面向農(nóng)村偏遠電網(wǎng)的輸電線路交改直技術(shù)方案研究

丁 超，陸 翌，胡薩薩，裘 鵬，許 烽，宣佳卓

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江華云信息科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

近5 年， 城市用戶的供電可靠率維持在99.95%左右，用戶年平均停電時間為4～5 h，用戶年平均停電次數(shù)小于2 次。與城市相比，農(nóng)村用戶的供電可靠性相差較大，平均停電時間在20 h 左右，為城市的4～5 倍；年平均停電次數(shù)超過4 次，為城市的2 倍。究其原因是農(nóng)村地區(qū)離配電網(wǎng)（以下簡稱“配網(wǎng)”）核心區(qū)域較遠，一般采用較長的配電線路供電，而配網(wǎng)建設(shè)相對落后，導(dǎo)致偏遠地區(qū)的農(nóng)村電網(wǎng)存在電壓跌落厲害、電能質(zhì)量差、供電可靠性低等問題。近年來，隨著人民生活水平的提高和農(nóng)村光伏等新能源的普及應(yīng)用，用電設(shè)備多樣化、用電需求擴大化、電壓波動加劇化等特征日益顯著，人們對配網(wǎng)供電容量、供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高。另外，偏遠地區(qū)裝設(shè)的光伏、風(fēng)機等新能源因輸電距離長等原因，存在“窩電”可能。雖然采用新建配電線路、裝設(shè)無功補償裝置等措施能夠緩解上述問題，但未能從根本上加以解決[1-7]。

近年來，基于電壓源型換流器的柔性直流輸配電技術(shù)因其優(yōu)異的運行控制性能，在輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)層面得到了應(yīng)用和認(rèn)可。隨著電力電子器件的升級改造和柔性直流技術(shù)的成熟，柔性直流配電技術(shù)也將被廣泛用于配電網(wǎng)絡(luò)。與交流配網(wǎng)相比，柔性直流配網(wǎng)具有更大的供電半徑與供電容量，在相同線路建設(shè)成本下，直流線路的功率傳輸能力約為交流線路的1.5 倍；柔性直流配網(wǎng)的換流器具有穩(wěn)定交流側(cè)母線與用戶側(cè)電壓的作用，可提高電能質(zhì)量[8-10]。當(dāng)直流線路電壓為交流線路線電壓的2 倍時，直流線路由于不存在交流電纜金屬護套導(dǎo)致的有功損耗和交流系統(tǒng)的無功消耗，其線路損耗僅為交流線路的15%～50%[11-12]；此外，隨著儲能技術(shù)的迅速發(fā)展和風(fēng)能、太陽能等可再生能源技術(shù)的日趨成熟，直流配網(wǎng)的優(yōu)勢逐漸凸顯。直流配網(wǎng)可以實現(xiàn)儲能與新能源的便捷接入，省去了目前工業(yè)設(shè)備大量采用的變頻器，極大減少了成本和損耗。若將直流配網(wǎng)應(yīng)用于農(nóng)村偏遠地區(qū)，可有效解決遠距離輸電電壓跌落大、電能質(zhì)量差等問題，同時便于接入光伏、風(fēng)電等新能源和儲能電站，可大大提高偏遠農(nóng)村地區(qū)的供電可靠性，避免“窩電”現(xiàn)象[13-14]。

本文主要針對農(nóng)村偏遠地區(qū)的直流供電方案進行研究。首先，分析目前農(nóng)村地區(qū)供電特點及存在問題，提出采用柔性直流配電的技術(shù)方案，并對該方案進行詳細闡述；其次，考慮到電網(wǎng)建設(shè)的成本與經(jīng)濟性，提出將原有交流線路改造成直流配電線路，并給出多種改造后的拓撲結(jié)構(gòu)；最后對各種拓撲結(jié)構(gòu)進行多維度對比分析，進而得出結(jié)論。

1 直流供電方案及其優(yōu)勢

直流供電方案是在配網(wǎng)核心區(qū)和農(nóng)村偏遠地區(qū)分別建設(shè)一個直流換流站C1 和C2，然后采用直流線路將兩者連接，保留農(nóng)村配網(wǎng)原本的交流用電習(xí)慣，配電結(jié)構(gòu)如圖1 所示。虛線段表示將原交流線路改造成直流線路，直流線路上可實現(xiàn)沿線光伏、風(fēng)電和儲能的并網(wǎng)。

