混合直流輸電技術(shù)及發(fā)展分析

王一品

國網(wǎng)天津市電力公司薊州供電分公司 天津 301900

近年來，隨著大功率電子器件的普及化使用，例如絕緣柵雙極型晶體管、集成門極換相晶閘管的不斷應(yīng)用，以及目前的電壓電流水平的進(jìn)一步提升，混合高壓直流電得到了非常廣泛的關(guān)注。此外，國外學(xué)者對(duì)于模塊化多電換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)的提出，讓我國逐漸意識(shí)到混合直流輸電系統(tǒng)的重要性以及可應(yīng)用性。但是，目前現(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)于混合直流輸電系數(shù)的基本原理、控制、保護(hù)方法等進(jìn)行的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。比較系統(tǒng)全面的論述文獻(xiàn)相對(duì)較少，此外對(duì)于總結(jié)性的混合直流輸電技術(shù)的難點(diǎn)以及今后運(yùn)用的主要領(lǐng)域及方向的文獻(xiàn)也比較少，所以，對(duì)于混合直流輸電技術(shù)的發(fā)展分析是很有必要的。

一、混合直流輸電應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)前，混合直流輸電應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。例如：混合直流輸電系統(tǒng)在海島與海上鉆井平臺(tái)領(lǐng)域方面的應(yīng)用，采用此種無源網(wǎng)絡(luò)或者弱交流系統(tǒng)供電時(shí)，可以發(fā)揮相應(yīng)的VSC逆變站技術(shù)優(yōu)勢，能夠降低整體系統(tǒng)的投資及運(yùn)行費(fèi)用。其次，混合直流輸電系統(tǒng)還可以向城市電網(wǎng)進(jìn)項(xiàng)供電，這不僅能夠給城市帶來無功支撐，使得城市短路電流大大減少，還能為城市節(jié)省空間，節(jié)省開資。最后，混合直流輸電技術(shù)在大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電、光伏等可再生能源的利用方面也取得了顯著成效，它不僅能夠解決長距離的輸電問題，與此同時(shí)能夠保證發(fā)電的穩(wěn)定性，更重要的是將其中一部分進(jìn)行常規(guī)直流改造后，解決了我國多饋入直流連續(xù)換相失敗的問題，大大提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

二、混合直流輸電發(fā)展現(xiàn)狀

（一）端對(duì)端混合直流輸電系統(tǒng)

德國的不萊梅電氣化鐵道和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的直流輸電工程是一個(gè)經(jīng)典案例，它主要采用兩端混合直流輸電系統(tǒng)，是可供參考的典型案例。該工程的主要目的其實(shí)很簡單，就是將50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成32/3Hz的交流電，以便電氣管道可以使用。它的逆變器是由全控器件IGCT構(gòu)成的，LCC則是由整流側(cè)晶閘管構(gòu)成。系統(tǒng)的整體容量為100MW，10KV的額定直流電壓。它采用直流電壓控制整個(gè)系統(tǒng)的整流側(cè)，逆變側(cè)則主要依靠有功、無功功率控制方式。

（二）極與極混合直流輸電系統(tǒng)

極與極的混合直流輸電系統(tǒng)在2013年的挪威和丹麥之間建設(shè)的極4工程中被運(yùn)用到。該工程在原有的三極常規(guī)直流輸電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以建設(shè)，極4采用柔性直流輸電系統(tǒng)，混合4極輸電系統(tǒng)由此構(gòu)成。除此之外，極與極混合直流輸電系統(tǒng)在國內(nèi)也有應(yīng)用，2015年6月中國在云南的羅平背靠背直流工程中就采用此種輸電系統(tǒng)。這種輸電系統(tǒng)的極與極的混合直流聯(lián)網(wǎng)主要是通過采用1000MW LCC-HVDC輸電系統(tǒng)、1000MW VSC-HVDC輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，這種混合直流輸電系統(tǒng)的投運(yùn)后，大大增加了我國南方境內(nèi)的電網(wǎng)的穩(wěn)定性及安全性。

（三）混合多端直流輸電系統(tǒng)

