基于柔性直流輸電技術(shù)的分布式發(fā)電在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用

尹壽垚，翟 毅，吳 昊，季 堃，宋 鑫，楊啟京

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061)

城市電網(wǎng)是城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，是電力系統(tǒng)的主要負(fù)荷中心，具有用電量大、負(fù)荷密度高、安全可靠和供電質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[1]。隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市負(fù)荷不僅持續(xù)快速增長(zhǎng)，并且對(duì)供電可靠性以及電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。因此向城市負(fù)荷中心供給大量?jī)?yōu)質(zhì)可靠的電能將面臨越來(lái)越大的困難和挑戰(zhàn)。隨著城市發(fā)展建設(shè)的日趨成熟，從環(huán)境保護(hù)以及土地資源的限制考慮，不僅制約了大容量電源的建設(shè)，而且造成向城市供電的線路走廊越來(lái)越擁擠，甚至出現(xiàn)缺少必要線路走廊的供電瓶頸；由于增加城市供電能力的投資成本越來(lái)越高，人們對(duì)于健康和居住環(huán)境的要求增高，因此需要采取合適的供電方式以節(jié)約資金、減少電網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行對(duì)城市居住環(huán)境的影響；隨著城市供電容量的增加，系統(tǒng)短路電流增大，這對(duì)于開(kāi)關(guān)設(shè)備及其他網(wǎng)絡(luò)元件的安全運(yùn)行造成極大地威脅；還有城市負(fù)荷對(duì)于供電可靠性以及電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，這就需要向城市負(fù)荷中心供電應(yīng)該滿足運(yùn)行靈活、可控性高的要求，以滿足各種運(yùn)行情況的需求[2，3]。

1分布式能源在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用

分布式能源，顧名思義，是一種相對(duì)集中供能的分散式供能方式。根據(jù)國(guó)際分布式能源聯(lián)盟的定義，分布式能源是指安裝在用戶端的高效冷/熱電聯(lián)供系統(tǒng)，不論其采用何種燃料或是否并網(wǎng)運(yùn)行。在城市中以組成微電網(wǎng)[6-10]并通過(guò)與主網(wǎng)并網(wǎng)形成發(fā)電功能。作為一種高效的供能系統(tǒng)，分布式能源近年來(lái)在國(guó)際上發(fā)展迅速。各國(guó)政府克服種種阻礙，為分布式能源提供了一系列支持鼓勵(lì)措施，為其發(fā)展創(chuàng)造了有利的環(huán)境。分布式能源在各國(guó)電力市場(chǎng)中的比重也逐年增加。根據(jù)國(guó)際分布式能源聯(lián)盟2006年的一份報(bào)告，分布式能源占電力市場(chǎng)的比例在丹麥已達(dá)到53%，在芬蘭、德國(guó)、荷蘭捷克已達(dá)38%，日本和印度分別達(dá)到14%和18%。英國(guó)雖然目前只有7%，但倫敦為了爭(zhēng)取2012年奧運(yùn)會(huì)，特別制定了倫敦城市能源發(fā)展規(guī)劃。而這一發(fā)展規(guī)劃的核心之一就是大力發(fā)展分布式能源。分布式能源經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其技術(shù)已非常成熟、可靠。分布式能源設(shè)備的生產(chǎn)廠家多數(shù)是世界頂級(jí)的電力設(shè)備廠家，如美國(guó)通用電氣、卡特比勒、索拉、康明斯、芬蘭的瓦錫蘭、德國(guó)的MAN等等。我國(guó)也有一些著名的廠家，如山東勝動(dòng)和沈陽(yáng)黎明。各國(guó)根據(jù)各自的國(guó)情，利用不同的技術(shù)發(fā)展了多種形式的分布式能源，積累了寶貴的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)分布式能源的發(fā)展也有很高的借鑒價(jià)值。分布式能源的發(fā)展在中國(guó)存在著兩個(gè)主要障礙，即并網(wǎng)與售電。分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是以熱定電，這樣才能保證較高的系統(tǒng)能效。但這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)余電或缺電現(xiàn)象，因此分布式能源就需要借助公共電網(wǎng)來(lái)吸收余電或是補(bǔ)充缺電，以最終確保系統(tǒng)的高能效，同時(shí)也需要把電網(wǎng)作為備用電源。發(fā)展分布式能源有以下3點(diǎn)巨大優(yōu)勢(shì)：

