直流電網(wǎng)核心裝備及關(guān)鍵技術(shù)展望

葉偉　王梓嵐　劉進(jìn)進(jìn)

摘要：隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，當(dāng)前我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域在發(fā)展的過程中都離不開電網(wǎng)裝備以及一些電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。直流電網(wǎng)技術(shù)是解決區(qū)域內(nèi)高比例可再生能源并網(wǎng)和消納問題的有效技術(shù)手段。但是從當(dāng)前的具體發(fā)展情況來看，在構(gòu)建直流電網(wǎng)的過程中，仍然有很多問題需要解決。電網(wǎng)核心裝備及關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)的發(fā)展都有著十分重要的影響，因此本文從直流電網(wǎng)核心裝備入手，對(duì)當(dāng)前智能電網(wǎng)核心關(guān)鍵技術(shù)的未來發(fā)展情況進(jìn)行了深入分析。

關(guān)鍵詞：直流電網(wǎng);核心裝備;關(guān)鍵技術(shù);展望

從當(dāng)前的具體發(fā)展情況來看，雖然我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)在不斷進(jìn)步，但是能源資源已經(jīng)十分枯竭，面對(duì)環(huán)境帶來的壓力，我國(guó)如果想要得到長(zhǎng)效可持續(xù)性的發(fā)展，則需要解決當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)問題。對(duì)于可再生資源要進(jìn)行重點(diǎn)的開發(fā)和利用。當(dāng)前電網(wǎng)覆蓋面積在不斷擴(kuò)大，全球形成了一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)能源網(wǎng)絡(luò)。可再生資源之所以沒有被廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)椴糠挚稍偕Y源存在間接性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，如果將這些能源資源利用在電力系統(tǒng)中將會(huì)造成電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行，如果情況嚴(yán)重還會(huì)造成大面積的停電。因此在發(fā)展直流電核心裝備及關(guān)鍵技術(shù)的過程中，一定要根據(jù)當(dāng)前的具體情況采用最為合適的解決方案，這樣才能促進(jìn)我國(guó)電網(wǎng)得到更好的發(fā)展。

一、直流電網(wǎng)的特點(diǎn)

直流電網(wǎng)屬于一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，直流電網(wǎng)是在柔性直流技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，相對(duì)于一些常規(guī)的直流輸電系統(tǒng)，柔性直流輸電在具體的工作過程中不需要交流電網(wǎng)提供電壓。因此在具體的運(yùn)營(yíng)過程中具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，從當(dāng)前的具體發(fā)展情況來看，直流電網(wǎng)是目前國(guó)際上公認(rèn)的并網(wǎng)最佳技術(shù)手段。

直流電網(wǎng)在具體的運(yùn)行過程中主要是通過直流端以及直流的形式，共同組成一個(gè)能量傳輸?shù)南到y(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速的傳輸直流電。直流電網(wǎng)由多個(gè)網(wǎng)狀和輻射狀共同組成。直流電網(wǎng)具有十分明顯的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的柔性直流輸電系統(tǒng)有著本質(zhì)上的區(qū)別，但是二者在具體的運(yùn)行過程中又有很多相似之處。想要促進(jìn)直流電網(wǎng)得到更好的規(guī)劃建設(shè)，則需要從柔性直流輸電系統(tǒng)入手，對(duì)傳統(tǒng)的柔性直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)有效的完善和優(yōu)化，能夠提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行方式的靈活性，從而對(duì)直流電網(wǎng)進(jìn)行更加科學(xué)有效的建設(shè)。

二、直流電網(wǎng)核心裝備技術(shù)

