柔性直流輸電發(fā)展現(xiàn)狀及應用前景

鄒常躍，韋嶸暉，馮俊杰，周月賓

(直流輸電技術國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學研究院)，廣州510663)

0 引言

柔性直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)是一種以電壓源換流器為基礎的新型直流輸電技術，誕生于20世紀90年代初，屬于第三代直流輸電技術。它結合了電力電子、電力系統(tǒng)、通信原理和自動控制等各方面先進技術，擁有良好的可控性和適應性，運行方式靈活、可應用范圍廣，對于新型電力系統(tǒng)建設中大規(guī)模新能源消納和電網(wǎng)智能化、數(shù)字化建設有著重大作用[1 - 2]。其突出特點包括不依賴電網(wǎng)換相、可孤島運行、諧波小、可獨立調節(jié)有功和無功功率等，在孤島輸電、弱電網(wǎng)供電、新能源并網(wǎng)、海上風電外送等方向上有著獨特優(yōu)勢[3 - 4]。

早期柔性直流輸電技術主要基于兩電平或三電平電壓源換流器[5]，由于其電平數(shù)少必須要采用高頻脈沖寬度調制，交流側諧波含量高，需要配置濾波器。同時，較大的開關電壓和開關頻率導致其開關損耗大，并對開關器件的一致性和均壓特性要求較高。2001年德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學提出了模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)的設計結構[6]，相比兩電平或三電平換流器，MMC具有制造難度低、損耗低、諧波含量小、開關器件承受電壓階躍低、故障處理能力強等優(yōu)點，極大地推動了柔性直流輸電技術的發(fā)展及工程應用[7]。2010年11月美國投運了世界上首個采用MMC技術的柔性直流輸電工程——Trans Bay Cable工程(±200 kV/400 MW)，世界上后續(xù)新建或規(guī)劃的柔性直流輸電工程幾乎都采用了MMC技術。

本文對柔性直流輸電技術進行綜述和展望。介紹了柔性直流輸電關鍵裝備最新研究進展和我國標志性柔性直流工程，提出了柔性直流輸電技術的未來應用前景。

1 柔性直流輸電發(fā)展現(xiàn)狀

1990年，加拿大McGill大學首先提出了柔性直流輸電技術的概念[8]。我國柔性直流輸電技術自21世紀初開始，歷經(jīng)10余年發(fā)展，國內柔性直流輸電技術在設備、工程成果方面均取得了巨大進展，逐步發(fā)展成為世界領先水平。

1.1 柔性直流輸電關鍵設備研究進展

近年來，我國在大功率電力電子器件、換流閥、高壓直流斷路器、高壓換流變壓器、直流電纜等柔性直流輸電關鍵設備的研制上取得重大突破，實現(xiàn)了“中國制造”。

1)電力電子器件

大功率電力電子器件方面，廣泛應用于柔性直流輸電的絕緣柵雙極晶體管(insulated-gate bipolar transistor, IGBT)發(fā)展迅速，正朝著高壓大容量方向邁進。近年來，國內外新建柔性直流工程所采用IGBT器件主要以電壓等級4 500 kV、電流2 kA/3 kA為主，主要器件生產(chǎn)廠家也正針對高壓大容量IGBT器件開展研發(fā)，6 500 V電壓等級或5 kA電流的IGBT器件有望在未來投入商業(yè)使用。

2017年，中車時代電氣研制的4 500 V/3 600 A壓接型IGBT成為當時世界上功率等級最高的壓接型IGBT，實現(xiàn)國內相關技術從無到有的突破[9]；此后國內相關產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，并積極探索多電平換流技術、串聯(lián)均衡控制技術[10]等。

