柔性直流技術在配電網中的應用及運行控制

卜 濤

（國網陜西省電力有限公司延安供電公司，陜西 延安 716000）

0 引 言

柔性直流輸電系統具有高可靠性、經濟性以及節能環保等優點，被認為是解決我國未來電力系統安全、經濟和高效運行問題的一種有效手段[1]。因此，在今后的城市電網規劃建設中，應優先考慮采用柔性直流輸電技術進行遠距離輸送電能。柔性直流輸電技術是繼交流輸電技術之后出現的新一代高壓、大容量的電力傳輸系統[2]。對新型電力傳輸模式進行研究具有重要的理論意義，能夠促進我國電力系統的發展。

1 柔性直流輸電技術

1.1 柔性直流輸電技術概述

柔性直流輸電技術是建立在電壓源換流器和交聯聚乙烯電纜基礎上形成的一種基于脈寬調制控制的直流輸電技術。電壓源變流器的主體部分是可關斷裝置，利用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）開關實現變頻器的迅速切換，車身穩定控制系統（Vehicle Stability Control，VSC）和換流器的構造相同，核心部件有換流器、換流電抗器、直流和交流電容器以及濾波器等[3]。在柔性直流輸電中，只要能有效調節換流橋電壓的幅值和相位，就可以根據電壓相位進行相應調節，使電壓下降，從而實現對交流系統和VSC 間的有功功率和無功功率進行有效調節。柔性直流輸電傳輸線的基礎構造如圖1 所示。

圖1 柔性直流輸電結構

1.2 技術特點

柔性直流輸電技術具有以下幾個特點。第一，能單獨控制有功功率、無功功率；維持穩壓，調整電源電流；維持系統的有功恒定，并可調整無功。第二，潮流逆轉簡便，當電力逆變時，若只有電流的流向發生變化，而直流電壓的極性不變，則不會停止運行[4]。傳統的直流輸電方式在改變電源方向時，必須要調整其電壓的極性，如果電源逆向，則必須調整控制方案。第三，發生意外時，可以迅速恢復電源，為無源提供電力。第四，具有高輸出電壓品質，基本沒有任何諧波，無需濾波器。第五，使用無地電極和無向地面輸入的雙極性操作。第六，該技術具有結構緊湊、模塊化、易于移動、安裝、調試、維護、易于擴充以及多端直流傳輸等優勢。

2 城市配電網中柔性直流輸電的實際應用分析

2.1 應用方式

2.1.1 關鍵設備選型

該技術應用于城鎮配電網絡時，有關部門要根據其具體條件和運行要求進行科學選擇。例如，在選擇柔性換流機時，設備的主體是2 個換流機，而換流機的主要組成應該是主回路和直流電容器。柔性換能器采用AC-DC-AC 型，能較好地實現對有功和無功的獨立控制，從而保證了直流母線的穩定。為了保證電源均衡，一定要在送端或受端之間使用直流電源[5]。

由于這種直流變換器可以對蓄電池的充放電進行高效控制，可以最大限度地利用光電器件的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）性能。在實際應用中，不需要附加任何的變壓器和過濾器，成本低廉、占地面積小、操作簡單[6]。此外，為有效實現柔性直流輸電技術在電力系統中的運用，提出采用柔性配電系統來實現實時、在線監測，并依據負荷預測的結果，在深入研究直流側和交流側電壓控制策略的基礎上，提出了一種綜合考慮潮流控制性能與經濟性的直流電壓控制策略，并通過模擬驗證了所提控制方案的有效性。

2.1.2 優化運行方式

在一個組合式變電站內，采用了同樣的干式變送器，每個變送器的功率都是800 kVA。10 kV 接線為一母段，1、3、2、4 號配變。1 段母線與2 段母線相連，3 號母線與4 號母線相連，母線上各有一組相應的變壓器，但配電房本身的負荷水平低、負荷損失大，給小區供電帶來了困難，因此在電力系統中采用撓性直流技術，結合智能配電系統，可以提高電力系統的供電品質。

在具體的配電網優化中，選擇了2 種具有不同功率方向的柔性換流機。在優化的操作模式下，當系統總負載小于40%時，由一次配變電源的S1、S11和S3相提供電能。太陽能電池中的全部超負荷電能都可以儲存在能量儲存體系中，從而避免了太陽能電池被反輸給電力網。在大負載條件下，當系統的總負載大于40%，但沒有超出系統的總分配能力和存儲能力的總和時，可以采用2 個配變機進行同步，將太陽能電池產生的超負荷電能全部集中到儲能體系中，徹底消除太陽能電池向外供電的現象[7]。

2.2 應用優勢

2.2.1 供電更加靈活

由電壓全控型器件共同構成的VSC 即電壓源換流器，在全壓設備的功率和容量分別為3 000 kV 和1 500 kVA 時，VSC 可以利用設備靈活控制開啟和關斷，從而對電源信號進行高效驅動。該無端式電力網可以用于被動和主動2 種不同的電力供應，在10 kV 的線路間，在2 ～3 km 的傳輸范圍內，撓性直流傳輸的輸送功率為10 ～50 MVA。而當線間電壓為35 kV，傳輸距離為5 km 時，柔性直流輸電的輸送功率為5 ～40 MVA。

