柔性直流輸電技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

扎西 普布頓珠

(1.國網(wǎng)西藏電力有限公司,西藏拉薩 850000;2.國網(wǎng)日喀則供電公司,西藏日喀則 857000)

柔性直流輸電技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

扎西1普布頓珠2

(1.國網(wǎng)西藏電力有限公司,西藏拉薩 850000;2.國網(wǎng)日喀則供電公司,西藏日喀則 857000)

柔性直流輸電技術(shù)具有控制靈活、環(huán)境友好、適合中小容量電力遠距離輸送等優(yōu)點?？偨Y(jié)和分析目前國內(nèi)外關(guān)于柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用與設(shè)備的相關(guān)信息,結(jié)合新能源接入電網(wǎng)、高負荷密度城市電網(wǎng)以及遠方孤立負荷供電的需求,分析了柔性直流輸電線路技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。

柔性直流輸電 智能電網(wǎng) 應(yīng)用 可再生能源 智能電網(wǎng)

1 柔性直流輸電簡介

柔性直流輸電又被稱為輕型直流輸電(HVDC Light)，或新型直流輸電(HVDC Plus)，就是采用電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)。國際權(quán)威電力方面學(xué)術(shù)組織，如CIGRE和IEEE，將其正式稱為“VSC-HVDC”，即“電壓源變流器直流輸電”。ABB公司則稱之為輕型直流輸電(HVDC Light)，并作為商標注冊。西門子公司則稱之為新型直流輸電(HVDC Plus)。為簡化、形象，并形成自有知識產(chǎn)權(quán)，我國將該技術(shù)商業(yè)命名為“柔性直流輸電”。典型的柔性直流輸電系統(tǒng)的基本原理圖如圖1所示。

它與傳統(tǒng)的高壓直流輸電(HVDC)的最大區(qū)別就在于：(1)它的換流器采用可關(guān)斷器件IGBT，具有關(guān)斷電流的能力；(2)采用脈寬調(diào)制技術(shù)進行無源逆變，對受端系統(tǒng)的容量沒有要求，解決了常規(guī)直流輸電向無交流電源的負荷點送電的難題；(3)靈活的控制方式和理想的運行特性也有助于提高交流電網(wǎng)電能質(zhì)量；(4)將直流輸電的經(jīng)濟應(yīng)用功率范圍降低到幾十MW。

與傳統(tǒng)直流輸電相比，柔性直流輸電的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在孤島供電、有功功率與無功功率控制等方面。如在孤島供電中，常規(guī)直流要求在島上具備發(fā)電機組之類的電源點，而柔性直流只需設(shè)備啟動的電源。與交流輸電相比，柔性直流輸電的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在長距離輸電、新能源消納、成本控制等方面。如在長距離電纜輸電中，交流電纜越長，電能損耗越高，輸送的有效電能越少。最近它在世界上的發(fā)展勢頭十分迅猛，我國也正在快速開展相關(guān)研究和工程建設(shè)。

2 國內(nèi)柔性直流輸電工程

2.1 國內(nèi)柔性直流工程

國家電網(wǎng)公司于2006年啟動了柔性直流輸電技術(shù)專項研究，2011年7月投運上海南匯風(fēng)電場柔性直流輸電工程(輸送容量20MW，直流電壓等級±30kV)，是亞洲首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的柔性直流輸電工程。該工程的線路采用架空線路。

廣東汕頭南澳島上200多臺聳立的大風(fēng)車正迎風(fēng)轉(zhuǎn)動，南澳±160kV多端柔性直流輸電示范工程就坐落在風(fēng)車腳下的青澳灣，這是南方電網(wǎng)公司全力推進的世界第一個多端柔性直流輸電示范工程。今天下午，伴隨著該工程總指揮的一聲令下，南澳島上青澳、金牛兩個換流站與汕頭澄海區(qū)的塑城廣東汕頭南澳島的三端柔性直流輸電工程設(shè)計容量為20萬千瓦，直流電壓等級±160kV。換流站完成了三端投產(chǎn)啟動。

圖1 柔性直流輸電基本原理圖

舟山多端柔性直流輸電示范工程是世界首個五端柔性直流輸電工程，采用±200kV直流電壓，分別在定海、岱山、衢山、洋山、泗礁建設(shè)一座換流站；建設(shè)±320kV直流電纜輸電線路141km；建設(shè)交流220kV輸電線路21.8km，交流110kV輸電線路9.99km。整個柔直工程計劃于2014年5月開始進行系統(tǒng)帶電調(diào)試及試驗；2014年6月實現(xiàn)五站全面建成投產(chǎn)。

廈門柔性直流輸電科技示范工程獲核準，該工程采用直流電壓±320kV，輸送容量1000MW，由翔安彭厝換流站、湖里湖邊換流站和10.3km直流線路組成世界上容量最大、電壓等級最高的1000MW/±320kV“大連跨海柔性直流工程大連跨海柔性直流輸電重大科技示范工程，線路長度約50.2km，是目前世界上容量最大的柔性直流工程，被稱為大連電網(wǎng)第二條“生命線”。工程計劃于2013年年底建成，屆時將大大提高大連電網(wǎng)供電可靠性。