由于具有低成本、低損耗、大容量、高可靠性等優(yōu)點，近年來集成門極換流晶閘管(integrated gate commutated thyristor，IGCT)的器件也得到廣泛關注[11]。ABB公司于1996年研制了首支IGCT器件，IGCT器件主要有非對稱型、逆導型和逆阻型3種結構類型[12]。中車已成功研制出4 500 V/4 000 A 非對稱型以及4 500 V/1 100 A逆導型IGCT 組件產(chǎn)品，并于2019年與清華大學聯(lián)合成功研制了直流電網(wǎng)用 IGCT-Plus器件，阻斷電壓4 500 V，直流連續(xù)電流3 000 A，關斷電流5 000 A。2020年，三峽集團、清華大學、西電集團等組成聯(lián)合團隊，開展了新一代高性能柔性直流換流閥的研發(fā)工作，目前已完成基于4.5 kV IGCT-Plus器件的MMC模塊、閥段和閥塔樣機試驗，以及基于6.5 kV IGCT-Plus器件的MMC模塊樣機試驗。IGCT器件國產(chǎn)化水平高，目前國產(chǎn)化IGCT-Plus已應用于多項工程，包括珠?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧能源工程[13]、東莞交直流混合配電工程以及張北直流電網(wǎng)[14]等，在MMC應用場景下，電力電子器件開關頻率較低，很大程度上規(guī)避了IGCT運行頻率較低的劣勢，突出了其在成本、效率、可靠性和安全性方面的優(yōu)勢，使得IGCT在高壓大容量MMC中具有應用前景[15 - 16]。

新型半導體器件方面，碳化硅(silicon carbide, SiC)材料是目前世界范圍內功率半導體器件研究的熱點之一。與傳統(tǒng)的Si器件相比，其耐溫能力強、通態(tài)壓降低、耐壓強度高、具有更快速的開關速度。基于SiC器件構建的換流器能夠大幅減少器件串聯(lián)數(shù)量、降低換流器損耗，有望對柔性直流輸電的發(fā)展帶來革命性的改變[17]。

2)柔直換流閥

換流閥方面，過去10年內，我國柔性直流換流閥容量從低壓小容量不斷發(fā)展[18]，依托南網(wǎng)科研院牽頭的國家重點專項“高壓大容量柔性直流輸電關鍵技術研究與工程示范應用”，中國西電集團研制出±800 kV/5 000 MW特高壓柔性直流輸電換流閥，這是目前世界上電壓等級最高、容量最大的特高壓柔性直流輸電換流閥[19]。經(jīng)過多年發(fā)展，我國已具備成套供貨大容量柔性直流輸電換流閥的能力，將有力支撐國家西電東送工程、深遠海風電開發(fā)。

為適應遠距離架空線直流傳輸，柔性直流輸電系統(tǒng)需具備直流線路暫時性故障清除能力，實現(xiàn)手段主要有裝設直流斷路器或采用具有直流故障自清除能力的換流閥等。目前典型的長距離架空線柔性直流輸電工程主要有昆柳龍?zhí)馗邏憾喽巳嵝灾绷鞴こ毯蛷埍敝绷麟娋W(wǎng)，其中昆柳龍直流工程采用全橋+半橋混合結構的MMC以實現(xiàn)直流故障自清除。

國產(chǎn)化方面，近年來柔直換流閥國產(chǎn)化得到極大重視，柔性直流換流閥的研發(fā)正快速推進。柔直換流閥國產(chǎn)化的難點主要在于子模塊功率器件、直流電容以及二次板卡芯片等，其中功率器件國內主要生產(chǎn)廠商為中車，已具備大規(guī)模供貨業(yè)績；國產(chǎn)化直流電容尚無柔性直流供貨業(yè)績，但已具備應用條件；國內換流閥廠商也正針對全國產(chǎn)化芯片的二次板卡開展研發(fā)工作。MMC國產(chǎn)化子模塊在國內柔性直流工程逐步得到應用，其中昆柳龍直流工程龍門、柳州換流站試點使用了部分國產(chǎn)模塊，運行狀況良好。另外，國產(chǎn)IGBT將大規(guī)模應用于正在建設中的廣東背靠背柔直工程和白鶴灘直流工程。

