淺析柔性直流輸電技術及其發展

劉漢鵬　楊光　劉超　于瀟　劉陽

[摘 要]本文簡要介紹了柔性直流輸電原理，總結了柔性直流輸電技術的特點、應用范圍、現在的發展狀況以及其未來的發展前景。

[關鍵詞]柔性直流輸電；發展

柔性直流輸電技術對于提高交流系統的動態穩定性、增加系統的動態無功儲備、改善交流系統電能質量，解決非線性負荷、沖擊性負荷所帶來的問題，具有較強的技術優勢，也是智能電網建設中解決大容量、間歇式新能源發電并網的重要技術手段。

目前世界上僅ABB公司擁有商業運行的工程。雖然西門子、AREVA等跨國公司一直沒有間斷在該領域的技術研究，但迄今為止在世界范圍內運行的工程仍被ABB一家公司所壟斷。

一、柔性直流輸電技術的原理

柔性直流輸電采用電壓源型換流器和PWM技術。由調制波與三角載波比較產生的觸發脈沖，使VSC上下橋臂的開關管高頻開通和關斷，則橋臂中點電壓uc在兩個固定電壓+Ud和—Ud之間快速切換，uc再經過電抗器濾波后則為網側的交流電壓us。

進一步分析可知，在假設換流電抗器無損耗且忽略諧波分量時，換流器和交流電網之間傳輸的有功功率為P，無功功率為Q。有功功率的傳輸主要取決于δ，無功功率的傳輸主要取決于UC。因此通過對δ的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小，通過控制UC就可以控制VSC發出或者吸收的無功功率。從系統角度來看，VSC可以看成是一個無轉動慣量的電動機或發電機，幾乎可以瞬時實現有功功率和無功功率的獨立調節，實現四象限運行。

二、柔性直流輸電技術的特點

柔性直流輸電技術是當今世界電力電子技術應用領域的制高點，是基于可關斷電力電子器件IGBT（絕緣柵雙極晶體管）組成的電壓源換流器所構成的新一代直流輸電術。

該技術可以在進行精確有功功率控制的同時對無功功率進行控制，可為交流系統提供電壓支撐，控制更加靈活。柔性直流換流站可工作在無源換流的方式下，不需要外加的換相電壓，可用于弱系統或無源系統供電。此外，柔性直流輸電技術基本不需要濾波和無功補償裝置，其換流站占地面積較同等容量的常規直流換流站要小。

柔性直流輸電是以電壓源換流器為核心的新一代直流輸電技術，其采用最先進的電壓源型換流器和全控器件，是常規直流輸電技術的換代升級。與傳統的直流輸電不同，是一種采用基于電壓源換流器、可控關斷器件和脈寬調制（PWM技術）的新一代直流輸電技術。

它可以瞬間實現有功和無功的獨立解耦控制，能向無源網絡供電，具有良好的電網故障后的快速恢復控制能力，可以作為系統恢復電源。在傳輸能量的同時，還能靈活地調節與之相連的交流系統電壓。具有可控性較好、運行方式靈活、適用場合多等顯著優點。從用途上看，它可以很好地適應于可再生能源并網、分布式發電并網、孤島供電、城市電網供電等領域。

三、柔性直流輸電技術可應用范圍

1.連接分散的小型發電廠。如中小型的水電廠、風電場（含海上風電場）、潮汐電站、太陽能電站等，利用柔性直流輸電與主網實現互聯是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保護環境。

2.不同額定頻率或者相同頻率的交流系統間的非同步運行。模塊化結構以及電纜線路使柔性直流輸電對場地和環境的要求大為降低，換流站的投資大大下降。

3.構建城市直流輸配電網。

4.向偏遠地區供電。偏遠地區一般遠離電網，負荷輕而且日負荷波動大，經濟因素以及線路輸送能力低是限制架設交流輸電線路發展的主要因素。采用柔性直流輸電進行供電，可解決這些問題。

5.海上供電。

6.提高配電網電能質量。柔性直流輸電系統可以獨立快速地控制有功和無功，且能夠使交流系統的電壓保持不變、它使系統的電壓和電流較容易地滿足電能質量的相關標準。

四、柔性直流輸電技術的發展

隨著風電等間歇式可再生能源在電網中比重的加大，其隨機性、間歇性和不可控性等特點對電網的安全可靠運行帶來巨大挑戰。柔性直流輸電可以極大地提升風電場并網的安全性和可靠性，是國際上公認的最具有技術優勢的風電場并網手段，特別是對于遠距離的海上風電場來說，使用柔性直流輸電并網是目前唯一可選的有效方案。另外，柔性直流輸電技術在孤島及海上平臺供電、大型城市供電、多端直流組網、電力市場交易等領域也都有顯著的技術優勢。隨著電網未來繼續朝著智能化、節約化、環?；l展，柔性直流輸電技術必將成為未來電力領域的一個重要發展方向，具有極其廣闊的市場應用前景?！睋ぃ?997年世界上第一條柔性直流輸電工程投入工業試驗運營，目前投入運營的已經有11條。大部分應用于風力發電、電力交易、電網互聯、海上鉆井平臺等領域。隨著世界范圍內對于可再生能源的應用越來越廣泛，規模越來越大，目前已有1000兆瓦的柔性直流風電場并網工程開始設計，而2000兆瓦級柔性直流輸電的概念設計也已經提出。目前，歐洲多個國家都已經規劃和建設了大量的海上風電場，其容量都在數百兆瓦等級，并且其中已經有部分使用了柔性直流輸電進行系統接入。

我國開展柔性直流輸電技術研究的時間相對較晚，在初期階段主要集中在大專院校所開展的部分理論性研究。2006年5月，國家電網組織編制了《柔性直流輸電系統關鍵技術研究框架》，由此啟動了我國在柔性直流輸電關鍵技術領域的全面研究。目前，我國已規劃在甘肅酒泉、新疆哈密、河北、吉林、內蒙古東部、內蒙古西部、江蘇、山東等地建設8個千萬千瓦級風電場。柔性直流輸電是國際公認的最具有技術優勢的風電場并網方案，也是海上風電并網的唯一方式，可以大幅改善大規模風電場并網的性能，保障新能源發電的迅速發展。

據了解，到2015年，保守估計世界范圍內柔性直流輸電工程的市場規模將達到千億元以上。隨著新能源的快速發展，我國對柔性直流輸電技術也呈現出強勁的市場需求。我國未來五年的市場規模將在400億元左右。

在2020年前，僅風電發電方面我國就計劃興建6個百萬千瓦級的超大型風電場。柔性直流輸電是國際公認的最具有技術優勢的風電場并網方案，也是海上風電并網的唯一方式，可以大幅改善大規模風電場并網的性能，對于大容量風電場的可靠并網、保障新能源發電的迅速發展，都具有重要的意義。

此外，對于大型城市供電、城市配電、島嶼和鉆井平臺供電等應用領域，柔性直流輸電技術也有很好的應用前景。

五、結語

1.柔性直流輸電技術具有可控性較好、運行方式靈活、適用場合多等顯著優點。

2.柔性直流輸電技術可應用于連接分散的小型發電廠、不同額定頻率或者相同頻率的交流系統間的非同步運行、構建城市直流輸配電網、向偏遠地區供、海上供電、提高配電網電能質量和電力市場模式下的應用等方面。

3.隨著電力電子技術的發展，柔性直流輸電技術將會更廣泛的應用于新能源并網、城市電網等方面。

參考文獻：

[1]毛穎科，桂順生，賀之淵，等.基于MMC技術的柔性直流輸電系統性能分析[J].華東電力，2011，7：1133-1136.