柔性直流输电技术在电力系统中的应用研究

Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ●电力电子　柔性直流输电工程技术的研究与应用　力　通　输　直　情　国　域　工　电　【关键词】柔性直流输电工程技术应用现状　未来电网　自上世纪８Ｏ年代柔性直流输电技术概念　被提出起，经过这些年的发展，特别是在包括　电子技术、控制技术、微处理技术等方面的发　展，使当前柔性直流输电技术诸多的关键性问　题逐渐得到解决，此技术在电力高压输变电系　统中得到越来越多的重视。　１柔性直流输电工程技术介绍　１．１柔性直流输电系统主接线　采用两电平、三电平换流器的柔性直流输　电系统一般采用在直流侧中性点接地的方式，　而模块化多电平柔性直流输电系统则一般采用　交流侧接地的方式。这些接点方式都是单极对　称系统，正常情况下不需要单独设置专门接地，　但当直流线路或换流器发生故障后，整个系统　将无法运行。在相同系统参数下，单极不对称　系统换流阀所耐受电压水平是单极对称系统的　两倍，直流侧的不对称还将造成换流器交流侧　电压水平提升。　柔性直流输电工程为了降低直流侧故障　的发生率，大多数采用电缆作为传输线路，因　此柔性直流输电系统采用单极结构，同时，采　用单个换流器可靠性更高，成本更低。对于多　端柔性直流输电系统，系统连接方式一般为并　联形式，这是由于并联式具有更小的线路损耗、　更大的调节范围、更灵活的扩建方式，这样不　仅可以保证换流器工作在同一电压水平，而且　有更好的经济性。　１．２柔性直流输电换流器技术　柔性直流输电的换流器可根据桥臂的等　效特性，分为可控电源型和可控开关型两类。　可控电源型交流器的储能电容分散于各桥臂　中，其换流桥臂等效为可控电压源，通过改变　桥臂的等效电压，间接改变交流侧输出电压。　文／路晓丽　可控开关型换流器的换流桥臂等效为可控开　关，通过适当的脉宽调制技术控制桥臂的开通　与关断，将直流侧电压投递到交流侧。　目前投入工程应用的换流器技术中，无论　是两电平还是半桥型模块化多电平换流器，均　存在无法在直流故障下实现交直流系统隔离的　问题。而全桥式和钳位双子模块型模块化多电　平换流器，由于可以使桥臂等效输出电压为负，　在直流电压急剧降低时，仍然可以支撑交流电　压，从而实现对交流侧短路电流的抑制作用。　１．３柔性直流输电控制与保护　柔性直流输电保护系统的主要功能是保　护输电系统中所有设备的安全正常运行，在故　障工况下，能够迅速切除系统中故障或不正常　的运行设备，以保证剩余系统的安全运行。高　压直流输电系统的保护配置需要同时满足可靠　性、选择性、灵敏性、快速性、可控性、安全　性等原则，易于运行维护。基于模块化多电平　换流器系统保护策略两者主要的区别在于具体　的保护区分和保护算法设计，大致可分为交流　侧保护、换流器保护和直流区保护。　２柔性直流输电工程应用领域及现状　２．１柔性直流输电工程应用领域　现阶段由于柔性直流输电技术特点，其　构成的系统可以广泛应用于可再生能源接入、　孤岛供电、城市供电、智能电网互联等领域。　用于风电、太阳能等功率输出波动较大的可再　生能源接入，可以缓解功率波动引起的电压波　动，改善电能质量。用于海岛、海上钻井平台　供电时，可以充分发挥柔性直流系统自换相的　技术优势，大幅减少投资及运行费用。用于向　城市中心供电，可以控制有功及无功功率，解　决电压闪变等电能质量问题，提高系统稳定性，　并且可以在无电磁干扰及不影响城市市容的情　况下，完成城市电网的增容改造，满足城市中　心负荷的需求和环保节能的要求。用于电网互　联，不仅可以完成电网间功率交换的功能，还　可以凭借其快速独立调节无功功率、不提供短　路电流等技术特征，解决大规模电网中的动态　稳定性及短路电流超标等问题。　２－２国外柔性直流输电工程应用现状　截至２０１２年底，全球共有１６个国家投　入柔性直流输电工程建设，其中有１３个柔性　直流输电工程投入运行，其中四个用于风电厂　接入电网，６个用于电网间互联，１个用于大　型城市的供电，２个用于海上钻井平台供电。　２．３国内柔性直流输电工程应用现状　我国在柔性直流输电工程技术研究与应　用方面起步较晚。２００６年之前都集中在两电　平换流器柔性直流输电系统建模与仿真分析等　方面，对于工程技术的研究少有涉及。２００６　年，国内研究单位开站了基于ＭＭＣ的柔性　直流输电工程技术研究，在技术层面取得了　突破性进展，并于２０１１年７月在上海南汇投　运了中国首条柔性直流输电示范工程。国家　电网计划于２０ｌ４年在舟山电网建成一个５端　柔性直流输电工程，包含５个换流站，系统　总容量ＩＯ００ＭＷ，其中最大的换流站容量为　４００ＭＷ，直流电压等级为￣５００ｋＶ。该工程是　目前世界上端数最多的柔性直流输电工程，工　程的建设与实施为未来实现海岛供电、可再生　能源并网、多端直流输电等应用，提供技术和　工程上的良好借鉴。　３结论与展望　随着社会的发展，全球应对气候变化的　要求及能源供给安全形式日趋严峻，迫切需要　构建更为智能、清洁、高效、可靠的输电网络，　因此柔性直流电技术也成了世界各国电力行业　发展的努力方向。柔性直流技术以其有功无功　独立调节、无源供电能力以及易于构建直流电　网等特点，越来越受到人们的关注。随着可关　断器件、直流电缆等设备技术水平的不断提升，　柔性直流的输送容量也得到了有效提升，使柔　性直流输电成为电网可采用的主要输电方式之　一，较其他输电方式，柔性直流输电技术更有　竞争力。在可预见的将来，随着可再生能源结　束电网的需求，以及智能电网升级改造等需求，　世界范围内的柔性直流输电应用将会获得更为　深远广阔的发展。未来的十年将是直流电网技　术和建设快速发展的阶段，随着装机容量的需　求不断提升，某些领域逐步取代传统直流和交　流输电系统是大势所趋。　参考文献　…１国家电网公司．国家电网公司促进清洁能　源发展综合研究报告［Ｚ］．北京：国家电　网公司，２　００９．　［２］汤广福，贺之渊，曹均正等．２０１２年国际　大电网会议系列报道：高压直流输电和电　力电子技术最新进展【Ｊ］．电力系统自动　化．２０１２．　［３］董云龙，包海龙，田杰等．柔性直流输电　系统控制及保护系统…．电力系统自动　化．２　０１１．　作者简介　路晓丽，女，（１　９８７一）本科，助理工程师。　研究方向：电气设计。　作者单位　宁夏电力设计院　宁夏回族自治区银川市　７５０００１　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉ

