柔性直流输电技术在输电领域的应用分析

柔性直流输电技术在输电领域的应用分析

华北电力大学，李欣蔚

摘要：柔性直流输电作为新一代直流输电技术，在世界范围内已经得到广泛发展和应用，并逐渐走向成熟。为了更进一步了解柔性直流输电技术，并且为其发展做出突破性的贡献，本文对柔性直流输电技术在输电领域的应用进行了概括性分析。通过对目前柔性直流输电技术在输电领域的应用状况，进行较为详细的分析，找到该技术存在的可能的突破点，使其更有利于电力系统的发展。本文首先简要介绍了柔性直流输电的基本原理及其特点，具体说明了对于柔性直流输电技术可独立控制有功无功功率、谐波含量少等不同优点，在输电领域的各种应用情况，分别为连接小规模发电厂到电网、替代传统直流的大规模送电和交直流联网、异步联网、优化电能质量和向远方孤立负荷供电。介绍了国内外柔性直流输电工程在输电领域的成功案例，如丹麦Tjaereborg发电工程和上海南汇柔性直流输电示范工程，分析这些工程在输电领域做出的突破性贡献。最后总结概括分析了我国的柔性直流输电技术在输电领域可能的发展方面，说明了以柔性直流输电为主的智能输电网络的可能性。所以，目前柔性直流输电工程在中国的发展方向可以包括，建立广域的智能输电网络和长距离架空线输电两大方面。

关键词：柔性直流输电可再生能源异步联网优化电能质量智能输电网络

1引言

当前，新型的、清洁的、可再生的能源发电已成为电力系统未来的发展方向，国家将大力推进利用风能、太阳能等方式进行发电，但由于其主要特点之一是分散化与小型化，地理条件与发电规模的制约使得传统的交流输电技术不能很好地解决与电网连接经济性的问题。同时，对于采用柴油发电机供电的钻探平台、岛屿、矿区等远距离负荷，应用交流输电技术供电也同样存在经济性差、环保压力大的问题。随着用电负荷的不断增加要求电网规模与传输容量保持持续发展，然而增加输电走廊面临经济与环保的限制，这种问题在城市的负荷中心更加突出[1]。为此，柔性直流输电技术可以说是一种较为经济、灵活、高质量的输电方式用以解决以上问题。另外，因为电压源换流器产生的谐波含量小，不必专门配置滤波器，可以大大节省占地面积，相比于高压直流输电技术，柔性直流输电在城市、海岛、海上平台中的使用具有很大优势。

柔性直流输电是构建智能电网的重要装备，与传统方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、大规模风电场并网、城市配电网的增容改造、交流系统互联等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。随着电力电子技术的进步，柔性直流作为新一代直流输电技术，为输电方式变革和构建未来电网提供了崭新的解决方案[2]。

近几十年来国外大力发展了柔性直流输电技术，并应用于实际工程。我国关于柔性直流输电技术的研究也迎头赶上，并成功建设了几大柔性直流输电工程。

本文简要介绍柔性直流输电技术的现状，具体分析其在输电领域应用的情况，最后总结分析了未来国内外柔性直流输电工程在输电应用领域可能的发展趋势和前景。

2柔性直流输电技术概述

（1）柔性直流输电原理

典型的基于绝缘栅双极半导体管（IGBT）2电平VSC的柔性直流单相示意图见图1。柔性直流输电与传统直流输电的基本不同点是：它采用具有关断能力的可关断器件（如IGBT）组成的电压源换流器（VSC）进行换流，而传统直流输电则是采用无关断能力的低频晶闸管所组成的电网换相换流器（PCC）来进行换流[3]。

图1柔性直流输电基本原理图

早期的柔性直流输电都是采用两电平或三电平换流器技术，一般采用在直流侧中性点接地的方式，但是一直存在谐波含量高、开关损耗大等缺陷[4]。近年来，对于模块化多电平柔性直流输电技术的研究与发展越来越多，应用该技术的系统一般采用交流侧接地的方式；该技术提升了柔性直流输电工程的运行效益，极大地促进了柔性直流输电技术的发展及其工程推广应用。目前，已投运的柔性直流输电的VSC基本采用脉宽调制（PWM）技术，可以几乎独立瞬时地改变交流输出电压的相位与幅值，从而实现有功与无功的独立瞬时调节。