圖1 直流供電方案

在換流器拓撲結(jié)構(gòu)方面，考慮到供電的靈活性和可靠性，用戶側(cè)換流站C2 需采用VSC（電壓源換流器），配網(wǎng)側(cè)換流站C1 可采用VSC 或晶閘管換流器等拓撲形式，在滿足系統(tǒng)運行方式的前提下，可采用性價比更優(yōu)的換流器形式。

與采用交流配線的方式相比，該方案具備如下優(yōu)點：

（1）由于直流線路大于交流線路的供電半徑，該方案能夠在保證電壓降的同時，將電能輸送至偏遠地區(qū)，并保證受端的電壓幅值和頻率可以滿足要求。

（2）采用直流形式后，從配網(wǎng)核心區(qū)至農(nóng)村偏遠地區(qū)沿途的光伏、風(fēng)機等新能源能夠通過直流配網(wǎng)掛網(wǎng)運行，實現(xiàn)新能源的便捷接入，解決了新能源電能難以輸出等問題，實現(xiàn)偏遠地區(qū)新能源資源的優(yōu)化利用。

（3）通過在直流側(cè)配置儲能，能夠有效平抑光伏、風(fēng)機等功率波動對配網(wǎng)的影響，同時提高農(nóng)村電網(wǎng)的供電可靠性。

（4）圖1 中虛線部分的直流線路可以由原交流線路改造而得，從而降低工程建設(shè)成本；同時，開展交改直的試點示范研究，有助于促進該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

（5）當(dāng)C1 換流站與配網(wǎng)因故障隔離，或直流線路發(fā)生故障后，直流配網(wǎng)剩余系統(tǒng)與農(nóng)村電網(wǎng)將形成孤網(wǎng)，但系統(tǒng)可繼續(xù)運行，保障了農(nóng)村電網(wǎng)的供電可靠性。

（6）C2 換流站具備無功調(diào)節(jié)和電能質(zhì)量治理等功能，能夠有效調(diào)節(jié)農(nóng)村電網(wǎng)的電壓水平和電能質(zhì)量，降低農(nóng)村配網(wǎng)的線損。。

2 線路交改直技術(shù)方案

2.1 線路交改直的系統(tǒng)參數(shù)

交改直方案主要涉及傳輸功率、直流電流、直流電壓等的選取。

由于集膚效應(yīng)的存在，導(dǎo)線的直流電阻要稍小于交流電阻，因此直流電流可以略高于交流電流的有效值。

影響直流電壓等級的因素主要為絕緣子染污后的相間絕緣和相對地絕緣等。不考慮線路和桿塔的改造，設(shè)直流線路和交流線路連續(xù)運行工作電壓的比值為k，在污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，k 可以取值為1；如果周邊環(huán)境較干凈，k 可以取值為

交流線路的實際輸送功率與無功要求和安全穩(wěn)定有關(guān)，直流線路的傳輸功率主要受熱限制約束。根據(jù)上述直流電流和電壓的取值原則，計算可得直流和交流傳輸功率之比在0.65～1.1。

2.2 交流線路改造的換流器拓撲

2 回交流線路含有偶數(shù)條導(dǎo)線，可根據(jù)需求方便地改造成1 條雙極直流線路、3 條雙極直流線路等。偏遠地區(qū)的單回配電線路較多，且改造較復(fù)雜，需考慮充分利用三相線的功率傳輸能力。

對于單回輸電線路，可采用雙端單極、雙端雙極、雙端三極、三線雙極拓撲等，各類型拓撲均有各自的優(yōu)缺點，可根據(jù)應(yīng)用場合和需求合理選用。

（1）單極換流器拓撲

單極拓撲可將原交流三相合為直流的輸電極，采用大地作為回線。這種方式可充分利用三相導(dǎo)線的功率輸送能力；缺點是大地回流會對直流線路周邊電網(wǎng)產(chǎn)生影響，引起設(shè)備電解腐蝕，因此實際工程較少采用。

