柔性直流輸電技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析

付繼超 蘆浩 孫寒飛

摘要：文章首先對(duì)柔性直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用 前景進(jìn)行了展望，期望通過(guò)文章的研究能夠?qū)Υ龠M(jìn)柔性直流輸電技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用有所幫助。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電;技術(shù);現(xiàn)狀;應(yīng)用前景

柔性直流輸電是一種新型的直流輸電技術(shù)，CIGRE和IEEE將之定義為VSC-HVDC，其中VSC為電壓源換流器，它在工業(yè)驅(qū)動(dòng)裝置上的應(yīng)用十分廣泛，HVDC為高壓直流輸電，它是ABB公司在50多年前研發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，主要作用是提高遠(yuǎn)距離輸電效率。

1 柔性直流輸電的現(xiàn)狀優(yōu)勢(shì)

近些年以晶閘管換流器為核心的高壓直流輸電技術(shù)，吸引了人們的目光。其主要的優(yōu)勢(shì)在于高壓輸電走廊的低建設(shè)成本，不同相位交流電網(wǎng)的柔性互聯(lián)，負(fù)荷中心遠(yuǎn)距離大功率輸電。常規(guī)直流輸電技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)，柔性直流輸電技術(shù)均含有，但同時(shí)柔性直流輸電還具有一些獨(dú)有的特點(diǎn)。

1.1 孤島特性

常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)需要受端電網(wǎng)為強(qiáng)電網(wǎng)，受端電網(wǎng)需要提供電壓支撐方可保證輸電穩(wěn)定。常規(guī)直流建設(shè)初期，因本身交流電網(wǎng)容量較大，高壓直流輸電只是作為小部分補(bǔ)充，問(wèn)題并不明顯。近些年來(lái)，我國(guó)新能源建設(shè)蓬勃發(fā)展，大量西部的新能源需要通過(guò)直流線路輸送到東部負(fù)荷中心，交流端容量不足夠支撐大量直流線路輸入的問(wèn)題已逐漸明顯。相比于常規(guī)直流輸電，柔性直流輸電技術(shù)采用全控型器件，在受端電網(wǎng)可表現(xiàn)為一個(gè)獨(dú)立的交流電源，不僅對(duì)受端電網(wǎng)沒(méi)有電壓支撐要求，在交流網(wǎng)側(cè)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，還可以提供低電壓穿越能力。綜合看來(lái)，柔性直流技術(shù)的這一特性可以廣泛應(yīng)用于孤島供電及大規(guī)模新能源消納。 不僅在我國(guó)已經(jīng)建成諸如南澳島，舟山等項(xiàng)目，歐美也有大量已經(jīng)建成或者在建的采用柔性直流的孤島供電項(xiàng)目及新能源項(xiàng)目消納工程。

1.2 多端控制特性與配電網(wǎng)

常規(guī)直流輸電因其需要受端電壓支撐，多端控制相對(duì)較為復(fù)雜。所以國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的直流項(xiàng)目均是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式的長(zhǎng)距離高壓線路，將能源富集區(qū)的電力輸送至負(fù)荷中心。但隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展，多經(jīng)濟(jì)中心格局必然形成。單純的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輸送方式不能夠構(gòu)成多負(fù)荷中心及多能源輸送中心互聯(lián)的高壓直流輸電 網(wǎng)絡(luò)。且我國(guó)東西部距離較長(zhǎng)，不同的地區(qū)的負(fù)荷曲線隨著地點(diǎn)、季節(jié)都會(huì)發(fā)生較大的變化，而使用多端的靈活柔性直流輸電技術(shù)可以構(gòu)成在高電壓等級(jí)上的交直流輸電網(wǎng)絡(luò)來(lái)平衡各地不同時(shí)間不同季節(jié)能源需求。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)增長(zhǎng)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式只能作為地區(qū)發(fā)展不平衡狀態(tài)下的特殊時(shí)代產(chǎn)物，以多端柔性直流為高 壓輸電走廊，低壓交直流配合的混合式電力網(wǎng)絡(luò)代表了未來(lái)的發(fā)展方向。

