高压柔性直流输电在电网中的应用

黄红荔+黄朵

（福建电力职业技术学院，福建 泉州 362000）

摘要：随着电网技术的发展，直流输电技术在电网中的应用日益增加，尤其是近年柔性直流输电技术（VSC-HVDC）的发展，使得电网输电逐渐呈现交流与直流并存的格局。本文对高压柔性直流输电在电网中的应用进行论述，以阐明当前电网中柔性直流输电的发展前景。

关键词：直流输电技术；柔性直流输电；应用

中图分类号：F416.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0251-02

一、引言

上世纪90年代柔性直流输电技术开始出现，并得到较快的发展。1997年瑞典的“赫尔斯扬工程”试验成功，标志着柔性直流输电技术开始从理论走入试验验证中。1999年至2000年期间，澳大利亚和丹麦的柔性直流输电工程的建成标志着柔性直流输电技术正式开始走向实际应用[2]。我国柔性直流输电技术示范工程开始于2008年。2008年12月“柔性直流输电关键技术研究与示范工程”作为国家电网公司的重大科技专项正式启动。2014年世界上首个五端柔性直流输电工程，由国家电网公司中国电力技术装备有限公司总承包的“浙江舟山±200千伏五端柔性直流输电示范工程”正式投产运行。2015年12月厦门“福建厦门±320千伏柔性直流输电科技示范工程”正式投运，标志着我国已经掌握了高压大容量柔性直流输电关键技术和工程成套应用的能力，实现了柔性直流输电技术领域的国际引领，让世界柔性直流输电技术向前迈进一大步。柔性直流输电是以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）、GTO（可关断晶闸管）等器件构成电压源换流器，采用了脉宽调制（PWM）等技术的一种直流输电技术。柔性直流输电具有能够给无源网络供电、换相基本不会失败、换流站间无需通信以及容易构建多端直流系统等优点[1]。柔性直流输电是相对于传统基于晶闸管的电流源型直流输电的一种说法，因为它运行方式更灵活、系统的可控性更好，因此才被称为柔性直流输电。在电力电子技术快速发展的今天，柔性直流输电在解决远距离大容量输电、分布式电源接入以及特大型交直流混合电网疑难问题起到重要作用[2]。因此在世界各国都在大力地研究和推广应用，成为当今电网技术研究的热点方向。本文对高压柔性直流输电在电网中的应用进行论述，以阐明当前电网中柔性直流输电的发展前景。

二、柔性直流输电在电网中的应用

根据统计目前世界范围内大约有建成或在建柔性直流输电工程三十多项[2]，在这三十多项柔性直流输电工程中有的是用于分布式电源并网（主要是风电和太阳能），有的是应用于特大城市中心大容量供电（增容），有的是用于异步独立电网的互联，有的是应用于电网电能质量的优化，有的是用于海上孤岛或平台供电，有的是用于电力市场互联交易以及实现多端直流互联。

因此可将柔性直流输电系统在电网的应用归纳为以下几点。

1.用于分布式电源并网。分布式电源直接接入交流电网由于存在单机容量小、受环境影响大、具有波动性和间歇性等特点，难以实现有效调度。这些分布式电源主要包括微型燃气轮机、小型风力发电机、燃料电池或光伏电池、沼气发电和储能设备等。

通过柔性直流输电就地接入或通过阵列式布局使得容量达到一定规模再接入电网，使得电网调度的难题得到较好的解决。同时也可以消除因为分布式电源电压支承能力弱，对系统运行和电能质量等带来的不利影响。目前主要应用在风电及太阳能的并网。

2.应用于特大城市中心大容量供电。在经济飞速发展的今天，城市电网负荷日益增长，且对电能质量的要求也日渐提高。虽然近年经济增速放慢，但是城市电网负荷整体还是处于上升的趋势。城市大容量的交流输电带来很多的问题，如输电走廊的问题、用电负荷和供电容量增加带来的短路电流过大的问题、线损问题和城市环保问题等，尤其是在一些特大型城市这些问题更加突出。柔性直流输电具有线路走廊占地面积小、能够限制线路短路电流、线损相比交流电小等优点，可以有效解决大城市中心大容量供电带来的问题。