為了滿足西北地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的需求，適合于柔性直流輸電并網(wǎng)應(yīng)用規(guī)劃的風(fēng)電場如表1所示。

2.2 國外柔性輸電工程

在1990年代絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)和門斷開晶體閘流管(GTO)的市場性為高壓直流輸電技術(shù)添加新的特性，使它克服了基于晶閘管控制的CSC HVDC一些基本的缺點，使VSC HVDC傳輸成為可能。1997年瑞典建成的低功耗試點工程Hellsjon，(容量3 MW和3MVA，電壓10kV，傳輸距離超過10公里)，證明了柔性直流傳輸技術(shù)實用性和可靠性。自那以后， 大量高壓柔性直流輸電項目開始投運；其中第一個商業(yè)應(yīng)用的80 kV50MW傳輸?shù)碾x70km柔性直流工程安裝在瑞典的哥特蘭島，和在美國紐黑文和Shoreham之間的Cross-Sound電纜工程，額定功率330MW的額定電壓of150千伏和輸電線路長度約40公里是全球第一個柔性直流裝置嵌入同步運行電網(wǎng)。

雖然高壓柔性直流輸電技術(shù)最初應(yīng)用于一些低電壓等級的攙和而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，但是隨著制造商不斷推動應(yīng)用的電壓等級和傳輸容量，現(xiàn)有商用的電壓等級和功率改寫成500kV電壓和功率1200MW。

迄今最大的柔性直流直流輸電系統(tǒng)是200kV電壓和額定功率400MW的互連在美國的東北部的兩個異步運行的電網(wǎng) Trans Bay電纜工程。更大等級的柔性高壓直流輸電系統(tǒng)現(xiàn)在在規(guī)劃階段，其中一個是預(yù)計將在2015年投運，采用額定電壓±320kV大約135km的海底電纜線路將900MW的DolWin2風(fēng)電集群的風(fēng)力發(fā)電輸送到德國大陸。

表1 適合于柔性直流輸電并網(wǎng)應(yīng)用規(guī)劃的風(fēng)電場

表2 可再生能源的發(fā)展與規(guī)劃 單位:萬kW

3 柔性直流輸電在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 新能源接入電網(wǎng)

根據(jù)《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》的目標，除了水電外，風(fēng)電和太陽能發(fā)電將成為可再生能源發(fā)電的主力，而這些可再生電源的功率具有很大的波動性，采用傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)接入，對受端電網(wǎng)的容量和電壓穩(wěn)定性都有很高的要求。柔性直流輸電使電網(wǎng)運行控制更加靈活、經(jīng)濟，并能適應(yīng)大量分布式電源接入(如表2)。

3.2 應(yīng)用于大城市負荷密集地區(qū)供電

在我國經(jīng)濟發(fā)達、負荷密集地區(qū)，隨著大城市負荷的增長，需要從外地向城市中心輸入大量電力，導(dǎo)致向大城市供電問題越來越多，主要有：(1)隨著城市化進程加快，向負荷中心地區(qū)建設(shè)新建輸電通道、架設(shè)新的交流線路的代價和難度越來越大；(2)負荷中心地區(qū)動態(tài)無功相對不足，負荷中心抗暫態(tài)電壓穩(wěn)定的條件不斷惡化；(3)城市電網(wǎng)新建支撐電源受環(huán)境限制難度越來越大、代價越來越高，新建燃煤火電難度較大，而新建LNG電廠等清潔能源發(fā)電成本又過高；(4)城市電網(wǎng)負荷密度越來越大帶來了短路電流超標的問題；(5)部分線路潮流過于重載，影響到電網(wǎng)的可靠性。

美國跨灣工程是柔性直流向城市供電的工程范例。柔性直流

(電纜)輸電應(yīng)用于向澳門電網(wǎng)供電，可作為澳門新的支撐電源，具有占地面積小、對環(huán)境影響小的特點，可提高供電質(zhì)量，而且緊急情況下可作為保安電源和黑啟動電源，對保證南方電網(wǎng)向澳門安全供電具有較大的經(jīng)濟意義和政治意義。

3.3 向遠方孤立負荷供電

柔性直流(電纜)輸電由于可以給無源網(wǎng)絡(luò)直接供電、無最低輸送有功功率限制、提高受端電網(wǎng)供電質(zhì)量、換流站占地面積小、可遠距離電纜輸電等特點十分適用于遠距離中小容量(如低至數(shù)十兆瓦甚至數(shù)兆瓦)電力輸送，特別適合向遠方孤立負荷供電，已有多個向海島、海上平臺等負荷供電的工程實例。

4 結(jié)語

柔性直流輸電技術(shù)作為一種新型直流輸電技術(shù)，相對于傳統(tǒng)輸電方式有一系列的工程、技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)點，可以用來解決傳統(tǒng)輸電技術(shù)難以解決的問題。

隨著基于新型電力電子器件的電壓源直流輸電技術(shù)等取得新的突破并逐漸得到推廣應(yīng)用。

柔性直流輸電技術(shù)將在大規(guī)模新能源發(fā)電并入電網(wǎng)、大城市負荷密集地區(qū)供電以及遠方孤立負荷供電等方面得到廣泛的應(yīng)用。

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