柔性直流輸電技術發展現狀研究

許卉　熊旭　閆曉娜

摘 要：伴隨著新型電力電子器件IGBT的出現，開通和關斷均可控制，具有兩個自由度。基于IGBT的輸電方式是一種更優的輸電方式。其豐富的控制方式具有很多優點，柔性直流輸電的應用范圍越來越廣泛。文章主要對柔性直流輸電進行簡介，首先與傳統技術比較，介紹了多端直流輸電以及柔性直流輸電的優點，并對其的應用進行介紹，努力構建我國堅強智能電網。

關鍵詞：傳統直流；柔性直流；晶閘管；IGBT；電壓源換流器

1 概述

隨著IGBT、GTO、IGCT等新型高壓大功率可控關斷電力電子器件的不斷發展，使其可承受的額定電壓、電流增大，新型換流技術基于PWM技術可將小功率及中低壓系統變換到高壓等級的輸電領域，且逐漸取代相控換流技術。最初實現是ABB公司在背靠背工程、靜止無功補償裝置SVC和長遠距離輸電等領域進行工程應用。ABB公司于20世紀90年代應用于赫爾斯揚示范工程，直流電壓做到±10kV，額定功率為3MW。采用具有IGBT的閥完全不同于傳統的晶閘管閥，并且具有可控關斷和開通能力。

2 柔性直流輸電技術簡介

2.1 晶閘管電流源型直流輸電技術

晶閘管閥不可控關斷，電流源型高壓直流輸電技術存在固有缺陷：（1）運行時換流器要產生大量的低次諧波。（2）換流器需要很多的濾波和無功補償裝置，需吸收大量無功功率。（3）在有源逆變狀態下工作，且短路容量在受端側系統要求需要足夠大，否則容易造成換相失敗。（4）建設換流站的土地面積過于龐大、建設的投資巨大。

基于電流源換流技術的傳統直流輸電技術，與純交流輸電系統相比較明顯具有優勢，主要可以應用在大容量的及長遠距離輸電和交流電網互聯以及海底電纜輸電等領域。

2.2 柔性直流輸電應用技術

近些年以來，全世界范圍內各項技術發展迅猛，大規模集成電路，電力電子器件，以及相關控制技術等方面的發展，促進了電壓源型換流站（VSC）進行整流從而進行直流輸電成為現實，采用IGBT、IGCT等構成。同時采用可關斷電壓源型換流器的VSC技術和PWM技術進行直流輸電，類似于在電網中相應接入對應的一個閥門和對以的一個電源，故其電能可以做到有效方便控制，并且還能快速、靈活、可調地吸收或發出一些能量以滿足電網的需求，進而做到電網的穩定性增強、電網潮流分布優化、電網的可控性提高以及智能化電網。并且該類柔性直流輸電技術適用于可再生能源發電的并網、異步交流電網互聯、大中城市電網的供電、孤島供電黑啟動等情況。

2.3 多端口柔性直流FACTS輸電技術

將含有多個（三個及以上）的整流站或多個（三個及以上）的逆變站的柔性直流輸電系統，與相連接的交流系統通過三個或三個端口相連，即可構成多端口的直流輸電系統。那么一般是由大于等于三個的換流站及與其連接換流站之間相關的直流輸電線路組成多端口直流輸電系統。

對于系統的平衡節點問題，多個換流站中應用控制直流電網電壓是用一個以電壓調節器來操作，此換流站類似于交流電網中的平衡節點。在多端柔性直流工程中，DC直流側需要建成相應的直流網絡，除上述平衡節點外，其余各站可實現功率的分配。換流站可以做到整流AC-DC和逆變DC-AC，但無論是整流還是進行逆變，按照能量守恒，整個系統輸入功率與輸出功率是相等的，即系統運行中的總功率必須是相等的。柔性直流輸電技術具有可使電流方向改變，且可保持直流電壓極性不變，可方便構成多端直流輸電并聯的系統，故目前建成的多端直流輸電工程上大都采用了柔性直流輸電技術。應用前景及研究均十分廣闊。為了確保換流站的換流器及其他相關設備的安全，系統內功率分配可通過電流調節來調節。多端口直流輸電系統可以通過多個電源同時供電或者是多個直流落點同時受電，且可以聯結多個交流系統或者將交流系統分成若干個孤立運行的小電網、微電網，在電網系統穩態運行時此多端口結構可便捷地控制相關的直流電壓，將其維持在規定的允許范圍以內。

