柔性直流输电技术在上海电网的应用研究_蔡光宗

第２９卷第２期２０１２年４月供　用　电柔性直流输电技术在上海电网的应用研究蔡光宗１，何　晖１，包海龙２，袁智强１（１．上海电力设计院有限公司，上海　２０００２５；２．上海市电力公司，上海　２０００２５）摘　要：柔性直流输电技术的应用可解决现代城市电网发展面临的诸多技术问题。

以上海电网为对象，研究了柔性直流输电技术在城市电网中实际应用的前景，介绍了目前上海电网需要进一步完善和提高的主要环节，根据柔性直流输电技术特点，讨论了上海不同电压等级电网现状及其对柔性直流输电技术不同侧面的具体应用构想。

关键词：柔性直流输电技术；电压等级；城市电网中图分类号：ＴＭ７２１．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－６３５７（２０１２）０２－０００１－５Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　ｆｆＧｒｉｄＣａｉ　Ｇｕａｎｇｚｏｎｇ１，Ｈｅ　Ｈｕｉ１，Ｂａｏ　Ｈａｉｌｏｎｇ２，Ｙｕａｎ　Ｚｈｉｑｉａｎｇ１（１．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００２５，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００２５，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｐｌｙｉｎｇ　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃａｎ　ｇｅｔ　ｒｉｄ　ｏｆ　ｍａｎｙ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｍｅｔ　ｗｉｔｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅｍｏｄｅｒｎ　ｕｒｂａｎ　ｇｒｉｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｓｈａｎｇｈａｉ　ｇｒｉｄ，ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ　ｔｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｕｒｂａｎ　ｇｒｉｄ　ｉｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｏｎ，ａｎｄ　ｍａｊｏｒ　ｓｔｅｐｓ　ｎｏｗａｄａｙｓ　ｎｅｅｄｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ａｒｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．Ａｃ－ｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ，ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｇｒｉｄ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎ　ｓｈａｎｇｈａｉ　ｉｓ　ｄｉｓ－ｃｕｓｓｅｄ，ｓｏ　ｉｓ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｆｏｒ　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＶＳＣ－ＨＶＤＣ；ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｅｖｅｌ；ｕｒｂａｎ　ｇｒｉｄ 柔性直流输电（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）技术是以电压源换流器（ＶＳＣ）和脉冲宽度调制（ＰＷＭ）技术为基础的新型直流输电技术，具有多控制变量和快速调节能力，可应用于向孤岛供电、可再生能源发电电源并网、电能质量控制以及向城市负荷供电等。

随着大城市电网的发展，普遍存在的短路电流增大、动态无功不足、可再生能源发电电源并网运行影响电网运行稳定等问题日益凸显。

本文以上海电网为研究对象，讨论了应用柔性直流输电技术解决上述问题的前景，提出柔性直流输电技术在上海电网应用的初步构想。

１　上海电网需进一步完善和提高的主要环节上海电网是全国最大的城市电网，具有电网结构紧密、短路电流问题突出、动态无功不足，以及安全稳定运行水平要求较高等特点。

在现有电网格局和输变电技术条件下，上海电网需要进一步完善和提高的主要环节具体如下。

１）负荷增长速度高于电网供电能力发展速度，一定时段性的电源结构性缺电和局部区域性的电网结构性缺电依然存在。

由于整个电网电气联系紧密、短路电流逐年上升，这制约了电网运行方式安排，威胁着电网安全运行。

２）市外受电通道容量不足，市内电网结构仍相对薄弱，全网输电、变电、配电能力有待进一步加强；市外来电尤其是直流受电的容量和比例较高，而市内电源建设受到限制，电网的动态无功配置严重不足。

３）电网结构紧密、负荷密度较高，城市空间资源不足以成为城市电网发展的一个不可忽视的限制因素。

４）新能源发电机组并网对电网的电能质量和安全稳定性造成了一定的影响。

５）对于特别重要用户，在现有的技术条件下，电力企业缺乏进一步提高供电可靠性的有效措施。

１蔡光宗，等：柔性直流输电技术在上海电网的应用研究２　柔性直流输电技术的主要特点与传统直流输电（ＨＶＤＣ）相比，柔性直流输电（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）技术具有以下特点。

１）由于ＶＳＣ的电流能够自关断，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ可以工作在无源逆变方式，换流器换相不需要交流系统提供换相电流，受端系统可以是无源网络，克服了传统的ＨＶＤＣ受端系统必须是有源网络的根本缺陷，使利用ＶＳＣ－ＨＶＤＣ为远距离的孤立负荷（如海上石油平台、海岛）送电成为可能。

２）在正常运行时，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ可以同时且独立地控制有功功率和无功功率，控制更加灵活方便。

而传统ＨＶＤＣ中控制量只有触发角，不能单独控制有功功率或无功功率。

３）ＶＳＣ不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到动态无功发生器的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。

当交流电网发生故障时，若ＶＳＣ－ＨＶＤＣ容量允许，则ＶＳＣ－ＨＶＤＣ系统既可向故障区域提供有功功率的紧急支援，又可提供无功功率的紧急支援，从而可提高电网的功角稳定性和电压稳定性。

４）由于ＶＳＣ－ＨＶＤＣ交流侧电流可以被控制，所以不会增加电网的短路功率，即增加新的柔性直流输电线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。

５）ＶＳＣ－ＨＶＤＣ通常采用ＰＷＭ技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需的交流电压，省去了换流变压器，从而简化了换流站的结构（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ换流站的占地面积仅为同容量下ＨＶＤＣ的２０％左右），并使所需滤波装置的容量也大大减小。

