路损耗更小、调节范围更大、扩建方式更灵活，这样既可以保证换流器工作在同一电压水平，又能有更好的经济性。与此同时，采用单个换流器造价等成本会更低，同时可靠性会更高。

2.3 柔性直流输电保护与控制研究

HVDC系统的保护配置原则上需要同时满足继电保护的四性，即可靠性、选择性、灵敏性、速动性原则，并且易于运行维护。保护输电系统中各个设备的安全及正常运行，是柔性直流输电工程中其保护系统的主要功能，如果发生故障，即在故障工况下，其保护系统能够迅速切除故障及其相关的不正常的运行设备，且能尽可能的保证不停电，并以能够保证其他电气相关设备的安全运行。基于模块化多电平系统换流器保护策略大致可分为换流器保护、交流侧保护和直流区域保护，两者主要的区别在于具体的保护算法设计和保护区分。

3 应用领域与相关研究现状

3.1 应用领域

目前来看，根据柔性直流输电技术的相关特点，其广泛应用于输电系统工程中的案例有如下几点，譬如：新能源及可再生能源的接入问题、电网的孤岛供电问题、地区城市的供电可靠性问题、智能电网（Smart Grid）联网互联等相关的领域。

（1）可以缓解功率波动引起的电压波动，改善电能质量。用于可再生能源接入，譬如：风电、太阳能等功率输出波动较大的新能源及可再生能源等。

（2）通过对有功及无功功率的控制，用于向中心城市供电，以解决电能质量问题，譬如电压闪变等，提高系统运行的的稳定性，并且同时可以完成城市电网的改造增容，另外对中心城市供电时，可做到无电磁干扰及不影响城市的市容，在中心城市负荷需求和环保节能要求下，达到满足之要求。

（3）可用于解决大电网的异步互联问题，电网间功率互换，解决大规模电网中的动态稳定性及短路电流超标等问题，鉴于其快速独立调节无功、不提供短路电流等技术。

（4）可大幅减少经济人力投资及运行管理等费用。可充分发挥其可自换相的技术优势，应用于远离海岸的海岛及海上石油天然气等钻井平台的供电。

3.2 国内外工程应用现状

至2012年年底，全世界投入柔性直流输电工程建设的柔性直流输电工程已经投入运行的有13个，其中有6个用于电网间互联，4个用于风电厂接入电网，2个用于海上钻井平台供电，1个用于大型城市的供电。

我国研究起步较晚。但在国家电网公司的努力下，一代又一代的电网人在柔性直流输电工程技术研究与应用方面做出了巨大的努力和贡献。前些年无论是高校还是电力科研院所对于柔直的研究都集中在两电平换流器（也就是VSC）柔性直流输电系统建模与仿真分析（0和1）等方面，对于实际工程技术领域的研究很少有涉及，很少能结合实际做一些事情。于2006年以来，国内研究各大高校及电力科研院所等单位陆续开展了基于模块化多电平（MMC）的柔性直流输电工程技术领域的研究工作，在理论及技术层面上都取得了突破性的研究进展，中国首条柔性直流输电示范工程于2011年7月在上海南汇投运。这是第一次做示范工程，也是大胆尝试工程实际。国家电网公司近期又在舟山地区电网建成一个5端柔性直流输电工程，建设规模系统总容量1000MW，包含5个换流站，其中最大的换流站容量为400MW，电压等级为±500kV。目前来看，该工程的建设与实施在其应用领域提供可行性工程实际及研发平台，另外该工程是当今世界上端数最多的柔性直流输电工程，为后期的建设和发展提供相关技术和工程实践上的参考。

4 结束语

随着柔性直流系统有效提升其输送容量，大容量的可关断元器件及直流电缆等设备技术研发及生产水平的不断提高，使柔性直流输电在目前乃至未来成为电网可采用的主要输电方式。柔性直流电技术已经是世界各国电力行业发展的努力发展方向。随着全球气候变化温室效应等灾害的发生，以及能源日渐枯竭等问题的日趋严峻，迫切需要能够可持续，和谐的，且更为Smart、clean、efficient、reliable，随着新能源并网消纳及可再生能源电网发展、智能电网（smart grid）升级改造等等需求的响应，在不远的将来，世界范围内的柔性直流输电工程应用将会获得更快更迅猛的发展。其发展天地更为广阔。未来电网的模式发展更加适应发展，必将是大势所趋。

参考文献

[1]国家电网公司.国家电网公司促进清洁能源发展综合研究报告[R].北京：国家电网公司，2009.

[2]汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京：中国电力出版社，2009：21-24.

作者简介：熊旭（1980，10-），女，福建蒲城人，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。