3)高壓直流斷路器

柔性直流輸電系統(tǒng)直流線路一旦發(fā)生故障，換流器和直流側儲能元件將快速放電，導致故障電流在數(shù)毫秒內達到電力電子器件的耐受上限，威脅設備和系統(tǒng)運行安全。高壓直流斷路器可以實現(xiàn)直流故障的快速切除和隔離，對保證直流電網(wǎng)安全可靠運行具有重要意義。直流斷路器拓撲原理復雜多樣，根據(jù)關鍵開斷器件的不同，可分為全固態(tài)式直流斷路器、機械式直流斷路器、機械開關與固態(tài)開關相結合的混合式直流斷路器。其中，混合式直流斷路器充分利用了機械開關載流、絕緣能力強和固態(tài)開關開斷能力強的特點，是當前高壓直流斷路器的主要研究及發(fā)展方向[20]。

高壓直流斷路器發(fā)展現(xiàn)狀方面，2015年7月，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院研制的世界首臺200 kV高壓直流斷路器通過鑒定，成為全球首個200 kV高壓直流斷路器，并于2016年12月正式在舟山投運，標志著我國相關技術走到世界前列[21]；2017年12月，由南網(wǎng)科研院、華中科技大學、思源電氣聯(lián)合研制的世界首臺160 kV機械式高壓直流斷路器在南澳成功投運[22]；同年，針對張北四端直流電網(wǎng)電壓等級高、開斷電流大的特點，我國研制出了世界上電壓等級最高、開斷電流最大的500 kV直流斷路器，開斷時間小于2.6 ms，可實現(xiàn)26.2 kA電流的開斷[23]。

4)柔直變壓器

柔直變壓器布置在換流站交流側和換流閥之間，是柔直換流站與交流系統(tǒng)之間能量交換的重要紐帶。2018年12月，由中國西電變壓器公司完全自主研發(fā)的張北工程首臺換流變壓器通過試驗，技術性能達到國際領先水平[24]；2019年9月，保定天威保變電氣公司自主研發(fā)的龍門換流站首臺800 kV柔性直流變壓器通過試驗，成為當時世界電壓等級最高、容量最大的柔直變壓器[25]。目前工程用柔直變壓器主流制造水平達到了單臺容量575 MVA(廣東背靠背直流工程)，單臺電壓±800 kV(昆柳龍直流工程)。

5)直流電纜

當柔性直流應用于海上風電送出、海島送電等場景時，輸電線路常采用直流電纜。直流電纜成為制約柔性直流電壓等級和輸送容量的關鍵因素之一。根據(jù)絕緣方式的不同，柔性直流輸電電纜可分為黏性浸漬紙(mass-impregnated paper, MI)絕緣電纜、自容式充油(self contained oil filling, SCOF)電纜、交聯(lián)聚乙烯(crosslinked polyethylene, XLPE)電纜，其中XLPE電纜因具有傳輸容量大、允許工作溫度高、制作工藝簡單、經(jīng)濟性好、無漏油風險等特點，在高壓柔性直流輸電工程得到廣泛應用[26]。

歐洲的直流電纜制造工藝與研發(fā)處于領先地位，丹麥NKT公司已研制出±525 kV XLPE直流電纜產(chǎn)品，輸送容量達到2 600 MW。2020年，英國和丹麥之間海底電纜“維京連接”項目正式啟動，采用±525 kV 高壓直流輸電進行傳輸，輸送容量1 400 MW，全長約760 km，其中620 km采用海底電纜，工程預計2023年底投入使用，這將是世界上最長、電壓等級最高的高壓直流海底電纜連接工程。

近年來中國XLPE直流電纜制造能力取得了長足進步[27]，2013年我國首次自主設計制造的±160 kV XLPE絕緣光纖復合直流海底電纜、陸上電纜及其配套附件在南方電網(wǎng)南澳多端柔性直流輸電示范工程得到應用。2014年，國網(wǎng)舟山多端柔性直流輸電工程、廈門柔性直流輸電工程分別采用了國產(chǎn)化±200 kV、±320 kV XLPE絕緣直流電纜，直流電纜長度分別為294 km和21 km。2017年，中天科技成功研制出中國首根±525 kV XLPE絕緣電纜，標志著我國高壓直流電纜制造水平躋身國際前列[28]。另外，東方電纜同樣具備±535 kV 直流電纜制造能力。已投運的江蘇如東海上風電直流送出工程采用±400 kV XLPE絕緣直流電纜，輸送容量1 100 MW[29]。±500 kV XLPE絕緣直流電纜有望在近年國內海上風電直流送出工程中得到應用。