（1）可以為國(guó)家節(jié)約大量的發(fā)電和輸配電投資。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，以8%～10%的輸電線損計(jì)算，我國(guó)每年輸電線損達(dá)3個(gè)三峽水電站全年的發(fā)電量。建在用戶端的分布式能源系統(tǒng)由于不需要通過(guò)電網(wǎng)供能，因此可以避免輸電線損和節(jié)約大量的輸配電投資。如考慮建設(shè)電廠的費(fèi)用，節(jié)約的資金將更為驚人。另外，分布式能源系統(tǒng)的投資出自用戶，而電廠和輸配電投資出自國(guó)家。能節(jié)約線損和國(guó)家投資的事何樂(lè)而不為。

（2）市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)原則下的自由選擇權(quán)利。能源安全有兩層含義，即國(guó)家能源安全和用戶能源安全。國(guó)家能源安全體系應(yīng)是對(duì)最終用戶能源安全的保障。最近美國(guó)紐約再次大面積停電的事實(shí)，進(jìn)一步說(shuō)明了集中供電系統(tǒng)的脆弱和對(duì)用戶能源安全保障的不完整性。分布式能源系統(tǒng)實(shí)際上是對(duì)單一的集中供能系統(tǒng)的補(bǔ)充，它可以使用戶更有效地計(jì)劃能源消費(fèi)和避免電網(wǎng)停電給自己帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。在電網(wǎng)有供電的社會(huì)職責(zé)、卻無(wú)斷電賠償責(zé)任的條件下，用戶自由選擇供能方式應(yīng)是用戶在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)原則下的基本權(quán)利。

（3）分布式能源是國(guó)家電網(wǎng)的一種有益補(bǔ)充。從國(guó)家角度看，分布式能源系統(tǒng)的全面發(fā)展，與電力部門沒(méi)有根本利益沖突，而且在很大程度上可減輕發(fā)電和輸配電部門的壓力，應(yīng)視為集中供能的一種有益補(bǔ)充，特別是在電網(wǎng)無(wú)力覆蓋的邊遠(yuǎn)地區(qū)和其他公用事業(yè)領(lǐng)域。這一點(diǎn)在絕大多數(shù)國(guó)家都已得到充分的驗(yàn)證。

2柔性直流輸電技術(shù)

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，新型金屬氧化物半導(dǎo)體器件-絕緣柵雙極晶體管（IGBT）首先在工業(yè)驅(qū)動(dòng)裝置上得到了廣泛的應(yīng)用。1990年，加拿大McGill大學(xué)的Boon-Teck Ooi等提出了用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）控制的電壓源換流器 （VSC）進(jìn)行直流輸電（HVDC）的概念。2個(gè)著名的制造商將這種使用VSC的直流輸電新技術(shù)用商標(biāo)命名為HVDC Light和HVDC-PLUS，這里PLUS，表示通用電力連接系統(tǒng)（Power Link Universal System）的意思。

輕型柔性直流輸電技術(shù)是在VSC和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種新型的輸電技術(shù)。它基于VSC技術(shù)，利用IGBT的開(kāi)關(guān)迅速的轉(zhuǎn)換電網(wǎng)工作點(diǎn)并且獨(dú)立的控制有功和無(wú)功功率，從而能夠?qū)崿F(xiàn)特定條件下對(duì)有功功率和無(wú)功功率的最佳控制。系統(tǒng)存在2個(gè)基本元素：換流站和一對(duì)電纜。換流站是電壓源換流站，幾乎不需要人去維護(hù)，可以遠(yuǎn)程控制或者根據(jù)相鄰的交流系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，換流站之間不需要通信。