６）模块化设计使ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的设计、生产、安装和调试周期大大缩短，且ＶＳＣ－ＨＶＤＣ换流站间的通信也不是必需的，控制结构易于实现无人值班。

７）ＶＳＣ－ＨＶＤＣ具有良好的电网故障后的快速恢复控制能力。

在连接两个独立的交流系统的ＶＳＣ－ＨＶＤＣ中，一侧交流系统发生故障或扰动并不会影响到另一侧交流系统和换流器的工作。

３　柔性直流输电在上海电网的应用前景２０１１年７月，国内也是亚洲第一个柔性直流输电工程———上海南汇风电场柔性直流输电工程已于上海电网正式投入运行。

ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的主要技术特点使其克服了传统ＨＶＤＣ的固有缺陷，直流输电的应用范围得到扩展。

其在电力系统中的主要应用领域包括：连接分散的小型发电厂、交流系统间的非同步互联、向偏远地区供电、向孤岛供电、构筑城市直流输配电网、提高配电网电能质量等。

根据上海电网的现状及柔性直流输电的特点，对ＶＳＣ－ＨＶＤＣ在上海电网的应用前景作具体分析。

３．１　５００ｋＶ电网３．１．１　５００ｋＶ电网现状５００ｋＶ电网是上海电网电力吞吐的主网架，已建成双回环网与南外半环，并通过６回５００ｋＶ交流线路与华东主网相连；另有３回±５００ｋＶ直流线路和１回±８００ｋＶ直流线路同华中电网相连，接受三峡水电站和华中电网电力。

１）在电网短路电流方面。

为限制电网短路电流，华东和上海５００ｋＶ电网在正常运行时需要采取相应的控制措施。

其中，上海电网在主要的５００ｋＶ环网线路上已被迫开环运行，使得电网安全水平有所下降。

２）在电网受电能力方面。

上海电网作为典型的受端电网，随着用电负荷的逐年增加，市外来电越来越多，但受到通道资源的影响，受电通道的实际受电能力不足。

同时，上海５００ｋＶ市内环网线路截面大多为４×４００ｍｍ２，正常运行时其输送能力约为２　０００～２　４００ＭＷ，随着市外来电的增加，部分线路的输送容量将不能满足运行需要。

因此，为了有效接受市外电力，不仅需要提高５００ｋＶ对外通道的受电能力，而且需要改善上海内部５００ｋＶ电网的传输能力。

远期，随着全国特高压同步电网的逐步发展，下级５００ｋＶ电网应逐步实现分片运行，目前承担主要受电任务的５００ｋＶ市外受电通道，需要逐步解环运行或改为事故备用联络通道。

同时，上海电网最终的供电规模预计在４９　０００ＭＷ，受到短路容量的制约，仍将无法合环，也需要结合特高压电网的发展逐步分片运行。

这对于上海远期５００ｋＶ主网的供电可靠性和供电能力有一定的影响。

３）在电网无功功率方面。

随着上海电网负荷的快速增长，考虑本地电源一定量的增长后，市２蔡光宗，等：柔性直流输电技术在上海电网的应用研究外来电占总负荷的比例大致在３０％～４５％（对应备用容量全部安排在市外和市内）。

由于无功功率不宜远距离传输，需要分层分区就地平衡，上海电网不考虑与市外电网交换无功，因而市外来电所供负荷的无功功率需要由上海电网提供。

同时，在正常运行方式下，为了留有足够的动态无功备用容量，提高电力系统的安全稳定水平，上海电网发电机组一般运行在高功率因数下，这样加大了电网无功功率缺额，造成电网需要安装的无功补偿容量增加。

此外，为了限制短路电流，上海电网发电厂新增发电机的升压变压器正在考虑采用高阻抗变压器，使得发电机可向电网提供的无功功率减少，无功功率缺额特别是动态无功缺额将进一步增加。

３．１．２　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ在５００ｋＶ电网的应用一般来说，采用常规的方法难以同时解决５００ｋＶ电网存在的问题，而且一些方法在改善电网某一方面性能的同时降低了电网另一方面的性能，如采用高阻抗变压器虽然可降低电网短路电流，但也增加了电网的无功功率损耗，产生了电网无功电压问题，并且降低了电网的稳定裕度。

对此，上海电网一方面要充分应用相对成熟的常规交流输电技术，在电网规划、建设、管理和运行等方面做好应对措施，另一方面也应努力寻求更为有效的解决方法。

由于柔性直流输电技术具有可以控制电网短路容量、优化电网潮流控制、改善无功电压水平等方面的优点，因而在规划中除采用常规的方法外，也可考虑应用柔性直流输电技术的优势，解决上海５００ｋＶ电网远景可能存在的一些问题。

初步考虑远期可在上海５００ｋＶ市内环网和市外受电通道上安装柔性直流输电设备，隔断设备两端交流电网短路容量传递，使５００ｋＶ电网保持联络。

同时，利用柔性直流输电便于控制电网潮流的特点，优化电网潮流分布，充分提高现有线路的输电能力，节约通道资源，增加电网整体受电能力。

３．２　２２０ｋＶ电网３．２．１　２２０ｋＶ电网现状２２０ｋＶ电网是上海电网的主要供电网络，已形成较坚强的密集型网络结构，分层分区运行。

上海电网内用电主要由市郊主力电厂和５００ｋＶ变电站通过２２０ｋＶ架空线路送入市区２２０ｋＶ中心变电站或中间变电站，再通过电缆线路以辐射形电网送入市中心的２２０ｋＶ终端站供给。