混合多端直流輸電系統(tǒng)目前使用的工程項(xiàng)目還比較少，目前只在美國開工建設(shè)的一項(xiàng)GBX工程中有見到。這個(gè)工程的總?cè)萘渴?500MW，總體的輸送距離長達(dá)750Km。兩端采用的是LCC的轉(zhuǎn)換站，VSC換流站構(gòu)成中間的落點(diǎn)。這項(xiàng)工程的目的是要將美國西南部的聯(lián)營電力的可再生能源能夠進(jìn)行運(yùn)輸，讓美國的中西部地區(qū)收益，并且為美國的PJM公司帶來穩(wěn)定的安全的電力市場。

三、混合直流輸電未來趨勢

（一）利用混合直流輸電系統(tǒng)提升常規(guī)輸電性能

常規(guī)的直流輸電系統(tǒng)存在很大的缺陷，這個(gè)缺陷就是對(duì)于受端電網(wǎng)的短路容量有要求，所以利用混合直流輸電系統(tǒng)來提升常規(guī)輸電系統(tǒng)的性能，克服此類缺點(diǎn)就顯得很有必要。常規(guī)的直流輸電系統(tǒng)的這個(gè)缺陷是非常容易發(fā)生換相失敗的，這將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法運(yùn)行下去。在實(shí)際的案例中也存在這樣的問題，例如廣東電網(wǎng)和華東電網(wǎng)，采用的常規(guī)直流工程造成多直流落點(diǎn)問題，其嚴(yán)重性在于受端系統(tǒng)一個(gè)點(diǎn)發(fā)生問題，就會(huì)引起多回流線路同時(shí)換相失敗，導(dǎo)致直流電輸送中斷，安全性穩(wěn)定性不能保證。

因此，對(duì)常規(guī)直流輸電系統(tǒng)改造為混合直流輸電系統(tǒng)就非常有必要，這不僅能夠解決換相的失敗問題，還能在造價(jià)節(jié)省、損耗減少方面產(chǎn)生很大的益處。我國的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)主要建設(shè)于2000年，早期的工程項(xiàng)目已經(jīng)超過10年，甚至已經(jīng)接近20年，升級(jí)改造已經(jīng)刻不容緩，這些工程主要集中在我國的華東電網(wǎng)和南方電網(wǎng)。在未來，借助升級(jí)改造的機(jī)會(huì)可以讓這部分電網(wǎng)將常規(guī)的直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行積極改造，建設(shè)成為混合直流輸電系統(tǒng)，這不僅在投資方面能夠有一部分資金的節(jié)省，在性能上面甚至可以達(dá)到柔性直流輸電系統(tǒng)的技術(shù)水平。

（二）利用混合多端直流技術(shù)保障電網(wǎng)安全運(yùn)行

未來電網(wǎng)的一個(gè)發(fā)展趨勢就是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的可再生能源的遠(yuǎn)距離輸送。根據(jù)我國的地理位置考量，我國90%的水電資源在西部地區(qū)集中，而大部分的光伏、風(fēng)電則集中在北部地區(qū)，可以說西北地區(qū)的負(fù)擔(dān)小，但是能源多。而我國的東南地區(qū)由于人口數(shù)量較大，所以負(fù)擔(dān)重但是能源少。所以能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的遠(yuǎn)距離輸電就需要多電源的輸電和多落點(diǎn)的供電，其中多端直流輸電系統(tǒng)將在直流電網(wǎng)技術(shù)中承擔(dān)著很重要的責(zé)任。

到底什么是混合多端直流輸電技術(shù)呢？其實(shí)就是通過串聯(lián)、并聯(lián)或者混聯(lián)的方式連接起來的直流輸電系統(tǒng)，但是換流站需要3個(gè)以上，而且其中一個(gè)換流站使用常規(guī)直流輸電技術(shù)、一個(gè)使用柔性直流輸電技術(shù)。在未來，混合直流輸電技術(shù)的應(yīng)用可以解決常規(guī)直流輸電技術(shù)的缺陷，充分發(fā)揮其造價(jià)小、損耗少、容量大的特點(diǎn)，充分實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源的利用，并且大大提高能源的使用效率，與此同時(shí)還能保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

結(jié)束語：

本文在混合直流輸電系統(tǒng)的基本原理、目前存在的問題以及未來主要應(yīng)用的領(lǐng)域等方面進(jìn)行了系統(tǒng)論述，并且對(duì)未來我國電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展方向做出了進(jìn)一步的探討，希望能夠?yàn)槲覈碾娏κ聵I(yè)發(fā)展提供一分參考，略盡綿薄之力。