在接线形式方面，单极对称接线方案是目前柔性直流输电系统中最常见的接线方案，这种接线方案采用一个6脉动桥结构，在交流侧或直流侧采用合适的接地装置钳制住中性点电位，两条直流极线的电位为对称的正负电位。目前世界上绝大多数柔性直流工程均是采用该接线方式，在我国刚刚建成的舟山多端柔直和南澳柔直项目也是采用该接线方式。

双极对称接线方案在目前柔性直流输电系统不算常见，这种接线方案采用2个6脉动桥结构，分别组成正极和负极，两极可以独立运行，中间采用金属回线或接地极形成返回电流通路。我国刚刚完成设计并进入工程建设阶段的厦门柔性直流输电工程也是采用的该结构。随着单个柔性直流工程输送容量的不断提升以及用户对于柔性直流输电可靠性的要求越来越高，这种方式双极对称的接线方案必将是未来发展的主流[5]。

（2）柔性直流输电的特点

1）VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，能够给无源网络直接供电，短路容量限制不苛刻，可以给孤立负荷或弱交流电网供电。

2）柔性直流输电可以瞬时独立地控制输出有功和无功功率，具有高度的可控性和灵活性，无最低输送有功功率限制，不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到静止同步补偿器（STATCOM）的作用，稳定交流母线电压。但柔性直流输电在输电容量、输电距离和电压等级方面有限制。由于没有很好地解决架空线传输的问题，柔性直流输电工程的电压普遍不高，同时，柔性直流系统相对损耗较大，这就限制了其有效的输电距离。

3）系统在潮流反转时，柔性直流仅电流方向反转而直流电压极性不变，因此柔性直流特别适于多端直流连接，克服了传统多端HVDC系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。

4）谐波含量小，需要的滤波装置少。无论是采用SPWM脉宽调制技术的二电平拓扑还是采用最近电平逼近(NLS)的子模块多电平拓扑结构的柔性直流输电技术，其开关频率相对于传统直流较高，产生的谐波比传统小很多，需要的滤波装置容量小，甚至可以不需要滤波器。

5）柔性直流输电有换流站占地面积小、设备模块化设计，从而具有设计、生产、安装和调试周期大大缩短的工程经济特点。柔性直流输电由于滤波器容量相对较小甚至没有等原因，设备比较少，从而比传统直流换流站占地面积小（目前同等容量可以小40%），柔性直流换流站更容易建在城市等土地紧张的区域。但柔性直流换流站满载损耗率大，造价昂贵，需综合考虑。

3柔性直流输电技术在输电领域的应用

目前，从柔性直流的在输电应用领域来看，世界范围内27项已投运或在建的柔性直流输电工程中：9项工程应用于风电场并网，其中德国北海海上风电场（世界上最大海上风电场）采用400MW 柔性直流海底电缆接入系统，使得柔性直流在大型海上风电场接入方面有了实际工程范例；3项应用于城市中心供电[2]；3项应用于异步电网互联；4项应用于电能质量优化；3项应用于海上平台[7]。

（1）连接小规模发电厂到电网

由于地域和环境限制，风能发电，太阳能发电，潮汐发电，小水电厂，以及海上钻井平台的气体涡轮发电等电厂往往远离电网和主负荷区。柔性直流输电已应用于解决将这些地域分散，规模较小的电厂用较低成本连接到电网的问题。该技术允许发电机工作在不同于电网的频率甚至是变频率方式。值得一提的是，柔性直流输电技术对交流电压的控制能力尤其适合于风力发电的传输，同时还可以解决在输电途中无法对进行无功功率补偿的问题。为了较好的应对这风力风向变化给电网的规划和运行提出的挑战，建立了相应的柔性直流输电工程来适应这类变化。如果风电

厂进行扩建，新的机组可以方便地加入柔性直流输电系统，如图2所示。同时，柔性直流输电对于无功的控制独立于有功的传输，这种控制在发电和负荷急剧变化时给电网系统增加了稳定裕度。