（一）電壓源換流器

直流電網(wǎng)具有很多核心的裝備技術(shù)，其中高壓電源換流器就是最為常見的一個(gè)核心裝備。電壓源換流器是基于全控執(zhí)行器件絕緣柵雙極型晶體管的VSC，是屬于柔性直流輸電系統(tǒng)中最為常見也是最為關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)設(shè)備。該設(shè)備在設(shè)計(jì)的過程中，充分考慮到了柔性直流輸電系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行容量，并且采用當(dāng)前最為先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。MMC撲拓因其模塊化設(shè)計(jì)，在整個(gè)運(yùn)用的過程中更容易具有延展性，整個(gè)設(shè)備在運(yùn)行的過程中，具有高電壓等級(jí)，低損耗的特點(diǎn)，而且在傳輸電壓的過程中質(zhì)量也較高，因此被廣泛的運(yùn)用在柔性直流輸電工程中。

與端對(duì)端直流輸電系統(tǒng)相比，直流電網(wǎng)中的MMC設(shè)備具有較強(qiáng)的電流耐受力，因此如果在具體的運(yùn)行過程中出現(xiàn)了故障也能夠?qū)收暇€路進(jìn)行及時(shí)有效的切除，從而起到一個(gè)保護(hù)的作用。而且即使線路發(fā)生了故障，整個(gè)系統(tǒng)仍然能夠保持高效的傳輸效率，不會(huì)對(duì)當(dāng)前的具體運(yùn)行情況造成一定的影響。雖然當(dāng)前我國(guó)直流電網(wǎng)工程呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，但是在具體的發(fā)展過程中仍然存在一些問題，我國(guó)針對(duì)當(dāng)前直流電網(wǎng)工程中柔性直流換流閥運(yùn)行的挑戰(zhàn)，提出了相應(yīng)的解決措施。大型的電集團(tuán)公司，研制出了用于特高壓多端混合直流工程的柔性直流交換閥樣機(jī)。該種設(shè)備的成功研制，能夠有效的解決當(dāng)前在具體發(fā)展過程中遇到的一些問題，同時(shí)還給全球能源互聯(lián)網(wǎng)提供了十分重要的技術(shù)支持。

（二）高壓直流斷路器

高壓直流斷路器同樣是直流電網(wǎng)中的一個(gè)十分關(guān)鍵的設(shè)備，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行起到了十分重要的作用。從當(dāng)前的具體發(fā)展情況來看，想要對(duì)直流分段技術(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化和完善顯得十分困難，因?yàn)橹绷鞣謹(jǐn)嗉夹g(shù)是當(dāng)前世界上公認(rèn)的一大技術(shù)難題，直流電流開斷主要是采用開斷裝置的方式，在具體操作的過程中需要大量的輔助設(shè)備，而且每個(gè)輔助設(shè)備和所用的技術(shù)都十分復(fù)雜，在具體操作的過程中可能會(huì)存在一些操作失誤的情況，從而最終影響整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行，而且整個(gè)斷開的能力和時(shí)間都十分有限，不能滿足當(dāng)前直流電網(wǎng)的應(yīng)用要求。根據(jù)這樣的情況，高壓直流斷路器成為了當(dāng)前相關(guān)部門重點(diǎn)研究的問題，想要更好的解決直流分?jǐn)嗉夹g(shù)則需要從高壓直流斷路器入手。對(duì)高壓直流斷路器進(jìn)行不斷的完善和優(yōu)化，采用快速開啟開關(guān)和電力電子元件混合的方式來不斷優(yōu)化直流分?jǐn)嗉夹g(shù)，在不斷優(yōu)化技術(shù)的過程中還要兼顧到快速分段和低通態(tài)損耗的特性，這樣才能更好的發(fā)揮出直流斷路器的作用。

早在2014年我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司就已經(jīng)攻破了高壓直流輸電難的技術(shù)難題，并且獲得了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。利用先進(jìn)的技術(shù)制定出了相應(yīng)的設(shè)備器件，充分運(yùn)用我國(guó)自主研發(fā)的技術(shù)，能夠?qū)⒎謹(jǐn)鄷r(shí)間控制在5ms內(nèi)，分?jǐn)嚯娏髂軌蜻_(dá)到8.5ka。這一技術(shù)的研究能夠給柔性直流輸電工程帶來更加快速且高效的運(yùn)行效率，而且整個(gè)運(yùn)行過程中都能進(jìn)行帶電運(yùn)投。

