多端高压直流输电技术及应用前景

多端高压直流输电技术及应用前景

发表时间：2016-02-01T16:26:31.523Z 来源：《电力设备》2015年7期供稿作者：张东卫董玫瑰张健陈杰[导读] 国网山东无棣县供电公司山东滨州因為多端直流控制中需协调配合、集中控制多个换流站，因此在主控制以上的高层控制比多端直流的控制更加复杂。

张东卫董玫瑰张健陈杰

（国网山东无棣县供电公司山东滨州 251900）

摘要：高压直流输电技术在我国的发函呈现逐渐繁荣的状况，多端直流输电技术在现代社会中已经得到了广泛的关注。文章主要是分析了多端直流输电的关键技术和未来的发展方向，以及对将来发展的憧憬，希望能够为多端高压直流输电技术的发展提供更为广阔的平台，在将来的社会发展中发挥重要的作用。

关键字：多端高压；直流输电技术；应用前景

引言

我国的能源发展与经济发展具有很大的不平衡性，高压直流输电技术具有大容量、远距离的输电优势，尤其在我国“西电东送”的国家战略中发挥了不可替代的作用。但是传统的 2端直流仅能实现点对点的直流功率传送，随着经济发展和电网的建设，必然要求电网能够实现多电源供电以及多落点受电，因此在 2 端直流输电系统上发展而来的多端直流(multi-terminal direct current，MTDC)输电系统受到了越来越多的关注。近年来，随着 2 端直流输电技术的日臻完善，越来越多的国家开始积极探讨和研究多端直流输电技术的应用，如中国、印度和新西兰。可以预见，多端直流输电工程将在今后的远距离、大容量电力传输中发挥重要的作用。

一、多端直流输电的关键技术

1.高压直流断路器的应用

采用晶闸管换流阀的整流器，具有快速切断电流的能力，因此在 2 端直流输电系统中，直流停运可通过整流器完成，不需要装设直流断路器。对于多端直流输电系统，如果按照传统方法进行处理，需要短时停运整个多端直流系统以清除故障，然后重启直流系统，这会导致与其相连的交流系统受到较大冲击，对弱交流系统的影响更为显著，甚至会带来系统失稳的风险。因此有必要像交流系统一样在多端直流系统上安装高压直流断路器，以切断故障电流并使故障部分退出运行，这将大幅缩短故障后的恢复时间，且不需停运整个多端直流系统。然而由于直流电流无自然过零点，需强迫过零，同时要综合考虑燃弧时间和系统过电压，因此开断直流电流相比开断交流电流要困难很多，高压直流断路器成为多端直流输电技术发展和应用的瓶颈。

目前我国的高压直流断路器开断直流电流的方式主要有 2 种。

1.1电流转移法。该方法通过一预充电电容放电来产生一个与系统电流方向相反的电流来制造“人工电流零点” 。采用该原理的断路器可以开断较大的直流电流，且开断时间较短，但该类型断路器的控制较为复杂，可靠性稍弱。研发、制造、完善高压直流输电工程中实用的直流断路器，是目前我国发展多端直流输电技术亟需解决的关键问题。

1.2叠加振荡电流法。该方法利用电弧的负阻特性，在直流电流上叠加一个振幅逐渐增大的振荡电流来制造“人工电流零点” ，完成直流电流开断。然而当电弧电流大至一定程度时，其负阻特性将变得不明显，不能保证振荡电流稳定振荡到可产生零点的幅值，因此该类断路器开断电流的能力有一定的限制，由于结构简单，容易控制等优点，已成为目前实际工程中应用最多的一类直流断路器。太平洋联络线直流工程应用了该类型断路器， 1985 年在成功进行现场测试后，包括开断线路、开断负载、切除故障和多端系统转换 4种工况，该类型断路器已用于太平洋直流联络线的开断；此外， 20 世纪 90 年代末，日本东芝公司

制造的± 500 kV/3 500 A 直流断路器也属于该类断路器，作为金属回路转换断路器被用于日本的本洲—四国的直流输电工程中。

2.控制的基础模式

2 端直流输电系统的基本控制模式原则上均可移植到多端直流系统中，在多端直流输电系统中不同的接线方式采用的控制方式有所不同。

并联式多端直流系统的基本控制方式有 4 种：定电流模式、电压限制模式、最小关断角模式及分散控制模式，此外，还有若干在此基础上发展的控制模式。基于定电流方式提出了一种多点直流电压控制的方法，在该控制方案中，所有具备功率调节能力的换流器都运行于直流电压控制方式，仿真结果表明该方法有利于 VSC 多端直流系统故障时的解列运行以及故障后的恢复。串联式多端直流输电系统由于通过各个换流站和直流线路的电流相同，通常选定一个换流站为定电流控制方式，所有其他换流站承担直流电压的控制，或运行于定触发角或定熄弧角控制。

3.高压直流断路器的协调控制

因為多端直流控制中需协调配合、集中控制多个换流站，因此在主控制以上的高层控制比多端直流的控制更加复杂。总体上，对于并联接线式的多端直流输电系统，需保持各换流站直流电流的协调配合；对于串联接线式的多端直流输电系统则需保持各换流站直流电压的平衡。所以，相对来说，并联系统的协调控制问题更加突出。文献提出了一种基于功率控制方式与直流电压控制方式之间自动转换的多端直流系统控制模式，正常工作时设定一个换流站作为主导站来维持系统功率平衡，如该主导换流站因检修或故障退出运行，将选择另一换流站担当主导站的作用，所有其他换流站仍保持有功功率输出，其缺点是主导换流站必须有足够大的备用容量以完全补偿系统功率的不平衡，但这在实际中很难实现。提出了基于直流电压–有功功率调节特性的控制策略。在系统负荷发生突变或任一换流站故障退出后，所有具备功率调节能力的换流站根据给定的调节方式自动完成功率的重新分配，采取该控制策略，扰动发生后各换流站均能稳定运行，同时避免了单个换流站过载的情况。

4.多端直流系统仿真分析技术的研究

因为多端直流系统中存在多个整流器或逆变器，拓扑结构相对复杂，其整流和逆变的配合与协调控制也更加复杂，所以，与 2 端直流系统的仿真分析类似，多端直流系统仿真分析中也面临着直流模型的准确性问题，特别是直流换相特性和控制保护系统的准确模拟。全数字实时仿真是目前国际上仿真研究的发展趋势，对于换流阀等大功率电力电子器件快速电磁暂态过程的模拟，数字仿真的精度还需进一步提高。因此采用全数字模型仿真大部分交流系统和一部分直流输电系统，用物理模型仿真需要深入研究。