图2风能发电与电网通过HVDC Light进行连接

（2）替代传统直流的大规模送电和交直流联网

我国西部能源多负荷少，全国90%水电集中在西部地区；而东部能源少负荷多，仅东部7省的电力消费占到全国的40%以上。能源资源和电力负荷分布的严重不均衡，决定了大容量、远距离输电的必要性。而且随着越来越多的特高压直流线路接入电网，许多传统直流固有的如换相失败、多条直流溃入同一交流电网的相互影响等问题开始出现。与此同时，通过增加新的交流线路来给城市增加供电非常昂贵且很难得到许可证[8]。而柔性直流输电对接入的交流电网没有特殊要求，可以方便地进行各种形式的交直流联网，而且只需要很少的空间就可以输送更多的电力；同时轻型柔性直流输电系统不会增加直流网络的直流，因此柔性直流输电系统在城市供电的扩容应用效果较好。

由于目前柔性直流的输送容量受到限制，且没有适用于大电流开断的直流断路器，柔性直流工程直流侧故障自清除能力较差，所以大多数柔性直流工程采用电缆送电。

（3）在异步电网互联方面的应用

地区电网之间的互联是电网未来的发展方向，而且一些弱系统一般都远离主网，交流线到主网的跳闸次数较高，系统稳定性较差。随着经济的发展，弱电网地区有更大的容量需求，随着负荷的增加，不稳定可能引起更频繁的跳闸，线路的功率振荡会减少可用的有功容量，且不能接受功率环流。为了增加系统运行的灵活性和可靠性，同时发展电力市场，柔性直流输电技术能够将弱系统间形成互联，同时具有很强的电网恢复控制能力。随着多个柔性直流输电工程的建立，其技术优势已在异步联网工程中得到充分体现。

（4）在电能质量优化方面的应用

柔性直流输电可以对交流电网进行快速的动态无功补偿和有功调节，相当于一个无惯性的发电机，可以发挥稳定交流电网电压和频率的作用，有效提高电网供电质量。在暂态情况下，可以利用动态无功补偿快速响应的特点，可有效地改善系统的电压稳定性，增强抵御电网大事故的能力。而且，柔性直流的快速响应能力使得柔性直流能够在故障后的第一摆时间内提供能量，延缓

发电机加速过程，有一定的增强第一摆稳定的能力，这是其他普通输电或补偿设备所难以做到的。某些情况下，在提高系统动态稳定性方面，同等容量的柔性直流相当于4倍容量的并联动态无功补偿设备[9]。

（5）向远方孤立负荷供电

远方孤立负荷，如海上钻井平台和海岛，通常靠柴油或天然气来发电，不但发电成本高、供电可靠性难以保证，而且污染环境。采用该技术和海底电缆取代当地发电，降低了成本，改善了环境，同时多余的电能（如用石油钻井产生的天然气发电）还可以反送给系统。有些海上大功率负荷，如大功率压缩机，需要调速功能，专用一条HVDC Light线路向该负荷供电，加上ABB于1998年开发的技术——一种新型高压电动机[10]，其特殊的设计使得其供电电压可高达150kV，可以省掉变压器，从而将电动机和柔性直流输电直接相连，实现变频调速。

4国内外柔直应用工程简介

（1）丹麦Tjaereborg发电工程

Tjaereborg工程是世界上第一个用于示范的风力发电的柔性直流输电工程，为解决风力发电接入所导致无功功率和电压稳定问题提供了参考。该工程额定容量8MVA/7.2MW,直流电压±9kV，直流电流358A,输电距离4.3km[7]，用于连接大于100MW且离海岸大于50km的大规模风电场。该工程采用直流电缆与现有交流电缆并行铺设，可以工作在直流电缆单独运行，交流电缆单独运行和交直流电缆并行运行三种方式。