2.1輕型柔性直流輸電優(yōu)勢(shì)

輕型柔性直流輸電主要優(yōu)勢(shì)[11-13]有以下幾點(diǎn)。

（1）獨(dú)立的電力傳輸和電能質(zhì)量控制。輕型柔性直流輸電系統(tǒng)可以在操作范圍內(nèi)對(duì)有功和無(wú)功進(jìn)行完全的獨(dú)立控制。輕型柔性直流輸電不需要依靠交流系統(tǒng)的能力來(lái)維持電壓和頻率穩(wěn)定。與傳統(tǒng)直流輸電所不同，短路容量顯得并不重要。輕型柔性直流輸電可以向缺乏同步機(jī)的電網(wǎng)饋送負(fù)荷。

（2）電能反轉(zhuǎn)。輕型直流輸電系統(tǒng)可以在不改變控制方式、不轉(zhuǎn)換濾波、不關(guān)斷換流站的情況下快速地轉(zhuǎn)換功率方向。在這個(gè)過(guò)程中直流電流方向改變，而直流電壓方向沒(méi)有變化（傳統(tǒng)直流輸電電壓改變），這有利于既能方便地控制潮流又具有較高可靠性的并聯(lián)多端直流系統(tǒng)。

（3）增加現(xiàn)有系統(tǒng)的傳輸容量。輕型柔性直流輸電換流站對(duì)于電壓的快速精確控制能力可使傳輸能力達(dá)到上限，瞬時(shí)的過(guò)電壓可通過(guò)快速的無(wú)功功率反應(yīng)消除。同時(shí)更高的電壓等級(jí)允許在不超過(guò)電流限制的情況下傳輸更多的電能。此外由于交流側(cè)電流可調(diào)，則不會(huì)增加系統(tǒng)的短路容量，這意味著增加新的直流輸電線路后，交流系統(tǒng)的保護(hù)整定基本不需要改變。

（4）對(duì)無(wú)功功率的自由補(bǔ)償。輕型柔性直流輸電不僅不需要交流側(cè)提供無(wú)功補(bǔ)償而且能起到靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）的作用，即動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著故障時(shí)，系統(tǒng)既可以提供有功功率的緊急支援又可以提供無(wú)功功率的緊急支援，從而提高系統(tǒng)電壓和功角的穩(wěn)定性。

（5）孤島操作和異步網(wǎng)絡(luò)連接。輕型柔性直流輸電換流站通常跟隨連接網(wǎng)絡(luò)的交流電壓。電壓的大小和頻率由整流站的控制系統(tǒng)決定，而且2個(gè)換流站是完全獨(dú)立的，所以完全可以工作在孤島狀態(tài)下和異步系統(tǒng)的直流連接，這些都是傳統(tǒng)交流系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2.2輕型直流輸電意義

輕型柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1輕型柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）城市電力供應(yīng)。通過(guò)增加新的交流線路來(lái)給城市增加供電非常昂貴且很難得到許可證。而輕型柔性直流輸電系統(tǒng)只需要很少的空間并且可以輸送更多的電力，同時(shí)輕型柔性直流輸電系統(tǒng)不會(huì)增加直流網(wǎng)絡(luò)的直流。因此對(duì)于城市供電的擴(kuò)容，柔性直流輸電系統(tǒng)是最佳的解決方案。

（2）分布式發(fā)電。分布式發(fā)電裝置是指小型的與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源。這些電源由電力部門、電力用戶或第二方所有，用以滿足電力系統(tǒng)和用戶特定的要求，如調(diào)峰、為邊遠(yuǎn)用戶或商業(yè)區(qū)和居民區(qū)供電，節(jié)省輸變電投資、提高供電可靠性等等。這些電源比較分散，且有些電源輸出的電力難以直接并入交流電網(wǎng)，例如燃料電池輸出的是直流電壓。因此輕型柔性交流配電系統(tǒng)為分布式電源的并網(wǎng)提供了可行的技術(shù)平臺(tái)。

