柔性直流輸電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱勁松

柔性直流輸電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱勁松

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024)

柔性直流輸電技術(shù)是指通過(guò)IGBT、IEGT等全控型器件對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行獨(dú)立控制，應(yīng)用該技術(shù)對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行改造不僅可以全面增加電網(wǎng)系統(tǒng)輸電的靈活性，還能在一定程度上緩解由于輸電線路空間過(guò)小導(dǎo)致輸電性能差的問(wèn)題。通過(guò)分析和總結(jié)柔性直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)，針對(duì)其在新能源發(fā)電并網(wǎng)、城市商業(yè)區(qū)電力增容、特殊地區(qū)高壓輸電等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探討，以期為電網(wǎng)建設(shè)工作提供一定的參考。

柔性直流；輸電技術(shù)；電力系統(tǒng)；應(yīng)用

1　柔性直流輸電概述

柔性直流輸電又被稱為輕型直流輸電或是新型直流輸電，為了促進(jìn)該技術(shù)規(guī)范與發(fā)展，相關(guān)部門將其統(tǒng)一命名為柔性直流輸電技術(shù)。柔性直流輸電技術(shù)是指通過(guò)IGBT、IEGT等全控型器件對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行獨(dú)立控制，并利用電壓源換流器的高壓直流進(jìn)行輸電，柔性直流輸電結(jié)構(gòu)如圖1所示。相較于傳統(tǒng)的輸電技術(shù)，柔性直流輸電技術(shù)的功能性更強(qiáng)，能應(yīng)用在如孤島供電、有功功率以及無(wú)功功率控制等方面，可以滿足更多場(chǎng)合的用電需求[1]。以孤島供電工程為例，若采用傳統(tǒng)供電方式實(shí)現(xiàn)孤島供電，就必須在島上設(shè)置類似于發(fā)電機(jī)組的電源，而采用柔性直流輸電技術(shù)進(jìn)行供電，只要在島上設(shè)置啟動(dòng)電源就可以直接進(jìn)行輸電。此外，與傳統(tǒng)輸電技術(shù)相比，應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù)具備長(zhǎng)距離輸電能力的優(yōu)勢(shì)，可有效降低電力網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行中的損耗。

圖1　柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　柔性直流技術(shù)的特點(diǎn)

2.1　技術(shù)原理

柔性直流輸電特指基于電壓源換流器進(jìn)行高壓直流輸電，是一種以電壓源型換流器、自關(guān)斷器件以及脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新型輸電技術(shù)。它與相控?fù)Q向技術(shù)的電流源換流器型高壓直流輸電技術(shù)最大區(qū)別是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中所采用的換流器為電壓源換流器，并利用可關(guān)斷器件以及高頻調(diào)制技術(shù)對(duì)換流器出口電壓扶持的有效調(diào)節(jié)來(lái)維持與系統(tǒng)電壓之間的差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出有功功率以及無(wú)功功率的精確化控制。利用該項(xiàng)技術(shù)可以保障兩個(gè)不同的交流電網(wǎng)之間有功功率傳輸?shù)男省４送?，通過(guò)兩端換流站還可以獨(dú)立調(diào)節(jié)無(wú)功功率，從而對(duì)其關(guān)聯(lián)的交流電網(wǎng)給予無(wú)功支撐[2]。

2.2　技術(shù)特點(diǎn)

(1)可以對(duì)有功功率以及無(wú)功功率進(jìn)行獨(dú)立控制。采用柔性直流輸電技術(shù)能保持電網(wǎng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定，并且能合理調(diào)節(jié)有功潮流；能保障有功功率在傳輸?shù)倪^(guò)程當(dāng)中不會(huì)發(fā)生太大的波動(dòng)，并且可以根據(jù)輸電任務(wù)的具體需求對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行合理化調(diào)節(jié)，降低電網(wǎng)系統(tǒng)在輸電過(guò)程中出現(xiàn)故障的概率[3]。

(2)相較于其他輸電技術(shù)，采用柔性直流輸電技術(shù)進(jìn)行潮流反轉(zhuǎn)操作更為便利。采用常規(guī)直流輸電技術(shù)進(jìn)行功率反轉(zhuǎn)操作時(shí)，為了保證操作過(guò)程的安全性以及合理性，需要將換流站停止運(yùn)行并及時(shí)改變電壓的極性，此外還需要現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)濾波器以及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投切情況進(jìn)行及時(shí)判斷。而采用柔性直流輸電技術(shù)進(jìn)行潮流反轉(zhuǎn)操作時(shí)，只需要將電流的方向合理轉(zhuǎn)變即可改變直流電壓的電極性，無(wú)需進(jìn)行其他任何操作。

(3)當(dāng)發(fā)生停電事故時(shí)，采用柔性直流輸電技術(shù)能直接向無(wú)源電網(wǎng)進(jìn)行供電操作，可以在最短的時(shí)間內(nèi)使電網(wǎng)恢復(fù)供電。

3　柔性直流輸電在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1　風(fēng)電電網(wǎng)工程