另一種方式是將單回交流輸電線路的兩相作為直流輸電線路的正負極線，其拓撲如圖2 所示。這種拓撲的優(yōu)點一是結(jié)構(gòu)和控制策略較為簡單，易于實現(xiàn)；二是兩端換流器采用閥側(cè)經(jīng)大電阻接地方式，直流單極接地故障時不會引起過電流，系統(tǒng)仍可以帶故障運行。單極拓撲的缺點是無法充分利用第三相的功率傳輸能力。

圖2 雙端單極直流輸電拓撲

由于直流系統(tǒng)受端為弱電網(wǎng)或無源負荷，受端換流站需要提供穩(wěn)定的交流電壓；直流線路上有光伏、風(fēng)電等新能源裝置的接入，送端換流站需要提供或參與提供穩(wěn)定的并網(wǎng)直流電壓。 因此，換流器需采用基于全控型器件的VSC 拓撲，受端采用定交流電壓控制、送端采用直流電壓控制方式。

架空線的運行環(huán)境較惡劣，易發(fā)生短時線路接地故障。而兩電平VSC 拓撲在直流側(cè)發(fā)生接地故障時，無法阻斷交流側(cè)的故障電流饋入通路。因此，雙端換流器可采用橋臂由半橋和全橋子模塊組成的Hybrid-MMC（混合模塊化多電平換流器）拓撲，全橋和半橋的比例不低于50%。

（2）雙極換流器拓撲

雙極拓撲如圖3 所示，其各極的工作原理及控制策略與單極拓撲相同。這種拓撲的優(yōu)點一是各極對地絕緣要求較單極拓撲低，二是直流并網(wǎng)設(shè)備可根據(jù)需求并入正極、負極或總直流電壓等多個電壓等級。雙極拓撲的缺點一是沒有充分利用交流線路的三相輸電線；二是發(fā)生單極接地故障時，換流器需閉鎖故障極，無法帶故障運行。

圖3 雙端雙極直流輸電拓撲

（3）三極換流器拓撲

一種基于TPS-HVDC（三極結(jié)構(gòu)的直流輸電）拓撲如圖4 所示，它包含正極、負極和調(diào)制極3個輸電極。正常運行時，通過特殊的電流調(diào)制策略，正極和負極電流在最大值和最小值之間周期性變化；中性點電流不流入大地，通過具有雙向流通能力的調(diào)制極回流。這種方式較大幅度地提升了線路的輸電容量。

圖4 三極結(jié)構(gòu)的直流輸電拓撲

TPS-HVDC 拓撲中正極與負極換流器可采用LCC（電網(wǎng)換相型換流器）結(jié)構(gòu)或者MMC 結(jié)構(gòu)。采用LCC 結(jié)構(gòu)的換流器運行損耗小，造價較低，但存在因換相失敗而致使功率輸送中斷的風(fēng)險；采用MMC 結(jié)構(gòu)的換流器具有無功解耦控制、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、無換相失敗風(fēng)險等優(yōu)點，但造價較高，穩(wěn)態(tài)運行損耗大。

三極拓撲的優(yōu)點為：在同等直流電壓和電流條件下，最大傳輸功率為雙極拓撲的1.37 倍；當(dāng)一極發(fā)生直流故障閉鎖時，另兩極仍可組成雙極拓撲傳輸功率，故障冗余度和可靠性高。其缺點是：調(diào)制極的電壓和電流極性均呈周期性反轉(zhuǎn)，需采用基于全橋子模塊的MMC 拓撲，造價較高；換流器損耗和線路總損耗較雙極拓撲高；當(dāng)擴展成多端直流時，需進行三極擴展，且需全網(wǎng)全站式協(xié)調(diào)控制。

（4）三線雙極換流器拓撲

基于12 脈動晶閘管換流器的TWBS-HVDC（三線雙極結(jié)構(gòu)的直流輸電）拓撲如圖5 所示，其中，CRC（電流調(diào)節(jié)控制器）可調(diào)節(jié)調(diào)制級上的直流電流。正常運行時，調(diào)制極通過與正極和負極交替并聯(lián)，實現(xiàn)對流過正極和負極的電流分流，在滿足線路的熱穩(wěn)定要求下實現(xiàn)擴容輸電；其線路上的電流特性與三極拓撲相同，因此最大擴容能力與三極拓撲相同。實際應(yīng)用中，TWBS-HVDC結(jié)構(gòu)中換流器不局限于LCC，VSC 及MMC 等，可根據(jù)實際情況采用相應(yīng)結(jié)構(gòu)，不同換流器具有各自的優(yōu)缺點。

