柔性直流输电技术概述

电力电子技术专题大作业
——柔性直流输电技术概述0.前言
学习电力电子技术专题一学期以来，我感觉受益良多，我收获的不仅仅是各位老师讲座上所教授的内容，更有他们对于电网行业的深入分析以及未来发展方向的预测。

在诸多讲座中，我对宋强老师所讲的柔性直流输电技术最感兴趣，下面我就以此为主题，对柔输技术进行一些简要的概括与探究。

1.背景介绍
我们都知道历史上交直流输电之争由来已久，电机系的许多老师都经常提到这个话题，而目前普遍的输电方式仍是交流输电。

交流输电线路中，除了有导线的电阻损耗外还有交流感抗的损耗，为了解决交流输电电阻的损耗，还可以采用高压和超高压输电来减小电流来减小损耗，但是交流电感损耗不能减小，因此交流输电不能做太远距离输电。

如果线路过长输送的电能就会全部消耗在输电线路上。

交流输电并网还要考虑相位的一致。

如果相位不一致两组发电机并网会互相抵消。

这时人们又想起了直流输电的方式。

一直以来，直流输电的发展与换流技术（特别是高电压、大功率换流设备）的发展有密切的关系。

但是近年来，除了有电力电子技术的进步推动外，由于大量直流工程的投入运行，直流输电的控制、保护、故障、可靠性等多种问题也越发显得重要。

因此多种新技术的综合应用使得直流输电技术有了新进展。

输电技术的发展经历了从直流到交流，再到交直流共存的技术演变。

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，可使当前交直流输电技术面临的诸多问题迎刃而解，为输电方式变革和构建未来电网提供了崭新的解决方案。

基于电压源型换流器的高压直流输电概念最早是由加拿大McGill大学Boon-Teck等学者于1990年提出的。

通过控制电压源换流器中全控型电力电子器件的开通和关断，改变输出电压的相角和幅值，可实现对交流侧有功功率和无功功率的控制，达到功率输送和稳定电网等目的，从而有效地克服了此前输电技术
存在的一些固有缺陷。

国际大电网会议和美国电气与电子工程师协会于2004年将其正式命名为“VSC-HVDC”。

ABB，Siemens和Alstom公司则将该输电技术分别命名为HVDC Light，HVDC Plus和HVDC MaxSine，，在中国则通常称之为柔性直流输电（HVDC Flexible）。

2.柔性直流输电技术
2.1 技术简介
柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路（通常为直流电缆）构成。

与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件（通常为IGBT）和高频调制技术。

详细地说，就是要通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。

这样，通过对两端换流站的控制，就可以实现两个交流网络之间有功功率的相互传送，同时两端换流站还可以独立调节各自所吸收或发出的无功功率，从而对所联的交流系统给予无功支撑。

2.2 历史发展
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，但是一直存在谐波含量高、开关损耗大等缺陷。

随着工程对于电压等级和容量需求的不断提升，这些缺陷体现得越来越明显，成为两电平或三电平技术本身难以逾越的瓶颈。

因此，未来两电平或三电平技术将会主要用于较小功率传输或一些特殊应用场合，如海上平台供电或电机变频驱动等。

2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学R.Marquart和A.Lesnicar共同提出了模块化多电平换流器（MMC）拓扑。

MMC技术的提出和应用，是柔性直流输电工程技术发展史上的一个重要里程碑。

该技术的出现，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。

2.3 技术特点
柔性直流输电技术是采用可关断电压源型换流器和PWM技术进行直流输电，相当于在电网接入了一个阀门和电源，可以有效控制其通过的电能，隔离电网故障的扩散，还能根据电网需求，快速、灵活、可调地发出或者吸收一部分能量，从而优化电网潮流分布、增强电网稳定性、提升电网的智能化和可控性。