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民日常用電需求都在迅速擴(kuò)大。為了填補(bǔ)傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電不足造成的電力缺口，風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等各類新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的規(guī)模日益壯大，而風(fēng)能發(fā)電由于具有儲(chǔ)量豐富、風(fēng)向規(guī)律、低碳環(huán)保等一系列優(yōu)勢(shì)，在新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)中最具發(fā)展?jié)摿ΑｏL(fēng)電資源受容量以及傳輸距離的限制，采用傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)不符合遠(yuǎn)距離輸電的技術(shù)要求，而采用柔性直流輸電技術(shù)則擁有傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。將風(fēng)電資源通過(guò)柔性直流輸電技術(shù)并入到電網(wǎng)中，可以有效解決電網(wǎng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，全面提高風(fēng)電機(jī)組抵御電網(wǎng)故障擾動(dòng)的能力，降低風(fēng)電機(jī)組在輸電時(shí)發(fā)生停機(jī)的概率，進(jìn)而提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性能。此外，采用柔性直流輸電技術(shù)還可以改善接入的電網(wǎng)系統(tǒng)阻尼特性，并能大幅提高風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)速的適應(yīng)能力[4]。

3.2　非同步電網(wǎng)并聯(lián)

就當(dāng)前電力工程的實(shí)際使用情況而言，將柔性直流輸電技術(shù)合理應(yīng)用在跨區(qū)遠(yuǎn)距離高壓輸電工程中，可以有效滿足非同步電網(wǎng)的并聯(lián)需求，全面提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足各類電網(wǎng)的用電需求。

3.3　向孤立電網(wǎng)供電

海上石油鉆井平臺(tái)在進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)時(shí)，各類機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行需要大量電力支撐。此類項(xiàng)目一般位置特殊，供電距離較長(zhǎng)，很難通過(guò)搭建傳統(tǒng)的交流高壓輸電網(wǎng)的方式進(jìn)行供電，而采用柔性直流輸電技術(shù)進(jìn)行輸電可以完美解決長(zhǎng)距離輸電的技術(shù)難題，為類似海上石油鉆井平臺(tái)之類的孤立電網(wǎng)提供更為高效的能源。

3.4　城市中心區(qū)的應(yīng)用

隨著我國(guó)城市化率不斷提高，城市建設(shè)的步伐也隨之不斷加快，用于建設(shè)城市電網(wǎng)交流輸電走廊的空間變得越來(lái)越少，需要投入的成本也越來(lái)越高，制約了城市電力系統(tǒng)的發(fā)展。相較于架空交流線路來(lái)說(shuō)，架設(shè)直流電纜具備占用空間小、輸電量大等優(yōu)勢(shì)，采用柔性直流輸電技術(shù)對(duì)城市輸電網(wǎng)進(jìn)行改造，可以在一定程度上解決城市電網(wǎng)系統(tǒng)存在的短路電流問(wèn)題，還能對(duì)電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的潮流涌動(dòng)進(jìn)行合理化控制，全面提高城市電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.5　改善電能質(zhì)量

電爐煉鋼等高負(fù)荷用電行業(yè)在生產(chǎn)中所產(chǎn)生的非線性負(fù)荷、沖擊負(fù)荷、不對(duì)稱負(fù)荷都會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓發(fā)生一定程度的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)造成干擾，影響到電網(wǎng)中其他戶用的正常用電。采用柔性直流技術(shù)改造高負(fù)荷用電單位的輸電線路，可以合理化控制全網(wǎng)有功功率以及無(wú)功功率，使電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓維持在合理的范圍內(nèi)，確保全網(wǎng)用戶都能安全、正常用電[5]。

4　柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展

柔性直流輸電系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)發(fā)展隨著換流器技術(shù)的發(fā)展而不斷更新，調(diào)制技術(shù)也由最初的 PWM 調(diào)制逐漸發(fā)展到最新的階梯波調(diào)制，如圖2所示。

圖2　柔性直流輸電調(diào)制技術(shù)發(fā)展

5　結(jié)語(yǔ)

柔性直流輸電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用可以有效提高電網(wǎng)輸電質(zhì)量，降低輸電線路運(yùn)行時(shí)發(fā)生電壓下降現(xiàn)象的概率，還能精確控制電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率和有功功率，有效提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

[1] 張和陽(yáng).模塊化多電平換流器在柔性直流輸電技術(shù)中的應(yīng)用[J].中阿科技論壇(中英文),2021(9):104-107.

[2] 王斌.柔性直流輸電技術(shù)對(duì)大電網(wǎng)弱交流斷面輸電能力的影響[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2021,18(11):110-111.

[3] 蔡暉,彭竹弈,祁萬(wàn)春,等.背靠背柔性直流輸電技術(shù)在中心城區(qū)電網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償, 2021,42(2):79-84.

[4] 劉耀,吳佳瑋,肖晉宇,等.有源型柔性直流輸電技術(shù)在全球能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的應(yīng)用研究[J].全球能源互聯(lián)網(wǎng), 2020,3(2):107-116.

[5] 孔冠荀.柔性直流輸電系統(tǒng)顯式模型預(yù)測(cè)低復(fù)雜度控制技術(shù)研究[D].吉林:東北電力大學(xué),2019.

Application of the flexible high voltage direct current technology in power system

ZHU Jinsong

(State Grid Jiangsu Electric Power Co., LTD. Nanjing, Jiangsu 210024, China)

The flexible high voltage direct current(HVDC) technology is independent control of active power and reactive power through IGBT, IEGT, and other fully controlled devices. The application of this technology to the transformation of the existing power grid system can not only increase the flexibility of the power grid system but also alleviate the problem of poor transmission performance caused by too small a transmission line space to a certain extent. This paper analyzes and summarizes the characteristics of flexible HVDC technology, and discusses its application in grid connection of new energy power generation, power capacity increase in the urban business district, and high voltage transmission in special areas. This study is expected to provide some reference for the construction of a power grid.

flexible direct current; transmission technology; power system; application

TM721

A

2096–8736(2022)06–0053–03

朱勁松(1988—)，男，江蘇泰州人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃、柔性輸電技術(shù)。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立