柔性直流输电技术的现状及应用前景

柔性直流输电技术的现状及应用前景

发表时间：2019-10-28T14:09:07.520Z 来源：《电力设备》2019年第12期作者：闫海

[导读] 摘要：柔性直流输电系统作为新一代直流输电技术，在世界范围内已经得到了广泛应用与发展。

（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司呼伦贝尔运维分部）

摘要：柔性直流输电系统作为新一代直流输电技术，在世界范围内已经得到了广泛应用与发展。本文针对柔性直流输电技术的现状与应用前景，首先介绍了其相比于传统交直流输电技术的主要优势，即孤岛特性、多端输电特性、基于MMC技术的谐波无功控制特性，然后介绍了VSC-HVDC技术的现状和柔性直流输电技术应用前景展望。

关键词：柔性直流输电技术；现状；应用前景

1.柔性直流输电的主要概念及主要优势

近些年以晶闸管换流器为核心的高压直流输电技术，吸引了人们的目光。其主要的优势在于高压输电走廊的低建设成本，不同相位交流电网的柔性互联，负荷中心远距离大功率输电。常规直流输电技术所具有的优势，柔性直流输电技术均含有，但同时柔性直流输电还具有一些独有的特点。

1.1孤岛特性

常规高压直流输电技术需要受端电网为强电网，受端电网需要提供电压支撑方可保证输电稳定。常规直流建设初期，因本身交流电网容量较大，高压直流输电只是作为小部分补充，问题并不明显。近些年来，我国新能源建设蓬勃发展，大量西部的新能源需要通过直流线路输送到东部负荷中心，交流端容量不足够支撑大量直流线路输入的问题已逐渐明显。相比于常规直流输电，柔性直流输电技术采用全控型器件，在受端电网可表现为一个独立的交流电源，不仅对受端电网没有电压支撑要求，在交流网侧内部发生故障时，还可以提供低电压穿越能力。综合看来，柔性直流技术的这一特性可以广泛应用于孤岛供电及大规模新能源消纳。不仅在我国已经建成诸如南澳岛，舟山等项目，欧美也有大量已经建成或者在建的采用柔性直流的孤岛供电项目及新能源项目消纳工程。

1.2多端控制特性与配电网

常规直流输电因其需要受端电压支撑，多端控制相对较为复杂。所以国内已经建成的直流项目均是采用点对点模式的长距离高压线路，将能源富集区的电力输送至负荷中心。但随着国内经济整体发展，多经济中心格局必然形成。单纯的点对点输送方式不能够构成多负荷中心及多能源输送中心互联的高压直流输电网络。且我国东西部距离较长，不同的地区的负荷曲线随着地点、季节都会发生较大的变化，而使用多端的灵活柔性直流输电技术可以构成在高电压等级上的交直流输电网络来平衡各地不同时间不同季节能源需求。随着经济社会增长，点对点的方式只能作为地区发展不平衡状态下的特殊时代产物，以多端柔性直流为高压输电走廊，低压交直流配合的混合式电力网络代表了未来的发展方向。

1.3MMC技术与谐波无功控制

柔性直流输电提出时，主要采用两电平或三电平技术构成换流器，但对于高压直流输电的需求一直促使着研究人员对于柔直换流器提出新的电气拓扑。2001年提出的MMC技术从几乎根本上解决了高压输电问题。串联的MMC子模块，因其可以采用多电平技术进行高精度的输出电压控制，相比于常规直流输电的滤波器需求，基于MMC技术的换流器几乎不需要滤波支路。这无疑提高了系统的整体稳定性，降低了成本。

2.VSC-HVDC技术的研究现状

VSC-HVDC技术自问世以来便受到了业界的广泛关注，一些专家学者也加大了对其的研究力度。ABB和SIEMENS等多家公司对VSC-HVDC的技术特点及设备研发进行了深入的研究，并承担了一些实际工程的建设。与国外的发达国家相比，我国在VSC-HVDC应用方面的研究起步较晚，但在国家的大力支持下，近几年来在该领域取得了显著的研究成果。有的专家对VSC-HVDC系统的数学模型、控制策略及试验系统进行了研究；有的专家对VSC-HVDC系统的暂态建模进行了研究；有的专家对VSC-HVDC技术在城市电网中应用的可行性进行了研究。

3.柔性直流输电技术的应用前景展望

3.1在城市电网增容及直流供电中的应用

近年来，随着我国经济的快速发展，城市化进程逐步加快，这使得城市电网的负荷出现了持续增长的态势，人们对供电可靠性和电能质量的要求也越来越高。由于国内大部分城市的电网均是以交流输电为主，在当前的形势下，电网面临的困难和挑战越来越大，如城市电网电能传输通道资源日渐紧张、供电容量激增导致短路电流超标、土地资源紧缺导致输变电站站址选择困难。由于VSC-HVDC技术所产生的谐波含量要明显少于传统的直流输电，加之其能够对有功和无功功率进行快速控制，将其应用到城市电网当中，必然能够使供电质量获得显著改善。同时VSC-HVDC的电缆为埋地式直流电缆，工程建设中不需要设置输电走廊，既能够满足城市电网的增容目的，又不会对城市市容造成影响。此外，换流站本身的占地面积较小，可大幅度节约土地资源。上述的这些优点，使VSC-HVDC技术在城市电网增容扩建中具备了一定的应用优势，这也成为未来一段时期该技术应用的主流发展方向。

3.2替代交直流联网

从国内目前的总体情况上看，西部具有能源多、负荷少的特点，将近90%的水电集中在西部地区；东部则具有能源少、负荷多的特点，相关调查数据结果显示，东部七省的电力消费约占全国的40%以上。由上述分析不难看出，我国东西部的能源和负荷严重失衡，正因如此，使得大容量、远距离输电尤为必要，这也是特高压直流输电工程不断增多的主要原因之一。相关研究结果表明，传统的直流输电对接入电网的短路容量要求较高，并且需要额外配置大量的无功补偿装置。与此同时，随着大量特高压直流线路接入电网，使得传统直流输电系统出现了各种新的问题，如换相失败、多条直流并入电网后互相影响等。从理论的角度上讲，VSC-HVDC对接入的交流电网无任何特殊要求，可实现各种形式的交直流联网，由此对电网运行稳定性所产生的影响十分轻微，可忽略不计。从目前VSC-HVDC系统的输送容量上看，其主要受VSC容量和直流电缆耐受电压的限制，由于尚未研发出适用于大电流开断的直流断路器，故此，VSC-HVDC系统的主流侧故障自清除能力相对较差，若是在直流侧发生短路故障，则必须对交流断路器进行切除，并对整个直流系统进行闭锁处理，由此会导致故障恢复时间延长，所以不宜采用架空输电线路，而更适合电缆输电。为了使VSC-HVDC满足实际应用需要，其必须向大容量、长距离方向发展，在这一过程中，应当突破以下技术障碍：①改变VSC的材质，可利用碳化硅替代二氧化硅，并对其封装材料的绝缘性和耐热性进行