柔性直流输电

柔性直流输电技术
目录
简介 (1)
原理 (2)
战略意义 (3)
应用前景展望 (4)
常规直流输电与柔性直流输电的对比 (5)
一、常规直流输电技术 (5)
二、柔性直流输电技术 (6)
三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 (7)
四.运行方式 (8)
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。

基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi 等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。

李岩，罗雨，许树楷，周月宾等.柔性直流输电技术：应用、进步与期望．《南方电网技术》，2015讲述了柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向,已成为新一代智能电网的关键技术之一。

概述了国内外柔性直流输电工程的现状以及柔性直流输电技术在交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域的应用情况;重点介绍了世界第一个多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电示范工程的研发情况,尤其是其技术难点;指出了直流输电混合化,高电压大容量化,直流输电网络化和直流配电网等未来柔性直流输电技术发展
的主要方向;提出了柔性直流输电系统亟待解决的关键问题,诸如具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构,高压直流断路器技术和直流电网运行的基础理论及控制保护技术。

柔性直流输电系统中两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流器和换流变压设备，换流电抗设备等进行组成。

其中最为关键的核心部位是 VSC ，而它则是由流桥和直流电容器共同组成的。

系统中，综合考虑它的主电路的拓扑结构及开关器件的类型，能够采用正弦脉宽调制技术，将此类技术在调制参考波与三角载波进行数据的对比，在后者数据相对较小的情况下，就会发生触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。

这主要是由于浮动数值和相位都可以利用脉宽调制技术来进行智能化调解。

因此，VSC 的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节
原理
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。

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。

战略意义
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、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网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。

柔性直流输电还将面临如何实现高电压、大功率、架空线使用、混合结构直流输电等方面的挑战。

将通过进一步的研究和试点，使该技术在大规模风电场接入系统、实现区域联网提高供电可靠性、缓解负荷密集地区电网运行压力等更多领域得到应用。

应用前景展望
综合考虑柔性直流输电技术所具备的一系列优点以及存在的局限性，该技术电厂并网，海上平台等领域取得了较为广泛的运用，而在未来的发展中该技术应用的方向主要在以下三个方面。

（1）在城市电网塔容及直流供电中的应用。

我国经济的高速发展以及城市化建设的不断推进，促进了城市电网的进一步发展，与此同时大部分的城市电网负荷也一直呈现出不断增长的趋势，人们对于电能的供应及质量要求不断提高。

（2）替代交直流联网。

结合我国的总体趋势西部地区的资源相对较多，同时负荷较少，我国90% 的水电几乎都集中在西部，而东部地区的能源与负荷量特点则恰好相反。

导致了我国地区能源和负荷的失调，因此，特高压直流输电工程在不断增多，实现电能的大容量和远距离运输。

关于柔性直流输电技术方面仍然存在着一定的障碍，在进行长距离和大容量的发展过程中，要克服以下几个难点：第一就是用碳化归来替代二氧化硅，从而改变 VSC 的材料，同时还要增强封装材料的绝缘性和耐热性，达到大容量的电流运输。

第二就是要加强电流直流断路器的优化与改良，突破上述所提到的故障。

如果能在技术上实现故障的突破，那
么柔性直流输电技术在未来可能会完全取代传统输电技术，承担起长距离大容量的输电任务。

（3）在孤立负荷供电方面的应用。

由于柔性直流输电技术能够实现对无源网络的直接供电，同时对于输电的功率大小没有相应的限制，因此在远方孤立电荷的供电过程中，该技术能够得到充分的发挥。

例如在南方电网，对于一些较为偏僻的海岛或者是村庄来说，一般都是运用孤立负荷主网，这对于交流供电来说，难度相对较大，因此在当地都是采用柴油机组就地发电。

这种方式虽然能解决当地居民的用电问题，但同样也会带来环境污染大、能源消耗大等弊端，这与我国资源节约型与环境友好型社会的构建目标是不相符合的。

而通过运用柔性直流输电技术，则能较好地解决以上问题，这也是该技术在未来发展中的一大应用方向。

常规直流输电与柔性直流输电的对比
一、常规直流输电技术
1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。

