柔性直流輸電在城市電網中的應用分析

林彥飛

摘 要：本文首先介紹了柔性直流輸電的應用原理以及技術特點，對這種技術的國內外研究以及應用動態做了相關闡述，探討了這種技術的應用評價，為大家提供參考。

關鍵詞：柔性直流；高壓直流輸電；城市電網；應用

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）24-0113-02

1 柔性直流輸電技術概述

1.1 系統原理

柔性直流輸電技術是一種新型的直流輸電技術，它的核心是通過電壓源換流器（VSC）進行換流，這種電壓源換流器是由全控型器件組成的。這種換流器的體積非常小，但是功能非常強，可以減少換流站的設備以及簡化其結構，也可以稱作輕型直流輸電。它的系統原理，如圖1表示。

在這個圖中可以看到，有一個電壓源換流器VSC1用作整流器，另一個電壓源換流器VSC2用作逆變器。主要的部件是直流側電容器以及全控換流橋。直流側電容器為換流器提供一定的電壓支撐，因此，直流電壓的穩定性對整個換流器可以正常可靠運行起到決定性的影響；

全控換流橋在每個橋臂上會有很多個可關斷器件組成，比如，門極可關斷晶體管、絕緣柵雙極晶體管等，這些晶體管可以在一定條件下滿足容量需求。換流電抗器和換流變壓器對整個系統的運行發揮能量交換以及濾波的作用；濾波器的用途主要是濾除交流側諧波。

如果換流電抗器是無損耗的，換流器與電網之間傳輸的有功功率P以及無功功率Q可以采用以下公式來計算。

p=■sinσ

Q=■

在這個公式中，UC代表換流器輸出電壓值；US代表交流母線的電壓值；X代表交流電抗器與混流變壓器的電抗值。

通過這個公式可以知道UC決定了無功功率的傳輸，而換流器的電壓值是由電壓的脈沖寬度控制的。柔性直流輸電技術是在一些大功率全控型器件組成的基礎上產生的電壓源換流器，同時由高壓直流輸電的電纜出現以后，通過使用脈寬調制控制技術進一步發展的。也就是說，正弦脈寬調制控制技術是柔性直流輸電技術的核心技術。

1.2 技術特點

第一，VSC電流可以自行關斷，可以在無源逆變的情況下進行工作，不需要采用外加的換相電壓，對于受端系統也可以是無源網絡。這個特點改變了傳統的輸電技術需要在有源網絡才能進行的缺點，實現遠距離的孤立負荷送電。

第二，在電流正常運行的情況下，VSC可以對有功功率和無功功率同時進行獨立的控制，控制方式也更加方便和靈活。而傳統的輸電技術只能對觸發角進行控制，對有功功率和無功功率不能做到單獨控制。

第三，VSC在不需要提供無功功率的情況下就可以自動起到動態補償的作用，可以動態補償母線的無功功率，使母線電壓處于穩定狀態。也就是說在出現故障時，如果VSC的容量控制在一定范圍以內，柔性直流輸電系統就可以直接向有故障系統提供有功功率的動態補償，同時也可以進行無功功率的動態補償，這樣就可以保證系統運行的穩定性，而且也提高了系統電壓的穩定性。

第四，柔性直流輸電系統在進行反轉時，直流電壓的極性不會發生變化而直流電流方向會發生發轉，這個特點也正好與傳統的HVDC恰恰相反。這個特點非常方便的使系統構成對潮流反轉情況進行有效控制，而且對并聯多端的直流系統也能充分發揮可靠性。相對于傳統的HVD系統對潮流反轉的控制非常不方便的同時還會影響并聯時的可靠性有了很大的進步。

第五，因為VSC的交流側電流可以被控制，因此，不需要系統進行增加相應的短路功率。也就是說，系統在增加另外的輸電線路以后，交流系統的整體保護不會被改變。

第六，VSC采用脈寬調制控制技術，開關的頻率會比較高，在通過濾波以后就可以得到需要的交流電壓，不需要變壓器，換流站的結構也會被進一步簡化，使需要的濾波裝置相對減小很多。

第七，柔性直流輸電系統采用這種模塊化的設計在生產、安裝、調試以及直流輸電的設計方面都大大縮短周期。另外，對換流站的占地面積也減小很多，只有傳統直流輸電的20%左右。

第八，換流站的通訊不是必須的，在無人監管的情況下可以自動對控制結構進行動態控制。

第九，柔性直流輸電系統如果在電網發生故障以后可以很快的恢復其控制能力。

第十，柔性直流輸電系統中如果是連接兩個相對獨立的交流系統，在一側的交流系統出現故障或者受到擾動時對另一側的交流系統和換流器的運行不會產生影響。

2 柔性直流輸電在城市電網中應用的可行性分析

2.1 現實性因素

城市中心的交流線路如果要增加新的輸電容量是很難做到的，直流電纜要比交流電纜需要的空間要小，但是輸送的容量要比交流電纜大很多，所以說城市中心需要更多的電力，直流電纜的應用是目前解決這些問題的最好方法。主要表現是：

