柔性直流输电技术在电力系统中的应用

朱劲松

柔性直流输电技术在电力系统中的应用

朱劲松

(国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210024)

柔性直流输电技术是指通过IGBT、IEGT等全控型器件对有功功率和无功功率进行独立控制，应用该技术对现有电网系统进行改造不仅可以全面增加电网系统输电的灵活性，还能在一定程度上缓解由于输电线路空间过小导致输电性能差的问题。通过分析和总结柔性直流输电技术的特点，针对其在新能源发电并网、城市商业区电力增容、特殊地区高压输电等领域的应用进行了探讨，以期为电网建设工作提供一定的参考。

柔性直流；输电技术；电力系统；应用

1　柔性直流输电概述

柔性直流输电又被称为轻型直流输电或是新型直流输电，为了促进该技术规范与发展，相关部门将其统一命名为柔性直流输电技术。柔性直流输电技术是指通过IGBT、IEGT等全控型器件对有功功率和无功功率进行独立控制，并利用电压源换流器的高压直流进行输电，柔性直流输电结构如图1所示。相较于传统的输电技术，柔性直流输电技术的功能性更强，能应用在如孤岛供电、有功功率以及无功功率控制等方面，可以满足更多场合的用电需求[1]。以孤岛供电工程为例，若采用传统供电方式实现孤岛供电，就必须在岛上设置类似于发电机组的电源，而采用柔性直流输电技术进行供电，只要在岛上设置启动电源就可以直接进行输电。此外，与传统输电技术相比，应用柔性直流输电技术具备长距离输电能力的优势，可有效降低电力网络在运行中的损耗。

图1　柔性直流输电系统结构

2　柔性直流技术的特点

2.1　技术原理

柔性直流输电特指基于电压源换流器进行高压直流输电，是一种以电压源型换流器、自关断器件以及脉宽调制技术为基础的新型输电技术。它与相控换向技术的电流源换流器型高压直流输电技术最大区别是在实际应用过程当中所采用的换流器为电压源换流器，并利用可关断器件以及高频调制技术对换流器出口电压扶持的有效调节来维持与系统电压之间的差，进而实现对输出有功功率以及无功功率的精确化控制。利用该项技术可以保障两个不同的交流电网之间有功功率传输的效率。此外，通过两端换流站还可以独立调节无功功率，从而对其关联的交流电网给予无功支撑[2]。

2.2　技术特点

(1)可以对有功功率以及无功功率进行独立控制。采用柔性直流输电技术能保持电网系统各环节电压的稳定，并且能合理调节有功潮流；能保障有功功率在传输的过程当中不会发生太大的波动，并且可以根据输电任务的具体需求对无功功率进行合理化调节，降低电网系统在输电过程中出现故障的概率[3]。

(2)相较于其他输电技术，采用柔性直流输电技术进行潮流反转操作更为便利。采用常规直流输电技术进行功率反转操作时，为了保证操作过程的安全性以及合理性，需要将换流站停止运行并及时改变电压的极性，此外还需要现场工作人员对滤波器以及无功补偿设备的投切情况进行及时判断。而采用柔性直流输电技术进行潮流反转操作时，只需要将电流的方向合理转变即可改变直流电压的电极性，无需进行其他任何操作。

(3)当发生停电事故时，采用柔性直流输电技术能直接向无源电网进行供电操作，可以在最短的时间内使电网恢复供电。

3　柔性直流输电在电力系统中的应用

3.1　风电电网工程

随着我国社会经济的不断发展，工农业生产和居民日常用电需求都在迅速扩大。为了填补传统的化石能源发电不足造成的电力缺口，风能、太阳能、潮汐能等各类新能源发电产业的规模日益壮大，而风能发电由于具有储量丰富、风向规律、低碳环保等一系列优势，在新能源发电产业中最具发展潜力。风电资源受容量以及传输距离的限制，采用传统的高压直流输电技术不符合远距离输电的技术要求，而采用柔性直流输电技术则拥有传统高压直流输电技术无法比拟的优势。将风电资源通过柔性直流输电技术并入到电网中，可以有效解决电网不稳定的问题，全面提高风电机组抵御电网故障扰动的能力，降低风电机组在输电时发生停机的概率，进而提高电网运行的稳定性能。此外，采用柔性直流输电技术还可以改善接入的电网系统阻尼特性，并能大幅提高风电机组对风速的适应能力[4]。