势，人们对供电可靠性和电能质量的要求也越来越高。　由于国内大部分城市的电网均是以交流输电为主，在　当前的形势下，电网面临的困难和挑战越来越大，如城　市电网电能传输通道资源日渐紧张、供电容量激增导致　短路电流超标、土地资源紧缺导致输变电站站址选择困　难。由于ＶＳＣ—ＨＶＤＣ技术所产生的谐波含量要明显少于传　统的直流输电，加之其能够对有功和无功功率进行快速　控制，将其应用到城市电网当中，必然能够使供电质量　获得显著改善。同时ＶＳＣ—ＨＶＤＣ的电缆为埋地式直流电　缆，工程建设中不需要设置输电走廊，既能够满足城市　电网的增容目的，又不会对城市市容造成影响。此外，　换流站本身的占地面积较小，可大幅度节约土地资源。　上述的这些优点，使ＶＳＣ—ＨＶＤＣ技术在城市电网增容扩建　中具备了一定的应用优势，这也成为未来一段时期该技　术应用的主流发展方向。　２．２替代交直流联网　从国内目前的总体情况上看，西部具有能源多、负　荷少的特点，将近９０％的水电集中在西部地区；东部则　具有能源少、负荷多的特点，相关调查数据结果显示，　东部七省的电力消费约占全国的４０％以上。由上述分析　不难看出，我国东西部的能源和负荷严重失衡，正因如　此，使得大容量、远距离输电尤为必要，这也是特高压　直流输电工程不断增多的主要原因之一。相关研究结果　表明，传统的直流输电对接入电网的短路容量要求较　高，并且需要额外配置大量的无功补偿装置。与此同　时，随着大量特高压直流线路接入电网，使得传统直流　输电系统出现了各种新的问题，如换相失败、多条直流　并入电网后互相影响等。从理论的角度上讲，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ　对接入的交流电网无任何特殊要求，可实现各种形式的　交直流联网，由此对电网运行稳定性所产生的影响十分　轻微，可忽略不计。从目前ＶＳＣ～ＨＶＤＣ系统的输送容量上　看，其主要受ＶＳＣ容量和直流电缆耐受电压的限制，由　于尚未研发出适用于大电流开断的直流断路器，故此，　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ系统的主流侧故障自清除能力相对较差，若是　在直流侧发生短路故障，则必须对交流断路器进行切　除，并对整个直流系统进行闭锁处理，由此会导致故障　恢复时间延长，所以不宜采用架空输电线路，而更适合　

高压柔性直流输电在电网中的应用

作者：黄红荔，黄朵

来源：《教育教学论坛》 2016年第52期

黄红荔，黄朵

（福建电力职业技术学院，福建泉州362000）

摘要：随着电网技术的发展，直流输电技术在电网中的应用日益增加，尤其是近年柔性直流输电技术（VSC-HVDC）的发展，使得电网输电逐渐呈现交流与直流并存的格局。本文对高压柔性直流输电在电网中的应用进行论述，以阐明当前电网中柔性直流输电的发展前景。