（2）上海南汇柔性直流输电示范工程

上海南汇柔性直流输电示范工程采用模块化多电平换流器结构，其容量为20MW，直流电压为±30kV，输送长度约为8km，南汇风电场通过该工程接入上海电网。为了验证柔性直流系统在风电接入中的作用，在世界上首次开展了人工短路试验，结果表明该工程可大幅度提高风电场的低电压穿越能力。这是中国在直流输电领域取得的又一重大创新成果，标志着中国在柔性直流输电技术领域已经迈入世界前列，可为以后的风电场和孤岛电网并网提供技术支撑和相关运行经验[11]。

（3）Cross Sound Cable工程

2002年投运的CSC工程实现了美国新英格兰纽黑文地区电网和纽约长岛地区电网的互联。其参数为330MW/±150kV，使用了42km的海底电缆，如图3所示[12]。在2003年的北美“8.14”大停电事故后的几个小时，根据电力调度要求，首先将该工程投入运行。这样除了通过直流电缆向长岛供电以外，还通过交流电压控制对相连的长岛和纽黑文地区电网提供了稳定交流电压的能力，对于长岛的电力恢复起到了重要支撑作用。此工程在事故后恢复供电所提供的黑启动能力，很好地体现了柔性直流输电系统的技术优势。

图3Cross Sound Cable工程单线图

（4）舟山多端互联工程

随着舟山群岛新区的建设，各岛屿的开发进程不断加速，这对舟山电网的供电可靠性和运行灵活性提出了更高的要求。另外，舟山诸岛拥有丰富的风力资源，风电的间歇性和波动性也对电网接纳新能源的能力提出了新的要求。在此情况下，舟山电网迫切需要发展适用于其自身特点的先进输配电技术。

舟山5端直流工程旨在建设世界第1条多端柔性直流工程，同时满足舟山地区负荷增长需求，提高供电可靠性，形成北部诸岛供电的第二电源；提供动态无功补偿能力，提高电网电能质量；解决可再生能源并网，提高系统调度运行灵活性[5]。工程的建设和实施，也将为未来实现海岛供电、可再生能源并网、多端直流输电系统乃至直流电网构建等应用，提供技术和工程上的良好借鉴。

5结论

鉴于柔性直流输电技术有能够快速独立的控制有功和无功功率，谐波含量少，较易实现潮流反转，能向无源网络供电，改善供电的电能质量，可以提高现有交流系统的输电能力和交流电压功角稳定性，柔性直流输电系统占地面积少、施工工期短以及电磁干扰小等特点[13]，柔性直流输电技术在输电领域的诸多方面要优于传统的输电技术，所以大力研究和发展柔性直流输电工程已成为不可阻挡的趋势。

根据目前柔性直流输电技术在输电领域的应用方面，由全世界范围领域已投运的柔性直流输电工程来看，综合分析考虑现阶段的应用成果，概括柔性直流输电工程在中国的发展方向可以包括以下两大方面：

1）由于未来可再生能源发电将成为不可忽视的力量，不仅仅将分散的可再生能源型发电厂连接到电网，而且可以通过柔性直流输电技术高压直流输电技术来构建新一代输电网络，即基于高压直流输电（主要是柔性直流输电）来建立广域的智能输电网络，实现广域范围内的可再生分布式电源的功率波动抑制，以及可再生能源的大规模高效接入、保障电网的安全稳定运行、提升供电质量并促进可再生能源与电力系统的协调发展等目标。这样就需要提高柔性直流输电工程的输电容量和电压等级，来充分利用可再生能源缓解能源的紧张，利于环境的保护。

2）中国地域辽阔，各地发电和用电资源配置严重不平衡，因此长距离架空线输电在国内电力发展过程中有着不可替代的作用。采用架空线传输不仅可以通过提升电压等级提升系统容量，还可以有效降低线路投资，节省造价。所以需要提高线路暂时性故障的清除能力，其解决方案除了研制相应电压等级的直流断路器以外，还可以通过研制清除直流故障的新型换流器拓扑来解决。与此同时，通过采用送端为常规直流、受端为柔性直流的方式进行工程建设，或者将常规直流逆变站改造为柔性直流换流站，可以在节省造价的同时，解决由于系统故障造成的换相失败问题。

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作者简介：李欣蔚，1993年11月，获得学士学位于华北电力大学（北京），单位为华北电力大学，学生。