第一，提高城市電網的供電能力，滿足城市電量增長需求。柔性直流輸電使用的電纜是一種新型的直流電纜，具有輸電能力強而且占用的空間非常小，可以安裝在輸電走廊內或者交流電纜管內，供電能力進一步保證，滿足用電的負荷需求。

第二，為城市用電負荷提供無功支撐，不會受到其他條件對其造成的限制。柔性直流輸電可以對有功和無功做到獨立控制，對有功功率做到靈活、快速控制，對母線的無功功率做到動態補償，使母線電壓進一步穩定。這個優勢可以很好的緩解城市大量用電緊張造成的無功缺乏問題，為城市負荷提供無功支撐，為城市電網的運行穩定提供保障。

第三，提高城市電網的可控性和安全穩定性。柔性直流輸電對多目標快速控制的能力，對運行中的潮流反轉可以進行優化調節，在出現故障時可以快速緊急支援。另外，對系統的可控性和抗擾動能力進一步增強，使城市運行保持正常穩定，不會增加短路容量，進一步提高了電能質量。

第四，提高城市電網建設的可行性，為電力建設提供成本。柔性直流輸電結構占用空間小、結構非常緊湊，直流電纜安裝非常簡單，機械的強度非常好、重量非常輕，尤其是它是無油、無線電干擾非常小、電磁輻射非常小，對城市設施和環境保護有效協調，在節約征地、賠償等方面節省建設成本。

2.2 輸電成本評估

輸電線路的成本包括運行成本以及基礎設施的投資。運行成本主要針對的是損耗方面；基礎設施的投資主要是線路走廊、絕緣子、導線、終端設備以及桿塔等方面。直流線路和交流線路來比較，在輸送功率水平一定的情況下，直流線路的桿塔更簡單便宜，需要的走廊相對更窄，總體的成本會更低。

直流導體的電暈效應相對于交流導體的電暈效應要小很多，而且輸電線路成本的影響因素還有終端設備的成本以及無功補償。柔性直流線路雖然不需要無功補償，采用的濾波器也非常小，但是它的換流器終端設備成本是非常高的。通過實踐表明，隨著大功率電力設備成本的不斷降低，對換流站的模塊設計進一步完善，那么換流站的成本也會不斷的降低。

2.3 綜合評估

對城市供電方式可以從三個方面進行綜合評估，即可實施性、經濟性以及系統性能。雖然柔性直流輸電相對于交流輸電在總體成本上投資要大一些，經濟性能會差一些，但是它的占地面積比較小，與環境會更加協調，在未來的電力建設中可實施性會更強，能夠滿足未來電力的發展趨勢。另外，柔性直流輸電本身所具有的這些特性在很大程度上改善了原有的系統特性，在系統的支持效應上發揮更強的作用，所以，對各項指標進行綜合考慮和對比之后，還是柔性直流輸電有更大的優勢。

3 柔性直流輸電在實際的應用分析

柔性直流輸電技術通過以上工作原理以及技術特點的介紹，作為一種新型的直流輸電技術在電網的應用領域非常廣泛，主要適用于連接比較分散的小型發電廠；向偏遠的地方進行供電；構建城市直流輸配電網；海上進行供電；相同額定頻率以及不同額定頻率之間的非同步運行；通過這種柔性直流輸電的連接對地區的供電商之間交換電力提供了可行性，使電力的運行更加可靠和靈活。

例如，北京、上海以及廣州等大城市空調的使用和負荷主要依賴于市中心的動態電壓支撐，由于大城市對環境以及占地問題非常重視，所以電廠需要從市中心轉移或者從外地輸入大量電力。經過統計調查，北京大約2/3的電力都是需要從外地輸入的，如果采用柔性直流輸電技術就能大大緩解這種壓力。

例如，將這種柔性直流輸電技術應用在孤島以及海上鉆井平臺中也發揮了重要意義。我國常住人口海島有430多個，占海島總數的6%，占海島總面積的95%以上，常住人口也有450多萬，海上用電是一個復雜的問題。海上鉆井平臺使用的是獨立的燃氣輪機或者使用柴油機組進行發電，效率比較低只有20%～25%，而且消耗大量的燃料，釋放大量的CO2。如果應用柔性直流輸電技術就會解決這些問題，不僅提高發電效率，而且減少污染，減少鉆井平臺發電設備的高額維修費用。

參考文獻：

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