圖5 采用晶閘管的TWBS-HVDC

三線雙極拓撲的優(yōu)點為：與三極拓撲擴容能力相同，最大傳輸功率為雙極拓撲的1.37 倍，且所用的功率器件較少；與三極拓撲相比，換流器造價較低、損耗較小；其正負極直流端口特性與雙極拓撲相似，便于擴展為多端直流。 其缺點為：主回路拓撲和控制復(fù)雜，設(shè)備種類和數(shù)量較多，長期運行故障率高，可靠性較差。

3 交改直技術(shù)方案對比

對交流線路改造所用的換流器拓撲從以下幾方面進行對比：最大傳輸功率、初期建造經(jīng)濟性、運行經(jīng)濟性、故障冗余度、易擴展性、可靠性等，詳見表1。

表1 各類型拓撲的特性對比

由表1 及前文分析可知，TPS-HVDC 和TWBS-HVDC 的最大傳輸功率相同，均為雙極拓撲的1.37 倍；單極拓撲的結(jié)構(gòu)和控制策略最簡單，初期建造成本最小，經(jīng)濟性最高；線路和換流器損耗大小與線路利用條數(shù)、換流器數(shù)量成正比，損耗越高則運行經(jīng)濟性越差；TPS-HVDC 的可靠性較高，在發(fā)生單極接地時另2 極仍可組成雙極系統(tǒng)；TWBS-HVDC 在建造經(jīng)濟性和運行經(jīng)濟性上都優(yōu)于TPS-HVDC，但其拓撲和控制較復(fù)雜，可靠性相對較差。

綜上所述，可根據(jù)交流線路升級改造的需求選用合適的拓撲：若原有的交流線路功率傳輸容量足夠，可采用雙端單極系統(tǒng)，拓撲和控制最簡單，造價最低；若需擴展原有的交流線路容量，且對故障冗余度和可靠性有較高要求， 可采用TPS-HVDC 拓撲；若需提高原有的交流線路容量，且后續(xù)將擴展為多端直流系統(tǒng)，可采用TWBSHVDC 拓撲。

4 結(jié)語

本文基于農(nóng)村電網(wǎng)現(xiàn)狀，對農(nóng)村直流供電方案進行研究，重點闡述了將柔性直流配電與交流線路改造成直流線路的技術(shù)方案，提出直流配電方案與多種改造拓撲結(jié)構(gòu)，可為工程規(guī)劃建設(shè)和系統(tǒng)理論分析提供參考。主要結(jié)論如下：

（1）隨著柔性直流技術(shù)的逐漸成熟與廣泛應(yīng)用，可將農(nóng)村地區(qū)原有的交流供電改造成直流供電，從而提高農(nóng)村電網(wǎng)的供電可靠性與電能質(zhì)量，同時能夠提高供電容量。

（2）盡管采用柔性直流配線方式能夠較好地解決農(nóng)村地區(qū)的供電問題，但考慮到農(nóng)村的經(jīng)濟效益，提出采用將原交流線路改造成直流線路的方案，可大大節(jié)省建設(shè)成本，降低建設(shè)難度。針對交流線路改造方案，提出了單極、雙極、三極和三線雙極4 種換流器拓撲結(jié)構(gòu)，并對這4 種拓撲結(jié)構(gòu)從基本結(jié)構(gòu)、穩(wěn)態(tài)運行特性、最大輸送容量、實現(xiàn)難度和可靠性等多方面進行了詳細分析。

（3）通過對4 種換流器拓撲結(jié)構(gòu)的特性進行對比分析，得出其各自的優(yōu)勢與缺點，建議結(jié)合實際情況選擇不同的改造方案，可為電網(wǎng)規(guī)劃和分析提供參考。

（4）本文僅介紹了交流線路改造成直流線路的換流站拓撲方案，而實際改造工程中，輸電線路的選型、輸電桿塔的改造、直流配線電壓電流等級等方案選擇同樣重要，有待進一步研究。