常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。

2. 常规直流输电技术的优点。

1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。

2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。

大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。

3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。

3. 常规直流电路技术的缺点。

常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。

1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。

2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。

3）无功消耗大。

输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。

二、柔性直流输电技术
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。

柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。

2. 柔性直流输电技术的优点。

柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。

此外，柔性输电还具有一些自身的优点。

1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。

保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。

2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。

功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。

3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。

4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。

3. 柔性直流输电技术的缺点。

系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。

在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。

可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。

三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
1. 换流器阀所用器件的对比。

1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。

2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。

2. 换流阀的对比。

1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，可以输送大功率。

2）柔性直流输电系统中的换流阀采用了IGBT器件，可实现很高的开关速度，在触发控制上采用PWM技术，开关频率相对较高，换流站的输出电压谐波量较小，主要包含高次谐波。

故相对于常规直流输电，柔性直流输电换流站安装的滤波装置的容量大大减小。

3）常规直流输电通过换流变压器连接交流电网，而柔性直流输电是串联电抗器加变压器，常规直流输电以平波电抗器和直流滤波器来平稳电流，而柔性直流输电则采用直流电容器。

3. 换流站控制方式的对比。

1）常规直流输电系统的换流站之间必须进行通信，以传递系统参数并进行适当的控制，而柔性直流输电系统中各换流站之间的通信不是必需的。

2）功率反向输送能力的对比。

柔性直流输电系统在潮流反转时，只需改变电流方向，而直流电压极性不变，功率反向时系统不停运，这使得柔性直流输电系统改变功率方向时，两端换流站的控制策略不变，更不需要投切交流滤波器或闭锁换流器。

而常规直流输电改变功率方向时需要改变电压极性，而直流电流极性不变，功率反向时，换流站需退出运行，改变控制策略，并且需要对滤波器和无功补偿设备的投切情况进行实时判断。

3）对交流网络的依耐性方面的对比。

柔性直流输电不需要依靠交流系统的能力来维持电压和频率稳定，无需无功补偿，换流器自身可提供无功功率。

而常规直流输电要求受端交流系统具有足够的短路容量，需要外加的换相容量，不能
向无源或弱网络送电。

4）有功和无功功率控制方面的对比。

柔性直流输电的有功、无功可以独立控制。

常规直流输电的有功、无功不能独立控制，调节无功需要特殊装置和额外费用，需交流系统或增加无功补偿设备提供换流站消耗的无功功率。

5）电压控制方面的对比。

柔性直流输电本身可以起到STATCOM的作用，稳定交流母线电压，而常规直流输电需要借助无功补偿设备稳定交流母线电压。

6）黑启动能力方面的对比。

柔性直流输电有黑启动能力。

即当一端交流系统发生电压崩溃或停电时，瞬间启动自身的参考电压，向切除电源的交流系统供电，相当于备用发电机，随时向瘫痪的电网供电。

而常规直流输电无黑启动能力。

经过常规直流输电与柔性直流输电的比对发现，随着直流输电技术的飞速发展，以及节能和绿色能源的要求，尤其在可再生能源发电并网和孤岛供电方面，未来以IGBT为代表的柔性直流输电必将成为市场的主流，柔性直流输电尤其是基于电压源型换流器的直流输电将会快速发展，与常规直流输电并存，甚至超过后者。

四.运行方式
实现柔性直流输电系统的３种运行方式：
１）运行方式１
只有直流线路的运行方式。

送端换流站有功类控制器选择频率控制，无功类控制器选择交流电压控制；受端换流站有功类控制器选择直流电压控制，无功类控制器选择交流电压控制或无功功率控制，并且交流电压控制和无功功率控制可以手动切换。

２）运行方式２
交直流并联的运行方式。

送端换流站有功类控制器选择有功功率控制，无功类控制器选择交流电压控制或无功功率控制；受端换流站有功类控制器选择直流电压控制，无功类控制器选择交流电压控制或无功功率控制。

２个站的交流电压控制和无功功率控制均可手动切换。

３）运行方式３
ＳＴＡＴＣＯＭ运行方式。

２个换流站的直流连接断开，可以分别作为２
个独立的ＳＴＡＴＣＯＭ运行。

有功类控制器选择直流电压控制，无功类控制器选择交流电压控制或无功功率控制。

交流电压控制和无功功率控制可以手动切换。