柔性直流輸電技術在電力系統(tǒng)中的應用

朱勁松

柔性直流輸電技術在電力系統(tǒng)中的應用

朱勁松

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024)

柔性直流輸電技術是指通過IGBT、IEGT等全控型器件對有功功率和無功功率進行獨立控制，應用該技術對現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)進行改造不僅可以全面增加電網(wǎng)系統(tǒng)輸電的靈活性，還能在一定程度上緩解由于輸電線路空間過小導致輸電性能差的問題。通過分析和總結柔性直流輸電技術的特點，針對其在新能源發(fā)電并網(wǎng)、城市商業(yè)區(qū)電力增容、特殊地區(qū)高壓輸電等領域的應用進行了探討，以期為電網(wǎng)建設工作提供一定的參考。

柔性直流；輸電技術；電力系統(tǒng)；應用

1　柔性直流輸電概述

柔性直流輸電又被稱為輕型直流輸電或是新型直流輸電，為了促進該技術規(guī)范與發(fā)展，相關部門將其統(tǒng)一命名為柔性直流輸電技術。柔性直流輸電技術是指通過IGBT、IEGT等全控型器件對有功功率和無功功率進行獨立控制，并利用電壓源換流器的高壓直流進行輸電，柔性直流輸電結構如圖1所示。相較于傳統(tǒng)的輸電技術，柔性直流輸電技術的功能性更強，能應用在如孤島供電、有功功率以及無功功率控制等方面，可以滿足更多場合的用電需求[1]。以孤島供電工程為例，若采用傳統(tǒng)供電方式實現(xiàn)孤島供電，就必須在島上設置類似于發(fā)電機組的電源，而采用柔性直流輸電技術進行供電，只要在島上設置啟動電源就可以直接進行輸電。此外，與傳統(tǒng)輸電技術相比，應用柔性直流輸電技術具備長距離輸電能力的優(yōu)勢，可有效降低電力網(wǎng)絡在運行中的損耗。

圖1　柔性直流輸電系統(tǒng)結構

2　柔性直流技術的特點

2.1　技術原理

柔性直流輸電特指基于電壓源換流器進行高壓直流輸電，是一種以電壓源型換流器、自關斷器件以及脈寬調制技術為基礎的新型輸電技術。它與相控換向技術的電流源換流器型高壓直流輸電技術最大區(qū)別是在實際應用過程當中所采用的換流器為電壓源換流器，并利用可關斷器件以及高頻調制技術對換流器出口電壓扶持的有效調節(jié)來維持與系統(tǒng)電壓之間的差，進而實現(xiàn)對輸出有功功率以及無功功率的精確化控制。利用該項技術可以保障兩個不同的交流電網(wǎng)之間有功功率傳輸?shù)男省４送猓ㄟ^兩端換流站還可以獨立調節(jié)無功功率，從而對其關聯(lián)的交流電網(wǎng)給予無功支撐[2]。

2.2　技術特點

(1)可以對有功功率以及無功功率進行獨立控制。采用柔性直流輸電技術能保持電網(wǎng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定，并且能合理調節(jié)有功潮流；能保障有功功率在傳輸?shù)倪^程當中不會發(fā)生太大的波動，并且可以根據(jù)輸電任務的具體需求對無功功率進行合理化調節(jié)，降低電網(wǎng)系統(tǒng)在輸電過程中出現(xiàn)故障的概率[3]。

(2)相較于其他輸電技術，采用柔性直流輸電技術進行潮流反轉操作更為便利。采用常規(guī)直流輸電技術進行功率反轉操作時，為了保證操作過程的安全性以及合理性，需要將換流站停止運行并及時改變電壓的極性，此外還需要現(xiàn)場工作人員對濾波器以及無功補償設備的投切情況進行及時判斷。而采用柔性直流輸電技術進行潮流反轉操作時，只需要將電流的方向合理轉變即可改變直流電壓的電極性，無需進行其他任何操作。

(3)當發(fā)生停電事故時，采用柔性直流輸電技術能直接向無源電網(wǎng)進行供電操作，可以在最短的時間內使電網(wǎng)恢復供電。

3　柔性直流輸電在電力系統(tǒng)中的應用

3.1　風電電網(wǎng)工程

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工農業(yè)生產和居民日常用電需求都在迅速擴大。為了填補傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電不足造成的電力缺口，風能、太陽能、潮汐能等各類新能源發(fā)電產業(yè)的規(guī)模日益壯大，而風能發(fā)電由于具有儲量豐富、風向規(guī)律、低碳環(huán)保等一系列優(yōu)勢，在新能源發(fā)電產業(yè)中最具發(fā)展?jié)摿ΑｏL電資源受容量以及傳輸距離的限制，采用傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術不符合遠距離輸電的技術要求，而采用柔性直流輸電技術則擁有傳統(tǒng)高壓直流輸電技術無法比擬的優(yōu)勢。將風電資源通過柔性直流輸電技術并入到電網(wǎng)中，可以有效解決電網(wǎng)不穩(wěn)定的問題，全面提高風電機組抵御電網(wǎng)故障擾動的能力，降低風電機組在輸電時發(fā)生停機的概率，進而提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性能。此外，采用柔性直流輸電技術還可以改善接入的電網(wǎng)系統(tǒng)阻尼特性，并能大幅提高風電機組對風速的適應能力[4]。