3.用于异步独立电网的互联。柔性直流输电不存在同步稳定性问题，因此可以在两个独立电网之间的互联上应用。柔性直流输电能够应用于多个相同或不同频率的电网互联，构成一个更大区域电网；柔性直流输电控制和调节速度快，因此在电网与电网之间一方面可以进行有功潮流输送，紧急无功支撑，对电网可靠性提供强有力的保证；另一方面，柔性直流输电可以将多个电网互联，同时隔离各电网之间故障，防止电网故障的蔓延进一步恶化。

4.应用于电网电能质量的优化。柔性直流输电在提高电力系统稳定性，增加系统动态无功支撑，改善电能质量，解决非线性负荷、冲击性负荷和三相不平衡等产生的问题，保障敏感设备供电等方面都具有较好的效果。柔性直流输电技术可以同时且独立地控制有功功率和无功功率，控制更加灵活方便。柔性直流输电可以不需要交流侧提供无功功率，就能够起到STATCOM的作用，实现动态补偿交流母线的无功功率，稳定母线电压。柔性直流输电可以提供动态无功功率支撑，能夠有效解决潮流波动、电压闪变和频率不稳定的问题，改善了电能质量。

5.用于海上孤岛或平台供电。在离电网较远的油田、钻井、海岛等孤立区域，如果直接采用交流线输电成本往往会比较高甚至不可能实现。因此在这些距离较远的孤立地区往往是自己发电，如海岛风力条件较好可以采用风力发电或是海上平台采用燃油发电等，这些发电方法的建设维护成本都会比较高。利用柔性直流输电的输电成本低的特点将这些孤立的负荷通过柔性直流输电系统和电网相连，可以降低供电成本。另一方面通过柔性直流输电实现孤岛供电对缓解土地资源紧缺、充分利用资源意义重大。采用柔性直流输电可在保证电力系统稳定的前提下，通过环流技术将不同频率的交流电转化为直流，用于实现两个交流系统的互联；通过对自身电流的快速控制，有效限制互联系统的短路容量[4]。

6.用于电力市场互联交易以及实现多端直流互联。在全能源互联网的大背景下，区域电网互联和洲际电网互联很有必要，以实现各大电网之间的相互联系，实现全球电力市场互联交易，增加了整体参与电力市场中供电商的数量。柔性直流输电因为其在电网互联同步稳定性上的优势在电力市场互联交易、实现全球互联网具有较大的应用空间。另外柔性交流输电在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统[4]。

三、总结

在經历一个多世纪的演变，似乎直流电开始逐渐崛起。现代电子技术的发展，使得很多的用电设备开始转向使用直流电，如我们的电脑、LED灯和手机等电子产品在现在都需要将交流电转换成直流电以供电子元件使用才能正常工作。作为现代清洁能源发电技术的典型代表太阳能发电，目前大多数的是通过光伏板将太阳能转换成直流电能输出，然后再通过逆变器转变成交流电能供给设备使用。如果未来的设备使用直流电就不需要进行逆变器的转换过程。随着电动汽车的出现，直流用电将会在未来的用电领域占很大的比例。为了节能我们可以直接将直流电传输给使用直流电的设备，而不用途中转换为交流，就有可能避免每次交直流转换中都要产生的巨大能量损失。在现代电网中柔性直流输电系统在新能源并网和消纳、异步联网、孤岛供电、远距离输电等众多方面将会发挥越来越重要的作用。柔性直流输电技术的应用已经使多端直流输电系统成为现实，还将进一步促进直流电网的形成，随着全控型电力电子开关器件、高压直流开关、直流电缆研发制造水平的不断提高，以及控制保护技术的进步，预计未来5到10年我国将迎来柔性直流输电工程建设快速发展时期，世界范围将有望建成以柔性直流输电为基础，500千伏及以上等级的区域性直流电网。

而未来的电网可能再次出现交流输电与直流输电相互争雄的格局，也会出现交直流输电相互补充、相互兼容的情况。

参考文献：

[1]金志明.我国第一个高压柔性直流输电工程[A].上海市老科学技术工作者协会第十届学术年会论文集[C].2012.

[2]马为民，吴方劼，杨一鸣等.柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J].高电压技术，2014，40（8）.

[3]胡航海，李敬如，杨卫红等柔性直流输电技术的发展与展望[J].电力建设，201l，32（5）：62-66.

[4]王伟，安森.柔性高压直流输电综述[J].沈阳工程学院学报（自然科学版）.2011，07（3）：235-238.