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