电力系统中柔性直流输电技术的应用研究

新华通讯社 汤连军

1 柔性直流输电技术的原理分析

电压源性换流器与交流系统之间存在着一定的关联性，在计算对应的有功功率以及无功功率时，可以使用如下公式：

其中：P代表着有功功率；对于交流母线而言，其对应拥有的电压基波分量在上式中表示为Us；对于交流站而言，其对应拥有的输出电压基波分量在上式中表示为Uc；交流电抗器所具备的电抗值主要利用Xc进行表达；无功功率使用Q进行表示。、结合上述公式能够了解到：对于有功功率而言，其大小会受到移相角数值的影响。具体而言，当移相角数值保持在高于0的状态下时，有功功率也随之表现出大于0的水平；当移相角数值保持在低于0的状态下时，有功功率也随之表现出小于0的水平，此时换流器会持续性地吸收有功功率。为了实现对无功功率的有效控制，进一步调节交流母线的电压基波分量，以及交流站的输出电压基波分量，促使其达到高于0的状态，最终控制换流站接收无功功率。

2 柔性直流输电技术在电力系统中的应用价值与优势分析

常规直流技术与柔性直流输电技术之间的区别见表1。对于柔性直流输电而言，其主要基于模块化概念完成设计。换流站具有多种标准的容量和尺寸，大部分设备是在工场安装的，所以实际的交货时间一般不会超过12个月，占地较小。而传统直流输电总是单独设计以满足特定的应用场合[1]。同时，柔性直流输电换流电路本身就是双极（伪）的，因此直流电路是不接地的，必须使用两根电缆。

表1 常规直流技术与柔性直流输电技术之间的区别对比

与传统交流输电和就地发电相比，除成本优势外柔性直流输电还能提高供电的电能质量。柔性直流输电可自换相运行，可在弱交流系统或者是无源系统内进行对柔性直流输电技术的利用。在实际处于正常运行的状态下，可依托柔性直流，完成对交流系统基本运行参数的控制，包括频率、电压。在交流系统发生故障时，柔性直流具有注入故障电流的能力，以利于交流系统保护动作以消除故障。针对柔性直流输电系统，其直流回路和换流器单元存在多种可能的系统结构。每个换流站可由一种拓扑结构的单换流器单元组成，实现单极的输电方案。总体来看，相比于常规直流技术柔性直流输电技术，本身所具备的优势性更为明显，在电力系统中能够发挥出更为理想的作用与价值，因此在当前逐步得到了广泛应用。

结合柔性直流输电技术的特点能够了解到，其在可再生能源并网、大型城市电网供电等方面有着更高的适用性。特别是在风力发电并网、海上平台供电和大型城市电网供电方面，柔性直流输电系统的综合优势十分明显。

3 柔性直流输电技术在电力系统中的具体应用探究

3.1 在风电电网工程中的应用

我国风能资源丰富、风向规律且环保性理想，所以在目前的新能源发电生产中更为常见。在实际利用风电资源期间，传输距离、容量等因素，均会对风电资源的具体利用产生不同程度的影响，在这样的条件下，若是应用传统的高压直流输电技术开发应用风电资源，则难以切实满足现实需要。相比较而言，柔性直流输电技术在风电电网工程中能够发挥出的应用优势更加明显。就当前的情况来看，社会经济的持续发展使得各个行业领域的用电量大幅提升，为实现对传统化石能源发电不足所产生的电力缺口的弥补，多种基于清洁能源、可再生能源的新能源发电产业迅速发展，规模也明显扩大。

对于柔性直流输电技术而言，实际所应用的并网形式为直流形式，因此并不需要调整风电场与之实际连接着的交流电网之间，始终维持在相互同步的状态下；投放了全控型器件，为换流器无功功率的独立性控制工作的展开提供了有力支持；实际所具备的故障穿越性能更强，可达到对风电场和并网交流电网在故障问题发生期间所产生的相互影响的有效隔离，避免发生换相失败风险问题；一旦风电场在运行阶段发生较为严重的事故问题，在柔性直流输电技术的支持下，能够达到在更短时间内将风电场母线充电恢复至正常水平的效果。

结合上述分析，能够明确的是，柔性直流输电技术可达到为风电电网工程的生产提供更好、更有力支持的效果，因此在现阶段已然发展成为风电并网的最佳选择。同时，就当前的情况来看，伴随海上风电装机规模不断提升，采用柔性直流输电技术可更好助力于我国深远海风电的高质量开发，进一步覆盖微电网互联等柔性直流输电领域[2]。

3.2 在非同步电网并联中的应用

现阶段，在电力工程建设与使用期间，通过在跨区域的远距离高压输电工程内引入柔性直流输电技术，能够促使非同步电网的并联成为现实，以此实现对电力系统运行稳定性的有效提升，切换满足多种电网的用电需要。

3.3 在孤立电网供电中的应用

孤立电网供电的一种较为典型的应用场景为海上石油钻井，在本文的研究中，主要以该典型场景为案例，展开对柔性直流输电技术在孤立电网供电中应用的说明。当前，实际组织展开海上石油钻井平台的作业期间，需要电能作为主要动能支持，促使多种机械设备能够正常运行，此时需要向海上石油钻井平台持续提供更为充足且高质量的电能。而一般情况下，海上石油钻井平台的现实设置位置具有较为明显的特殊性，需要在距离供电位置较远的地方搭建，换言之，实际所需要的供电距离普遍维持在偏大状态下。基于这样的情况，如果利用传统的交流高压输电网提供电能支持，则难以切实满足现实需要。通过柔性直流输电技术的应用，就能够实现对电能长距离传输、供应难题的有效解决，以此更好支持海上石油钻井平台等类似孤立电网的供电质量的提升。