3.2　非同步電網(wǎng)并聯(lián)

就當前電力工程的實際使用情況而言，將柔性直流輸電技術合理應用在跨區(qū)遠距離高壓輸電工程中，可以有效滿足非同步電網(wǎng)的并聯(lián)需求，全面提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足各類電網(wǎng)的用電需求。

3.3　向孤立電網(wǎng)供電

海上石油鉆井平臺在進行開采作業(yè)時，各類機械設備的運行需要大量電力支撐。此類項目一般位置特殊，供電距離較長，很難通過搭建傳統(tǒng)的交流高壓輸電網(wǎng)的方式進行供電，而采用柔性直流輸電技術進行輸電可以完美解決長距離輸電的技術難題，為類似海上石油鉆井平臺之類的孤立電網(wǎng)提供更為高效的能源。

3.4　城市中心區(qū)的應用

隨著我國城市化率不斷提高，城市建設的步伐也隨之不斷加快，用于建設城市電網(wǎng)交流輸電走廊的空間變得越來越少，需要投入的成本也越來越高，制約了城市電力系統(tǒng)的發(fā)展。相較于架空交流線路來說，架設直流電纜具備占用空間小、輸電量大等優(yōu)勢，采用柔性直流輸電技術對城市輸電網(wǎng)進行改造，可以在一定程度上解決城市電網(wǎng)系統(tǒng)存在的短路電流問題，還能對電力系統(tǒng)中產生的潮流涌動進行合理化控制，全面提高城市電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

3.5　改善電能質量

電爐煉鋼等高負荷用電行業(yè)在生產中所產生的非線性負荷、沖擊負荷、不對稱負荷都會導致電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓發(fā)生一定程度的波動，嚴重時甚至會對整個電網(wǎng)系統(tǒng)造成干擾，影響到電網(wǎng)中其他戶用的正常用電。采用柔性直流技術改造高負荷用電單位的輸電線路，可以合理化控制全網(wǎng)有功功率以及無功功率，使電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓維持在合理的范圍內，確保全網(wǎng)用戶都能安全、正常用電[5]。

4　柔性直流輸電技術發(fā)展

柔性直流輸電系統(tǒng)的調制技術發(fā)展隨著換流器技術的發(fā)展而不斷更新，調制技術也由最初的 PWM 調制逐漸發(fā)展到最新的階梯波調制，如圖2所示。

圖2　柔性直流輸電調制技術發(fā)展

5　結語

柔性直流輸電技術的大規(guī)模應用可以有效提高電網(wǎng)輸電質量，降低輸電線路運行時發(fā)生電壓下降現(xiàn)象的概率，還能精確控制電網(wǎng)運行時的無功功率和有功功率，有效提高電網(wǎng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

[1] 張和陽.模塊化多電平換流器在柔性直流輸電技術中的應用[J].中阿科技論壇(中英文),2021(9):104-107.

[2] 王斌.柔性直流輸電技術對大電網(wǎng)弱交流斷面輸電能力的影響[J].無線互聯(lián)科技,2021,18(11):110-111.

[3] 蔡暉,彭竹弈,祁萬春,等.背靠背柔性直流輸電技術在中心城區(qū)電網(wǎng)中的應用研究[J].電力電容器與無功補償, 2021,42(2):79-84.

[4] 劉耀,吳佳瑋,肖晉宇,等.有源型柔性直流輸電技術在全球能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的應用研究[J].全球能源互聯(lián)網(wǎng), 2020,3(2):107-116.

[5] 孔冠荀.柔性直流輸電系統(tǒng)顯式模型預測低復雜度控制技術研究[D].吉林:東北電力大學,2019.

Application of the flexible high voltage direct current technology in power system

ZHU Jinsong

(State Grid Jiangsu Electric Power Co., LTD. Nanjing, Jiangsu 210024, China)

The flexible high voltage direct current(HVDC) technology is independent control of active power and reactive power through IGBT, IEGT, and other fully controlled devices. The application of this technology to the transformation of the existing power grid system can not only increase the flexibility of the power grid system but also alleviate the problem of poor transmission performance caused by too small a transmission line space to a certain extent. This paper analyzes and summarizes the characteristics of flexible HVDC technology, and discusses its application in grid connection of new energy power generation, power capacity increase in the urban business district, and high voltage transmission in special areas. This study is expected to provide some reference for the construction of a power grid.

flexible direct current; transmission technology; power system; application

TM721

A

2096–8736(2022)06–0053–03

朱勁松(1988—)，男，江蘇泰州人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃、柔性輸電技術。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立