（3）大中城市交直流混合供電。現(xiàn)代化的社會(huì)要求更高的供電可靠性和電能質(zhì)量。由于現(xiàn)代化大都市供電負(fù)荷密度大，供電方式復(fù)雜，可靠性要求高，還要求考慮更大的發(fā)展靈活性，以適應(yīng)供電負(fù)荷不斷增加和供電網(wǎng)升級(jí)的需要，因此可采用直流配電系統(tǒng)代替或配合傳統(tǒng)的交流中低壓輸電系統(tǒng)，將電能直接送往負(fù)荷中心的換流站，再逆變?yōu)榻涣麟?，為用戶供電。該方法不僅提高了輸送容量，而且提高了供電可靠性。由于整流站不需要功率反轉(zhuǎn)，因此從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的角度考慮，整流站采用電流源換流器（CSC），逆變站采用VSC換流器。

（4）弱系統(tǒng)間的互聯(lián)。弱系統(tǒng)一般都遠(yuǎn)離主網(wǎng)，交流線到主網(wǎng)的跳閘次數(shù)較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，弱電網(wǎng)地區(qū)有更大的容量需求，隨著負(fù)荷的增加，不穩(wěn)定可能引起更頻繁的跳閘，線路的功率振蕩會(huì)減少可用的有功容量，且不能接受功率環(huán)流。

3應(yīng)用實(shí)例

3.1哥特蘭島工程

1999年6月，連接瑞典哥特蘭島北部和維斯比城的柔性HVDC傳輸線工程投入運(yùn)行。這是世界上第一個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的VSC-HVDC系統(tǒng)，風(fēng)電場(chǎng)與公共電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)情況如圖2所示。

圖2哥特蘭島工程示意圖

由于可再生能源的開(kāi)發(fā)，在哥特蘭島南部安裝了40 MW的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，而且正在興建更多的風(fēng)電場(chǎng)。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)的操作條件受到電壓波動(dòng)和無(wú)功變化的影響，需要更大的電力傳輸容量以及更好的方法保證傳輸質(zhì)量。柔性HVDC技術(shù)的優(yōu)良性能可以解決風(fēng)電場(chǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題，即電壓和無(wú)功支撐，而且以地下電纜傳輸電能，對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)較小，這些有利條件促使當(dāng)?shù)卣疀Q定修建了這條VSC-HVDC輸電線路，從投運(yùn)到現(xiàn)在運(yùn)行良好，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。

3.2 Tjashreborg工程

這是VSC-HVDC用于風(fēng)力發(fā)電的又一個(gè)實(shí)例，也是丹麥修建的第一個(gè)VSC-HVDC示范工程，海上風(fēng)電場(chǎng)與公共電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)情況如圖3所示。

圖3 Tjashreborg工程示意圖

丹麥能源部門修建了5個(gè)利用海風(fēng)發(fā)電的風(fēng)電場(chǎng)，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量約為150 MW。預(yù)計(jì)在今后30年內(nèi)還將逐步增加大約4 000 MW的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量，約占總裝機(jī)容量的40%～50%。由于大量的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備引入電網(wǎng)，必然會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)引起電壓控制和無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題。為此，丹麥ELTRA公司在Tjashreborg建設(shè)了最大傳輸容量為8 Mvar/7.2 MW的柔性HVDC示范工程，并于2000年9月正式投運(yùn)，到目前為止運(yùn)行效果非常好。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于輕型柔性直流技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，考慮把分布式能源引入用電密集的城市電網(wǎng)，解決城市供電中存在的供電困難、電能質(zhì)量不高、成本高以及潮流難以控制等問(wèn)題，維持城市電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是切實(shí)可行的，也將是中國(guó)未來(lái)城市電網(wǎng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

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