1.2 我國柔性直流輸電標志性工程

近10年來，我國投入了多項柔性直流工程，電壓等級、輸送容量均處于世界領先地位，目前我國投運或在建的柔性直流輸電工程[14，30 - 39]如表1所示。

表1 我國柔性直流輸電工程Tab.1 VSC-HVDC projects in China

其中，多個柔性直流輸電工程有著里程碑式的意義：

1)2011年，±10 kV/4 MW中海油柔性直流工程、±30 kV/18 MW上海南匯風電柔性直流工程先后投運，拉開了我國柔性直流輸電技術快速發(fā)展的序幕[30 - 31]。

2)2013年，南方電網(wǎng)公司于南澳建設的三端柔性直流輸電示范工程正式投運，直流電壓等級為±160 kV，輸送容量200 MW，該工程為世界上首個多端柔性直流輸電示范工程[32]。

3)2016年，“魯西背靠背直流工程”柔性直流單元建成投運，是世界上首次采用柔性直流和常規(guī)直流組合模式的背靠背工程，也是當時世界電壓等級最高、輸電容量最大的柔性直流輸電工程[35]。

4)2020年6月9日，張北柔性直流輸電示范工程正式投運，首次突破了柔性直流組網(wǎng)技術，成為世界首個柔性直流電網(wǎng)工程，將柔性直流的輸電容量與可靠性提升至常規(guī)直流水平[36]。

5)2020年11月24日，世界首個特高壓多端混合直流輸電工程——昆柳龍直流工程系統(tǒng)電壓首次提升至800 kV，使柔性直流輸電進入特高壓新時代。該工程于同年12月27日正式啟動投產(chǎn)送電，這也是世界上首個在送端采用常規(guī)直流、受端采用柔性直流的特高壓、遠距離直流輸電工程[37]。

從無到有、從追逐者到領跑全球，國內柔性直流輸電技術已經(jīng)邁入又一個新時代，克服了特高壓柔性輸電、直流組網(wǎng)等技術難題，不斷提高直流電壓等級與輸送功率容量，誕生了“昆柳龍”與“張北”兩大世界領先級工程，展現(xiàn)了其強大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應用前景。未來柔性直流輸電技術將在降低損耗、降低成本、模擬發(fā)電機特性(例如構網(wǎng)型控制、慣性模擬、更強大的電網(wǎng)支撐)等方向進一步發(fā)展，不斷提升性能。

2 柔性直流輸電應用前景

在新型電力系統(tǒng)建設、“雙碳”目標提出的大背景下，柔性直流輸電技術的應用前景主要體現(xiàn)在以下5個方面。

2.1 大規(guī)模新能源消納、海上風電直流接入

新型電力系統(tǒng)背景下，新能源將大規(guī)模并網(wǎng)，新能源所具有的間歇性、隨機波動性使其對電網(wǎng)的自我調節(jié)能力有著較高的要求。而柔性直流輸電技術所具有的高適應能力、高靈活性和高穩(wěn)定性特點對解決這一問題有著重大作用。通過柔性直流輸電中的換流閥環(huán)節(jié)，利用電力電子器件的全控性與控制系統(tǒng)的調節(jié)能力強的特點，有效降低可再生能源波動對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，極大地緩解新能源大規(guī)模接入對電網(wǎng)的沖擊。

我國“十四五”規(guī)劃提出推進能源革命，建設清潔低碳、安全高效的能源體系，加快發(fā)展非化石能源，大力提升風電規(guī)模，有序發(fā)展海上風電[40]。我國具有漫長的海岸線，可開發(fā)海上風力資源豐富，大力發(fā)展海上風電是實現(xiàn)“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”目標的重要舉措之一[39]。隨著海上風電開發(fā)的遠海化和深?；?，基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電技術成為了海上風電送出的主要方式。近年來，國內相關研究取得明顯突破。如東海上風電柔性直流輸電示范項目[41]為國內首個±400 kV柔性直流輸電海上風電項目，預計每年上網(wǎng)電量3 300 GWh，相當于節(jié)約1×106t標準煤，減排2.51×106t二氧化碳，展現(xiàn)了柔性直流輸電技術對促進新能源消納與節(jié)能減排的重要作用。正在規(guī)劃中的陽江青洲五七海上風電場擬采用柔性直流送出方式，輸送容量將達到2 000 MW，取得進一步突破。