3.4 在城市中心区供电中的应用

当前，城市化发展进程加速，使得实际应用于城市电网交流电走廊建设的空间呈现出随之缩减的发展趋势，所需要投入的成本有所提升，对城市电力系统的优化发展产生了一定程度的制约。与架空交流线路相比，直流电缆在实际架设期间所需要的空间大小更小，且能够产生更大的输电量，所以有着更为理想的应用优势。同时，将柔性直流输电技术实际应用于对城市输电网的建设、优化改造实践中，可达到有效解决现实城市电网中频繁发生的短路电流问题的效果，为城市电力系统运行管理中潮流涌动合理控制工作的展开提供了有力支持，从而达到对城市电网运行质量以及稳定性进行有效提高的效果。

3.5 在改善电能质量中的应用

当前，对于一些用电负荷相对较高的生产行业与企业而言，在利用电能展开实际的生产作业期间，出现冲击负荷、不对称负荷、非线性负荷等现象的概率普遍保持在相对较高的水平。此时，此时所产生的不正常负荷，会直接影响电力系统中的电压数据，导致电压显现出不同程度的波动状态。当不正常负荷问题较为严重的情况下，会促使整个电力系统的运行发生异常，使得其他电力用户无法正常用电。

而通过应用柔性直流输电技术就能够实现对上述问题的有效规避。实践中，依托柔性直流输电技术的使用对高负荷用电单位的输电线路进行完善与改造，能够实现对整个电网中无功功率以及有功功率的合理化控制，以此确保电力系统的电压长时间保持在合理、正常水平，为全网的电力用户正常、安全提供电能，满足所有电力用户的现实用电需要。

3.6 在优化电网结构中的应用

对于交流大电网而言，其实际所具备的结构复杂程度保持在偏高水平，潮流自然分布。在发生较为严重的故障时，电网潮流会发生大范围的转移，从而引发较大规模的停电事故。为避免上述问题的发生，需要结合柔性直流输电技术的应用对电网结构落实优化调整，以此促使电网本质的安全水平得到进一步提高[3]。

现阶段，在我国的大电网结构优化工程实践中，柔性直流输电技术得到了广泛应用。如在送端云南电网与南网主网异步互联的鲁西背靠背工程中，应用了柔性直流输电技术进行对大电网结构的优化（如图1所示）。在该工程建设前，云南电网与南网主网构建起了西电东送的主网架构，其中有超过70%的功率在实际运输期间应用了直流通道。在发生现实故障问题后，对于原有直流通道的潮流而言，其会迅速、大量向着交流通道内移动，在这样的情况下，发生系统同步失稳的概率随之提高。而该项目的投产建设，促使云南送端电网与南网主网的异步互联成为现实，实现了交流潮流大规模转移问题的有效规避，降低发生系统同步失稳问题的概率。使用了交流与直流并联运行的模式。

图1 云南异步互联结构图

3.7 在减小多回直流同时换相失败的安全风险中的应用

半控型器件为直流电路中较为常用的一种器件，对于电网换相高度依赖，存在发生换相失败问题的可能性。在多回直流集中馈入的受端电网中，交流与直流相互影响的情况更加明显。在交流电网出现短路故障问题后，对于直流而言，其实际随之产生换相失败的可能性有所增大，与之相对应的是，大量的功率会在瞬间显现出跌落状态。基于这样的情况，若是不及时使用切除的方式对交流故障问题展开处理，那么必然会随之导致多回直流换相失败问题的持续性发生，情况严重时，可能会导致直流闭锁，从而引起大规模的停电事故[4]。

而通过柔性直流输电技术在电网中的应用，就能够达到规避上述问题发生的效果，实现对多回直流同时换相失败的安全风险的有效降低。对于柔性直流而言，其主要使用了全控型器件，换相过程属于自换相，所以不存在发生换相失败问题的可能性。柔性直流可快速地独立控制在P、Q平面内所具有的4个象限内，所包含的有功功率、无功功率。在实际检测到交流系统产生故障之后，柔性直流可以迅速面向交流系统，向其提供容量允许范围内的动态无功功率、有功功率。结合某直流工程A站在运行中产生的交流故障问题为案例，进行具体说明。

在实践中发现，当检测到交流故障问题发生后，A换流站的故障相交流电压呈现出了明显降低的变化趋势，且该数值降低能够达到故障前的标幺值（0.34），而在直流侧，电压显现出了相对明显的稳定性；在电流发生改变的大背景下，可以观察到，直流传输功率显现出了一定程度的波动，且这种波动相对较小。在整个故障的发生期间，柔性直流实现了对大量无功支撑的有效提供，约1000MVA。而与之相对应的是，在该故障发生阶段，与A换流站距离较近的三回传统直流均产生的换相失败问题。另外，将柔性直流输电技术应用能够缓解直流与交流相互影响的情况。

与当前应用常规直流方案的受端换流站相比，应用柔性直流输电技术的A换流站在实际的运行管理实践中，更为有效地实现了对衡量交流与直流相互影响程度的多直流有效短路比为电力系统稳定性持续降低问题的控制，明显降低了直流同时换相失败的风险区的范围。