2.2.2 供電更加可靠

在電力系統中采用柔性直流輸電技術，可以有效保證電力系統的可靠運行。柔性直流輸電技術以脈沖寬度控制為主導，通過調整系統的輸出電壓和電流得到接近于正弦型的信號[8]。另外，柔性直流輸電可以利用控制驅動回路進行相位位移，從而改變線路的功率因數，實現對柔性直流輸電系統的有功和無功的單獨調節。例如，當配電網絡發生三相短路時，該裝置能快速釋放開鎖信號，保持電源的穩定。因此，在城市配電網絡中采用柔性直流輸電可以使配電網絡的運行更安全、更穩定。

2.2.3 供電能耗更低

將柔性直流輸電技術應用于城鎮配電網絡，可以減少電力消耗。柔性直流輸電系統能夠將太陽能、風力等多種分布式電力系統串聯起來，從而可以最大限度地發揮各種能量的作用，減少能耗的產生[9]。該系統的結構是集成電路，使用的是一種高智能、大容量的自動開關裝置，它的電力傳輸方式可以通過直流方式進行改變。在柔性直流輸電中，采用多電平整流的換流站拓撲，可以對交流母線進行動態無功補償，使直流母線上的電壓保持高穩定性，既有效地降低了電網能源消耗，又提高了電網供電品質，使電網的經濟效益和社會效益最大化。

3 在城市電網的應用場景研究

3.1 電磁環網運行

由于電網負荷不斷增加，電網規模不斷擴大，網架結構越來越復雜，造成電網的短時電流問題日益嚴重，一些500 kV/220 kV 電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）電網不得不中斷運行，極大影響了電網的電源容量和供電可靠性。

與普通的交流聯絡線相比，采用柔性直流輸電技術可以實現各500 kV 區域之間220 kV/110 kV 線路的連接，可以保證線路的運行穩定性。該技術能夠迅速控制多個目標，在故障發生時能夠進行最優化的調度，并提供交流系統的快速應急支持，同時進行故障擴展，防止發生鏈式故障，提高系統的可控性和抗干擾性能，從而提高其穩定性和運行可靠性。

3.2 負荷中心供電

“十二五”期間，隨著國家對節能、減排和降低排放的環境需求的不斷提高，電力系統的施工也日益困難。同時，土地緊缺使得電力供應的主力軍在城市負載中心的建造更加困難。由于采用了柔性直流輸電，與同樣容量的燃氣輪機相比，受端站可以節約大量的空間，而且不需要水源、碳排放指標、燃料輸送以及輸送管線，還可以將遠端型電站的電能輸送到負載中心[10]。例如，烏東德電站送電廣東、廣西的特高壓多端直流工程，在8 000 MW 的電壓等級為8 000 MPa，深圳電力公司為5 000 MW，如果按照2×600 MW 的9H 型火力發電廠計算，深圳將會有4 個當地供電項目。

3.3 動態無功支撐

柔性直流輸電自身可以作為靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）來實現交流母線電壓的穩定。STATCOM 是當今國際上比較前沿的一種技術，也是柔性傳輸技術的一個主要內容。STATCOM 作為一種控制無功的電流源，可以迅速改變負載的無功電流，從而對電網的無功功率進行有效動態補償。

柔性直流輸電可以對交流網進行動態無功和有功調整，其功能類似于一個具有很低慣性的靜止發電機，可以穩定交流電網的電壓和頻率，從而有效地改善了電力系統的電力供應。通過對瞬時無功進行補償，使其具有較好的抗大容量能力，以保證城市電力系統的安全和可靠運轉。另外，撓性控制器具有較高的反應速度，可在發生事故后的一次搖動中為其供電，延遲了發電機的加速度，提高了一次擺動的穩定性，這是其他常規傳輸或補償設備不具備的。

3.4 故障后黑啟動

針對城區電網的負載核心區域，當地供電的施工比較困難，特別是黑啟動供電的短缺；而負載中心一般由各大應急指揮中心和核心基礎設施組成的關鍵客戶組成，對電力系統的抗災、故障后的迅速恢復有很大需求。

柔性直流輸電具有“黑啟動”功能，在交流系統的一頭出現故障或斷電時，可以立刻激活基準電壓，提供給被切斷的交流系統，就像是一臺備用的發電機，可以提供電力。柔性直流輸電裝置作為安全供電和快速的弱交流電網的啟動裝置，可為無源網提供電力，迅速地進行有功及無功的調節，并能用于交變電網的黑啟動，從而保證在黑啟動期間，電網的電壓和頻率保持穩定。

3.5 應對城市電網建設難度大

由于征地、拆遷、環評阻力等問題，在城市電力系統的500 kV 變電站或220 kV 的線路上，由于施工時間較長，難以適應電力系統的供電要求。

經有關調查，對于同一橫斷面的架空線，其傳輸的直流電力可以達到傳輸的交流電力的2.7 倍。由于其不需要連接N-1，在同一架空線中，柔性直流傳輸的傳輸容量將是交流的5 倍，因此使用柔性直流輸電通道可以節約大量的走廊資源。根據柔性直流輸電通道的集約化和高效率特性，采用模塊化設計，可以大大減少設計、制造、安裝以及調試周期，能很好地解決城市電網建設難度大和建設周期長等問題。

4 結 論

將柔性直流輸電技術運用在城市配電網中，既經濟又實用。在實施柔性直流輸電時，有關部門根據有關規范，選用合適的軟直變換裝置，積極調整其工作模式，使其達到最大限度的利用，更好地進行城區的輸配電工作。