3 柔性直流輸電技術優勢

至今，具備了較好的工程應用條件的大容量高壓柔性直流輸電技術已在我國國家電網公司和南方電網公司的共同努力下建成了多個示范性工程，這將對我國大規模輸送電能以及未來的電網發展模式產生極其重要的影響。其具體優勢，可有如下幾個方面：

第一，通過調節有功和無功，應用柔性直流輸電技術可提高系統的功角穩定性及電壓穩定性。例如電網交流系統側發生故障，電網直流側可為其提供有功，從而進行緊急支援，同時又可提供無功，進行電壓穩定性的保障。

第二，相比較傳統的直流輸電工程，采用了多電平及無濾波裝置，占地面積較小；在控制交流側電流的同時，系統的短路容量也不會增加。

第三，系統運作在潮流反轉狀態下，直流方向反轉，而其電壓極性不變，這樣就既可以做到能控制潮流分布而又有較高可靠性的多端口并聯直流系統，實現多端口系統間潮流的相互自由控制。

第四，電網發生故障后，柔性直流輸電技術可以快速恢復控制；如傳統直流輸電系統的受端網絡必須是有源網絡，必須有電源供電；而柔直系統可工作在無源逆變的方式下，不必須電源供電；各個AC-DC換流站向對端才充電可通過該直流線路，而站間可以同步不通訊，并根據相應的直流線路電壓可采取相應的控制措施及策略。

4 柔性直流輸電的應用領域

（1）可連接分散的小型發電廠。如中小水電廠、風電場（含海上風電場）、潮汐電站、太陽能發電站等，利用柔性直流輸電與主電網網實現網網互聯，可克服該新能源發電并網而產生的一系列問題，且完全可以提高系統的穩定性和供電的電能質量。

（2）可對配電網的供電電能質量達到提高的目標。該技術可獨立快速決斷的控制系統內有功和無功，基本可以保持交流側系統電壓基本不變，從而可以有系統電壓和電流較容易滿足規定的電能質量的標準。

（3）可做到海上電力的供電工程。現今很多海上或海島石油鉆井平臺的用電，大多數是靠一次能源發電中的柴油機或及天然氣燃燒發電，發電成本非常高、電壓不能穩定，且供電的可靠性較低，污染環境問題嚴峻。而采用柔性直流輸電技術就可以解決該類問題，并且可以將產生的多余的電能通過新建的輸電網絡反送給系統，供其他電力用戶消納。

（4）可做異步聯網，實現相同同頻率或不同頻率間的交流系統間的非同步聯網、并網及運行。進而可構建地區城市直流輸配電網。就目前國家社會發展的情況來看，城市建設向中心區域輸送電能，直流落點采用柔性直流輸電技術，是未來城市電網發展擴大的最優選擇。

5 結束語

隨著受端電網的多直流饋入問題日顯嚴重，無源弱聯地區系統送電規模增大及深海風電開發需求相應的增加，需要發展大容量柔性直流輸電技術。現今社會，應用大中城市的地面上的架空線做輸電走廊，無論是在容量上，還是建設用地上，都已逐漸的沒有發展及建設的空間余地，而國家建設電網以來原有的架空輸配電線路及其網絡也逐漸不能滿足城市的快速建設及發展，同時是需要大量消納電力需求的，發展該技術任重道遠，為大氣污染防治及構建堅強智能電網提供手段。

參考文獻

[1]樂波.柔性直流輸電技術綜述[J].中國電業，2014（5）：43-47.

作者簡介：許卉（1985-），女，福建莆田人，工學學士，國網福建省電力有限公司檢修分公司工程師，主要研究柔性直流輸電。