3.2　非同步电网并联

就当前电力工程的实际使用情况而言，将柔性直流输电技术合理应用在跨区远距离高压输电工程中，可以有效满足非同步电网的并联需求，全面提高电力系统的稳定性，满足各类电网的用电需求。

3.3　向孤立电网供电

海上石油钻井平台在进行开采作业时，各类机械设备的运行需要大量电力支撑。此类项目一般位置特殊，供电距离较长，很难通过搭建传统的交流高压输电网的方式进行供电，而采用柔性直流输电技术进行输电可以完美解决长距离输电的技术难题，为类似海上石油钻井平台之类的孤立电网提供更为高效的能源。

3.4　城市中心区的应用

随着我国城市化率不断提高，城市建设的步伐也随之不断加快，用于建设城市电网交流输电走廊的空间变得越来越少，需要投入的成本也越来越高，制约了城市电力系统的发展。相较于架空交流线路来说，架设直流电缆具备占用空间小、输电量大等优势，采用柔性直流输电技术对城市输电网进行改造，可以在一定程度上解决城市电网系统存在的短路电流问题，还能对电力系统中产生的潮流涌动进行合理化控制，全面提高城市电网运行的稳定性。

3.5　改善电能质量

电炉炼钢等高负荷用电行业在生产中所产生的非线性负荷、冲击负荷、不对称负荷都会导致电网系统中的电压发生一定程度的波动，严重时甚至会对整个电网系统造成干扰，影响到电网中其他户用的正常用电。采用柔性直流技术改造高负荷用电单位的输电线路，可以合理化控制全网有功功率以及无功功率，使电网系统的电压维持在合理的范围内，确保全网用户都能安全、正常用电[5]。

4　柔性直流输电技术发展

柔性直流输电系统的调制技术发展随着换流器技术的发展而不断更新，调制技术也由最初的 PWM 调制逐渐发展到最新的阶梯波调制，如图2所示。

图2　柔性直流输电调制技术发展

5　结语

柔性直流输电技术的大规模应用可以有效提高电网输电质量，降低输电线路运行时发生电压下降现象的概率，还能精确控制电网运行时的无功功率和有功功率，有效提高电网运行的可靠性和稳定性。

[1] 张和阳.模块化多电平换流器在柔性直流输电技术中的应用[J].中阿科技论坛(中英文),2021(9):104-107.

[2] 王斌.柔性直流输电技术对大电网弱交流断面输电能力的影响[J].无线互联科技,2021,18(11):110-111.

[3] 蔡晖,彭竹弈,祁万春,等.背靠背柔性直流输电技术在中心城区电网中的应用研究[J].电力电容器与无功补偿, 2021,42(2):79-84.

[4] 刘耀,吴佳玮,肖晋宇,等.有源型柔性直流输电技术在全球能源互联网背景下的应用研究[J].全球能源互联网, 2020,3(2):107-116.

[5] 孔冠荀.柔性直流输电系统显式模型预测低复杂度控制技术研究[D].吉林:东北电力大学,2019.

Application of the flexible high voltage direct current technology in power system

ZHU Jinsong

(State Grid Jiangsu Electric Power Co., LTD. Nanjing, Jiangsu 210024, China)

The flexible high voltage direct current(HVDC) technology is independent control of active power and reactive power through IGBT, IEGT, and other fully controlled devices. The application of this technology to the transformation of the existing power grid system can not only increase the flexibility of the power grid system but also alleviate the problem of poor transmission performance caused by too small a transmission line space to a certain extent. This paper analyzes and summarizes the characteristics of flexible HVDC technology, and discusses its application in grid connection of new energy power generation, power capacity increase in the urban business district, and high voltage transmission in special areas. This study is expected to provide some reference for the construction of a power grid.

flexible direct current; transmission technology; power system; application

TM721

A

2096–8736(2022)06–0053–03

朱劲松(1988—)，男，江苏泰州人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电力系统规划、柔性输电技术。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：吴志立