关键词：直流输电技术；柔性直流输电；应用

中图分类号：F416.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0251-02

一、引言

上世纪90年代柔性直流输电技术开始出现，并得到较快的发展。1997年瑞典的“赫尔斯扬工程”试验成功，标志着柔性直流输电技术开始从理论走入试验验证中。1999年至2000年期间，澳大利亚和丹麦的柔性直流输电工程的建成标志着柔性直流输电技术正式开始走向实际应用[2]。我国柔性直流输电技术示范工程开始于2008年。2008年12月“柔性直流输电关键技术研究与示范工程”作为国家电网公司的重大科技专项正式启动。2014年世界上首个五端柔性直流输电工程，由国家电网公司中国电力技术装备有限公司总承包的“浙江舟山±200千伏五端柔性直流输电示范工程”正式投产运行。2015年12月厦门“福建厦门±320千伏柔性直流输电科技示范工程”正式投运，标志着我国已经掌握了高压大容量柔性直流输电关键技术和工程成套应用的能力，实现了柔性直流输电技术领域的国际引领，让世界柔性直流输电技术向前迈进一大步。柔性直流输电是以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）、GTO（可关断晶闸管）等器件构成电压源换流器，采用了脉宽调制（PWM）等技术的一种直流输电技术。柔性直流输电具有能够给无源网络供电、换相基本不会失败、换流站间无需通信以及容易构建多端直流系统等优点[1]。柔性直流输电是相对于传统基于晶闸管的电流源型直流输电的一种说法，因为它运行方式更灵活、系统的可控性更好，因此才被称为柔性直流输电。在电力电子技术快速发展的今天，柔性直流输电在解决远距离大容量输电、分布式电源接入以及特大型交直流混合电网疑难问题起到重要作用[2]。因此在世界各国都在大力地研究和推广应用，成为当今电网技术研究的热点方向。本文对高压柔性直流输电在电网中的应用进行论述，以阐明当前电网中柔性直流输电的发展前景。

柔性直流输电技术的应用探究

摘 要：本文主要针对柔性直流输电技术的系统结构、基本工作原理和技术的特点、功能等方面对柔性直流输电技术的发展与应用进行阐述，柔性直流输电技术补充了传统高压电技术的不足，提供了新的途径方法，结合国内外输变电技术的发展对可再生能源进行研究。

关键词：柔性直输电；技术；应用

从技术上讲，灵活的直流输电技术是新一代直流输电电压源换流器为核心，采用电压源换流器和最先进的全控制的设备，传统的高压直流输电技术的升级。相比交流和常规输电，在传输能量的同时，灵活地调整柔性直流输电技术，它具有可控性好，操作灵活，适用范围

广的场合等显著优点。

1 柔性直输电技术的概念

1.1 柔性直输电的历程

谈到电力传输的历程，电力传输目前有三个阶段，分别为直流阶段、交流阶段以及交直流相混合输电阶段。早期的用电运输工程是从直流输电系统开始的，这种直流输电系统存在弊端，效果不好，不能直接将直流电进行升压，这样导致输电距离受到很大的限制，限制了发展，更不能满足输送容量的增长以及输电距离增加的相应需求。后来，三相交流发电机和变压器应运而生，随着交流电的优势日益明显，交流输电也就开始逐渐地代替了直流输电系统，由于良好的性能，交流电发展迅猛，并且得到世界各国的普及，逐渐形成了当代交流电网的雏形。对于大功率换流器的研究成功，解决了高压直流输电上的技术难题。相比直流输电，交流输电在一些方面具有很强的优势。现在，为了更好的发展输电技术，开始使用柔性直流输电技术，比如在远距离大功率的输电方面、海底电缆输电系统以及两个交流系统之间的非同步联络等等。 1.2 柔性直输电技术的技术特点

当前，柔性直流输电技术有了较大的提高，特别是在降低损耗控制方面以及保护技术这些方面都取得了相当大的进步。在柔性直流输电技术方面，前期仍然存在一些问题，比如说在受控端网络方面必须是一个完整的有源系统，不能实现向无源系统供电。后来采用新的技术，用全控型半导体器件IGBT组成的电压源型换流器的柔性直流输电在瑞典顺利运行，这也标志着直流输电技术向新的发展迈进。随着全控型功率器件的发展及其性能的不断改善，基于电压源(vsC)换流技术的高压直流输电(HvDC)的工程应用越来越多。目前来看，从柔性直流输电的技术特点以及实际工程的运行效果来看，这种直流输电技术非常适合应用于可再生能源并网网络、分布式发电并网网络、孤岛供电网络、城市电网供电以及异步交流网互联等领域，可以让可再生能源得到充分的利用，并且可以提高传输效率，因此发展柔性直流输电技术具有非常现实和实用的意义。