它很适合应用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。

柔性直流输电除具有传统直流输电的技术优点外，还具备有功无功单独控制、可以黑启动对系统强度要求低、响应速度快、可控性好、运行方式灵活等特点，目前，大容量高电压柔性直流输电技术已具备工程应用条件，并且具有以下优点：（1）系统具有2个控制自由度，可同时调节有功功率和无功功率，当交流系统故障时，可提供有功功率的紧急支援，又可提供无功功率紧急支援，既能提高系统功角稳定性，还能提高系统电压稳定性；
（2）系统在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，实现多端之间的潮流自由控制；
（3）柔性直流输电交流侧电流可被控制，不会增加系统的短路功率；
（4）对比传统直流输电方式，采用多电平技术，无需滤波装置，占地面积很小；（5）各站可通过直流线路向对端充电，并根据直流线路电压采取不同的控制策略，因此换流站间可以不需要通讯；
（6）柔性直流输电具有良好的电网故障后快速恢复控制能力；
（7）系统可以工作在无源逆变方式，克服了传统直流受端必须是有源网络，可以为无源系统供电。

3.发展趋势
柔性直流输电技术在MMC技术的基础上得到了极大的发展，其核心的电压源换流器技术有望很快取得重大突破，电压源换流器技术是柔性直流输电的核心技术，此项技术的重大突破将使柔性直流输电电压和容量等级的迅速提高，引领柔性直流输电进入新的发展阶段，并逐步取代传统的直流输电。

3.1 直流输电技术的混合化
直流输电混合化是指将传统直流系统和柔性直流系统以并联或串联的方式构成混合直流输电系统。

目前讨论较多的有两种方案：
1)常规直流与柔性直流并联，可以改善直流输电系统的谐波性能，提高无功补
偿与潮流控制的灵活性，提高系统的动态响应能力。

2)送电端采用常规直流、受电端采用柔性直流，可以避免由于常规直流换相失
败引起的无功冲击导致受端交流电网电压失稳的风险，同时可以节省直流落点占地。

3.2 直流输电网络化
建设直流电网是一个业界正在热烈探讨的课题。

直流电网可以定义为一个由直流换流站、直流线路、直流断路器、直流变压器等组成的全控输电网络，它可以是一个独立的电网，也可以是嵌入交流电网中的一个局部网络。

直流电网的特点是，其中的换流站、直流变压器、电源/负荷并网变流器一般都具有较强的可控性。

因此，直流电网可以灵活地在各个换流站之间分配功率，当某个换流站因故障退出时通过合理的控制仍可保持剩余系统的运行。

多端直流输电系统将在直流电网中发挥作用，其迅速发展来自建设直流电网的两方面驱动力：
1)海上风电!海岛风电等分布式电源通常分布在地理距离接近的多点，采用直流
网络接入比两端直流更具经济性；
2)相对传统直流输电，柔性直流输电具有控制灵活、不受短路比限制、无换相
失败等优点，可以为直流电网的建设提供全新的技术手段"
3.3 高电压大容量化
目前电压等级最高!容量最大的柔性直流输电工程是法国和西班牙联网的±320kV、1000MW的输电工程。

随着高压大容量电力电子器件的逐步成熟以及基于MMC结构的柔性直流换流站设计与运行经验的逐步积累，柔性直流输电系统有望在未来几年内达到500kV、3000MW，将逐步取代常规直流输电，为远距离大容量输电提供全新的技术手段。

4.总结
柔性直流输电除了具备传统直流输电固有的优点以外，还具有 4 象限运行、对交流系统要求低、可向无源网络供电，以及占地面积小等优势，因此在一些特定的场合，如长距离的跨海电缆送电、拥挤的城市供电、远距离向弱交流系统供电等得到比较多的应用。

同时由于它在功率反向时改变电流方向而电压极性不变，因此对于未来可能建设的直流电网是一种很好的解决方案。

但目前受到电压源型换流器件的工艺及参数水平、工作机制，以及线路故障后的恢复慢等限制，柔性直流输电仍然有许多局限性，如控制系统要求高、输送容量小、损耗大、造价高、输电距离短等等，因此还不能很好地应用于高电压、大容量、长距离送电，但这必将是柔性直流输电的一个重要发展方向。

未来随着电力电子器件、计算机控制等技术的不断发展，柔性直流输电的输送容量、电压等级将不断提高，而系统损耗和成本将逐渐下降，加上我国能源战略和能源结构的有序调整和完善，以及国内外工程运行经验的不断积累，柔性直流输电将会在更多领域得到更广泛的应用。

参考文献
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