2.2 多端柔性直流與直流電網(wǎng)

多端柔性直流輸電系統(tǒng)由3個或以上換流站通過串并聯(lián)或混聯(lián)等方式組成，可實現(xiàn)多片區(qū)電源送出或多落點受端送電，具有控制靈活，可充分利用直流線路的優(yōu)勢，近年來得到了廣泛的工程應用。如南澳三端柔性直流輸電工程中，金牛和青澳兩個送端換流站將南澳島風電匯集后輸送至陸上塑城換流站；昆柳龍混合直流工程由送端昆北換流站和受端柳州、龍門換流站組成；舟山多端柔性直流工程則包含5個換流站。隨著多端柔性直流技術的成熟，直流電網(wǎng)的發(fā)展也得到有效推動。

直流電網(wǎng)在高壓大容量領域中具備更高的可靠性、經(jīng)濟性和靈活性，可以實現(xiàn)多個電源資源的整合，匯集和輸送多種形態(tài)能源，解決大規(guī)模新能源間歇性、波動性強等問題，以低損耗、高效率實現(xiàn)電能的分配和輸送，在大規(guī)模新能源接入等場景具有廣泛的應用前景。張北直流電網(wǎng)是世界首個直流電網(wǎng)工程，于2020年正式投產(chǎn)運行，同時歐洲也提出了海上網(wǎng)狀HVDC輸電電網(wǎng)的構想——PROMOTioN項目。然而，目前直流電網(wǎng)的發(fā)展還存在直流故障快速檢測和隔離、直流電壓變換、直流網(wǎng)絡潮流控制等技術難題，與之相對應的核心裝置是大容量高電壓高速直流斷路器、大容量直流變壓器、直流線路潮流控制器[3]。

2.3 遠距離、大容量架空線柔性直流輸電

中國地域遼闊，東西部用電資源和用電需求極度不平衡，西部具有豐富的水電和新能源發(fā)電資源，東部具有大量的用電需求但用電資源較為貧乏，西電東送是實現(xiàn)我國東西部用電平衡的重要手段。遠距離、大容量架空線直流輸電通過提升電壓等級和系統(tǒng)容量可有效提高線路傳輸效率、降低造價，而柔性直流輸電技術具有控制靈活、無換相失敗問題等優(yōu)勢，因此遠距離大容量架空線柔性直流輸電技術在我國應用前景廣泛。

為提升柔性直流輸送容量，目前的技術路線主要有采用高、低柔性直流換流器串聯(lián)技術，或采用常規(guī)直流換流器、柔性直流換流器混合級聯(lián)技術，如昆柳龍直流工程龍門換流站采用雙極四換流器結構，每極由高低換流器串聯(lián)組成，輸送容量5 000 MW；白鶴灘直流工程受端采用混合級聯(lián)技術，高端換流器采用常規(guī)直流換流器、低端換流器采用3個柔直換流器并聯(lián)，輸送容量達8 000 MW。除此之外，遠距離架空線柔性直流輸電技術還需要解決直流線路暫時性故障自清除問題，主要的技術路線有研制高壓直流斷路器或具有故障自清除能力的換流器拓撲。

同時，我國現(xiàn)有常規(guī)直流輸電通道規(guī)模大，負荷中心常規(guī)直流受電落點多，負荷中心交流系統(tǒng)故障引起多回直流換相失敗的風險大，系統(tǒng)存在大面積停電的安全隱患。為解決此問題，在現(xiàn)有遠距離大容量架空線常規(guī)直流輸電的基礎上，將受端換流站改造成柔性直流換流站，能有效降低換相失敗風險，并且充分利用了現(xiàn)有資源，降低工程造價，這也是未來遠距離大容量架空線柔性直流輸電的重要發(fā)展方向之一。

2.4 柔性直流配電網(wǎng)