三、直流電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)展望

（一）直流電網(wǎng)仿真技術(shù)

直流電網(wǎng)仿真技術(shù)主要分為兩個(gè)部分，分別是數(shù)學(xué)建模和仿真方法，直流電網(wǎng)與交流電網(wǎng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理上有著本質(zhì)上的區(qū)別，因此在具體的運(yùn)行過程中需要對(duì)直流電網(wǎng)進(jìn)行仿真數(shù)學(xué)模型的建立，通過這樣的方式能夠更加科學(xué)合理的建立數(shù)學(xué)模型，并且能夠?qū)栴}進(jìn)行深入的分析和研究，得出不同的結(jié)論。在建立模型的過程中，每一種模型都應(yīng)該采用簡(jiǎn)化的方法，直流電網(wǎng)仿真方法主要是采用離線仿真技術(shù)以及數(shù)字實(shí)時(shí)仿真技術(shù)。這兩種技術(shù)是當(dāng)前最為常見的技術(shù)，由于直流電網(wǎng)屬于一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，因此在設(shè)計(jì)的過程中包括很多動(dòng)態(tài)元件，每一個(gè)仿真步長(zhǎng)都較小，這對(duì)于整個(gè)精度和速度的要求則更高，想要兼顧到直流電網(wǎng)的精度則需要采用建模的方式來增強(qiáng)精度的準(zhǔn)確性。在建模過程中可以采用插值算法和同時(shí)求解的方法來對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和完善。數(shù)字實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，是利用高效的硬件處理系統(tǒng)，對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效的分析，并且建立相應(yīng)的仿真系統(tǒng)，物理實(shí)時(shí)仿真模型的建立能夠?qū)χ委熾娋W(wǎng)相關(guān)特性進(jìn)行深入的分析和研究，并且在低電壓小電流的情況下建立一個(gè)仿真模型。

（二）直流電網(wǎng)控制技術(shù)

直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略是整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的核心技術(shù)，從目前的發(fā)展情況來看，直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)是否科學(xué)合理，直接影響了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)前VSC電壓和容量在不斷的提高，這對(duì)于未來直流電網(wǎng)的安全運(yùn)行會(huì)造成了一定的影響，如果不對(duì)當(dāng)前的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行有效的改善，則會(huì)嚴(yán)重影響到直流電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此可以通過直流線路的小阻抗進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)移和耦合，并且在第一時(shí)間，根據(jù)換流器和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合方式來選擇不同的運(yùn)行方式，這樣能夠有效提高整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的效率。

（三）直流電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

直流電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)也是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)，在未來的發(fā)展過程中也占據(jù)了十分重要的作用，相對(duì)于交流電網(wǎng)來說直流電網(wǎng)的阻尼會(huì)比較小，在相同的尺度下直流故障可能會(huì)更容易發(fā)生，因此，需要在短時(shí)間內(nèi)對(duì)故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確的定位，這樣才能有效保護(hù)整個(gè)直流電網(wǎng)的高效運(yùn)行。直流電網(wǎng)在具體的輸電過程中采用的一般都是架空線作為傳輸線路，這樣能夠有效的提高傳輸容量，同時(shí)還能減少成本的投入，雖然該種方式有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是由于長(zhǎng)期暴露在戶外很容易發(fā)生短路的情況，一旦出現(xiàn)短路等情況，則會(huì)對(duì)直流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響，因此要對(duì)線路進(jìn)行有效的保護(hù)。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，基于柔性直流的直流電網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前最為重要的技術(shù)手段之一。想要促進(jìn)我國(guó)直流電網(wǎng)得到更好的建設(shè)和發(fā)展就需要對(duì)當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)行不斷的突破。采用先進(jìn)且完善的設(shè)備能夠有效提高直流電網(wǎng)的運(yùn)行效率，從而促進(jìn)我國(guó)得到更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)勝，羅湘，賀之淵.直流電網(wǎng)核心裝備及關(guān)鍵技術(shù)展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2019，43（03）：205-216.