1.3 MMC技術(shù)與諧波無(wú)功控制

柔性直流輸電提出時(shí)，主要采用兩電平或三電平技術(shù)構(gòu)成換流器，但對(duì)于高壓直流輸電的需求一直促使著研究人員對(duì)于柔直 換流器提出新的電氣拓?fù)?。串?lián)的MMC子模塊，因其可以采用多電平技術(shù)進(jìn)行高精度的輸出電壓控制，相比于常規(guī)直流輸電的濾波器需求，基于MMC技術(shù)的換流器幾乎不需要濾波支路。這無(wú)疑提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，降低了成本。電力系統(tǒng)中的 70% 的電能都被感應(yīng)電機(jī)所消耗，同時(shí)也帶來(lái)了大量的無(wú)功需求。對(duì)于配電網(wǎng)的大量無(wú)功需求，近年來(lái)電力電子器件的發(fā)展促進(jìn)了以 SVC、SVG 為代表的靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的迅速發(fā)展。但是相比于外置的無(wú)功補(bǔ)償裝置，基于柔性直流技術(shù)的換流器本身就可以提供無(wú)功補(bǔ)償。相比外置的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，其響應(yīng)速度，諧波控制，占地面積，經(jīng)濟(jì)造價(jià)都具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。需要指出的是，關(guān)于柔直換流器容量配置與SVG 容量配置，需要考慮到多方面問(wèn)題。如當(dāng)?shù)責(zé)o功需求、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備與換流器的無(wú)功響應(yīng)速度、兩種無(wú)功補(bǔ)償方式的經(jīng)濟(jì)成本、發(fā)生故障時(shí)對(duì)于低電壓穿越能力的需求等。

2 應(yīng)用前景分析

2.1 直流斷路器

面向直流輸電的斷路器，因其本身并沒(méi)有自然過(guò)零點(diǎn)，需要直流斷路器將故障下的直流迅速分開(kāi)。大電流下的觸點(diǎn)分開(kāi)，必然會(huì)造成拉弧，過(guò)壓等問(wèn)題。直流斷路器的研究一直是業(yè)界研究熱點(diǎn)。一定程度上說(shuō)，也是直流斷路器這一關(guān)鍵設(shè)備的缺失，造成了直流輸電技術(shù)一直無(wú)法大規(guī)模運(yùn)行。不過(guò)近些年，全球各大電氣設(shè)備廠商也在直流斷路器上投入人力物力展開(kāi)研究。已有不少企業(yè)可以提供大容量直流斷路器成套產(chǎn)品。

2.2 多端多層次配電網(wǎng)的穩(wěn)定控制

相比于以變壓器和發(fā)電機(jī)為核心的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)的核心在于換流器控制。以保護(hù)和控制一體的直流輸電控制系統(tǒng)為多耦合、強(qiáng)相關(guān)、非線性系統(tǒng)。系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、可靠性及相關(guān)的控制保護(hù)配合在小電網(wǎng)系統(tǒng)并未顯著體現(xiàn)出控制難度。但是隨著直流聯(lián)網(wǎng)與多端系統(tǒng)的發(fā)展，多個(gè)換流站之間的配合控制，既提高了系統(tǒng)整體可控的能力，也增大了系統(tǒng)連鎖，整體震蕩的風(fēng)險(xiǎn)。相比于交流系統(tǒng)，其故障影響、黑啟動(dòng)技術(shù)、區(qū)域間連鎖控制，均需要重點(diǎn)分析與設(shè)計(jì)。

2.3 替代交直流聯(lián)網(wǎng)

從國(guó)內(nèi)目前的總體情況上看，西部具有能源多、負(fù)荷少的特點(diǎn)，將近90%的水電集中在西部地區(qū);東部則具有能源少、負(fù)荷多的特點(diǎn)。為了使VSC-HVDC滿足實(shí)際應(yīng)用需要，其必須向大容量、長(zhǎng)距離方向發(fā)展，在這一過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)突破以下技術(shù)障礙：（1）改變VSC的材質(zhì)，可利用碳化硅替代二氧化硅，并對(duì)其封裝材料的絕緣性和耐熱性進(jìn)行改進(jìn)，以此來(lái)突破容量的限制;（2）加大對(duì)大電流直流斷路器的研發(fā)力度。一旦上述技術(shù)障礙得以有效突破，相信在不久的將來(lái)，VSC-HVDC勢(shì)必會(huì)替代傳統(tǒng)的直流輸 電系統(tǒng)承擔(dān)其大容量、遠(yuǎn)距離輸電的任務(wù)。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程會(huì)產(chǎn)生更多更為集 中的經(jīng)濟(jì)與能源中心，合理配備的柔性直流輸電系統(tǒng)才能更好地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)，降低輸電系統(tǒng)造價(jià)，提高系統(tǒng)可控能力，降低系統(tǒng)故障帶來(lái)的影響，縮小故障影響范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]周曦璇. 柔性直流輸電技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用前景探析[J]. 輕松學(xué)電腦， 2019， 000（013）：1-1.

[2]蔡暉， 彭竹弈， 張文嘉，等. 柔性直流輸電技術(shù)在江蘇電網(wǎng)的應(yīng)用研究[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償， 2019， 40（02）：96-100+106.