在“雙碳”目標提出的背景下，光伏、風電、儲能等分布式能源并網(wǎng)需求不斷增加，同時隨著電力電子技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心、電動汽車、變頻家電等直流負荷逐漸增多，推動了柔性直流配電網(wǎng)的發(fā)展。直流配電網(wǎng)不存在頻率穩(wěn)定和無功補償?shù)葐栴}，系統(tǒng)可控性得到極大提高，可實現(xiàn)可再生能源和直流負荷的靈活接入和高效管理，提高系統(tǒng)的供電質量。另外，相比交流電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)中新能源和直流負荷接入減少了DC/AC變換環(huán)節(jié)、線路不存在渦流損耗和由無功傳輸造成的損耗，系統(tǒng)功率輸送效率得到提高。

除此之外，對于城市輸配電網(wǎng)，其往往具有高密集度、應用場景繁多、用戶需求復雜、整體波動性大等特點，對于穩(wěn)定性與可靠性有著較高要求。目前我國城市內部電網(wǎng)系統(tǒng)采用交流輸電居多，相比之下柔性直流輸配電無集膚效應，在同線路條件下具有更高的輸電能力，可減少輸電線路對空間與土地資源的占用，能更好地滿足城市電網(wǎng)需要，存在廣闊的應用空間。

2.5 助力小型發(fā)電廠與主網(wǎng)連接、實現(xiàn)孤島供電

傳統(tǒng)輸電技術對于發(fā)電廠并網(wǎng)條件要求較高，對于距離主網(wǎng)較遠、裝機容量較小的小型發(fā)電廠而言，使用傳統(tǒng)方式并網(wǎng)存在較大困難，容易出現(xiàn)高成本或輸送能力不足的問題。柔性直流輸電技術不受限于接入的交流系統(tǒng)短路容量，且一端交流擾動不會經(jīng)直流系統(tǒng)傳導至其他另一端，能夠實現(xiàn)分散靈活接入電網(wǎng)形態(tài)，可有效連通小型發(fā)電廠與主網(wǎng)，顯著提高電能輸送效率、質量與穩(wěn)定性。

在偏僻山村、海島、油田、鉆井等供電需求場景中，因其遠離電網(wǎng)主網(wǎng)的特點，通常以就地使用小型柴油發(fā)電機等方式進行發(fā)電，燃料運輸成本高、對環(huán)境污染大。柔性直流輸電技術具有可向無源網(wǎng)絡直接供電、輸電功率大小不受限制等優(yōu)點，且可采用埋地式電纜傳輸，受環(huán)境條件干擾較小，適用于遠距離輸電與孤島負荷供電，可有效解決類似問題，提高供質量。

3 結語

柔性直流輸電技術是一種以電力電子器件為基礎的新型直流輸電技術，電力電子器件和柔直換流閥正朝著高電壓、大容量方向邁進，同時新型可開斷器件IGCT也取得一定的研究進展；高壓直流斷路器、柔直變壓器等關鍵設備隨著柔性直流工程的需求性能得到逐步提升；為適應海島聯(lián)網(wǎng)、海上風電直流送出等應用場景，直流電纜電壓等級已提升至±500 kV以上，可輸送容量超過2 000 MW。

國內柔性直流輸電技術與工程處于世界領先地位，誕生了張北直流電網(wǎng)和昆柳龍?zhí)馗邏憾喽巳嵝灾绷鞴こ虄蓚€世界級工程。同時，在國內柔性直流工程的發(fā)展下，柔性直流輸電關鍵設備國產(chǎn)化研究進程不斷加速，正克服技術瓶頸，朝著全國產(chǎn)化方向邁進。

在“雙碳”目標的背景下，國內大規(guī)模新能源消納、海上風電接入需求不斷增加，西電東送的遠距離大容量架空線路直流輸電仍然是解決國內用電資源不平衡的重要手段，多端直流、直流電網(wǎng)以及直流配電網(wǎng)具有更好的靈活性、可靠性和經(jīng)濟性等；各方面發(fā)展需求將促使柔性直流輸電迅速發(fā)展，柔性直流輸電技術具有廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊?/p>