浅议柔性直流输电的优势及应用前景

浅议柔性直流输电的优势及应用前景

潘宗英

重庆工贸职业技术学院

摘要：柔性直流输电电网结构灵活、坚强、高效,是充分利用可再生能源发电，将其输送到负荷中心的有效途径,代表直流输电领域的发展方向,为此得到广泛的应用。本文着重介绍柔性直流输电系统的优势,展望柔性直流输电系统的应用前景。

关键词：柔性 直流输电 优势 前景

随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。加之城市人口膨胀和城区合理规划，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，因此，迫切需要采用灵活、经济、环保美观的输电方式。

1 柔性直流输电

以可关断器件（IGBT）和脉宽调制（PWM）技术为基础的直流输电技术，国际权威学术组织国际大电网会议（CIGRE）和美国电气和电子工程师协会（IEEE），正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型直流输电”。2006年5月，中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”，会上，与会专家一致建议国内将基于电压源换流器技术的直流输电统一命名为“柔性直流输电”。

柔性直流输电作为新一代直流输电技术，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构成。柔性直流输电的换流器为电压源换流器(VSC)，采用可关断器件(IGBT)和脉宽调制（PWM）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。通过对两端换流站的控制，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 柔性直流输电优势

柔性直流输电是一种以电压源换流器、可关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，采用全控型的电力电子器件IGBT。柔性直流输电实现有功功率和无功功率快速的独立控制，其输电系统反应速度快、可控性较好、运行方式灵活。

2.1没有无功补偿问题

采用以IGBT为代表的全控型器件，能够独立的控制换流器的无功功率。柔性直流输电的VSC不需交流侧提供无功功率，其自身有静止同步补偿器的作用，可以动态补偿交流系统无功功率，稳定交流母线电压。

2.2没有换相失败问题

柔性直流输电的VSC采用的是可关断器件，可以自换相，没有换相失败的风险，有良好的故障穿越性能。即使受端交流系统发生严重故障，只要换流站交流母线仍然有电压，就能输送一定的功率，其大小取决于VSC的电流容量。

2.3可以为无源系统供电

柔性直流输电的VSC能够自换相，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络，实现了为孤立负荷送电的可能。

2.4可同时独立调节有功和无功功率

柔性直流输电的VSC具有2个控制自由度，可以同时独立调节有功功率和无功功率。

2.5谐波水平低

柔性直流输电的两电平或三电平VSC，采用PWM技术，开关频率相对较高，谐波落在较高的频段，可以采用较小容量的滤波器解决谐波问题；对于采用MMC的柔性直流输电系统，通常电平数较高，不需要采用滤波器已能满足谐波要求。

2.6适合构成多端直流系统

柔性直流输电的VSC电流可以双向流动，直流电压极性不能改变；因此构成并联型多端直流系统时，在保持多端直流系统电压恒定的前提下，通过改变单端电流的方向，单端潮流可以在正、反两个方向上调节，更能体现出多端直流系统的优势。

2.7占地面积小

柔性直流输电换流站没有大量的无功补偿和滤波装置，交流场设备很少，因此比传统直流输电占地面积小。

3 柔性直流输电的不足

3.1系统损耗大（开关损耗较大）

传统直流输电的单站损耗已低于0.8%，两电平和三电平VSC的单站损耗在2%左右，MMC的单站损耗可以低于1.5%。在直流侧发生故障时，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，导致直流侧故障时的故障电流不能控制，只能在故障发生后通过断开交流侧断路器来切除故障，使系统损耗增大。

3.2设备成本较高

目前柔性直流输电技术水平，单位容量的设备投资成本高于传统直流输电。

3.3容量相对较小

目前可关断器件的电压、电流额定值都比晶闸管低，如不采用多个可关断器件并联，VSC的电流额定值就比LCC的低，因此VSC基本单元（单个两电平或三电平换流器或单个MMC）的容量比LLC基本单元（单个6脉动换流器）的容量低。已投运或正在建设的柔性直流输电工程的最大容量在1000MW左右，与传统直流输电的6000MW以上还有一定的距离。

3.4不适合长距离架空线路输电

柔性直流输电采用的两电平和三电平VSC或多电平MMC，在直流侧发生短路时，即使IGBT全部关断，换流站通过与IGBT反并联的二极管，仍然会向故障点馈入电流。所以，目前的柔性直流输电在直流侧发生故障时，清除故障的手段是跳换流站交流侧开关。导致故障清除和直流系统再恢复的时间就比较长，因此不适合长距离架空线路输电。

4 柔性直流输电的应用前景

柔性直流输电是构建智能化电网的重要装备，对于坚强智能电网的建设和电网的经济、安全、可靠运行，有着显著的促进作用。柔性直流输电是国际公认的最具有技术优势的风电场并网方案，也是海上风电并网的唯一方式，可大幅改善大规模风电场并网的性能。同时，对于重要负荷供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场、孤岛供电、电网黑启动、多端直流联网、弱系统联网等，柔性直流输电技术具有广阔的市场应用前景，是改变大电网发展格局的战略选择。

4.1远离电网的负荷应用

如油田，钻井，海岛等，采用交流架空线输电代价高，或者不可能，这些地方常用柴油发电，污染环境，维护成本也高。将负荷通过柔性直流输电系统和电网相连，不仅降低供电成本， 还改善环境。

4.2孤立负荷供电的应用

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

4.3可再生能源发电并网或小规模发电厂并网的应用

如风能发电，太阳能发电，潮汐发电，小水电站以及海上钻井平台的气体涡轮发电等。这些电厂由于地域和环境限制，远离电网和主负荷区，VSC-HVDC技术可将这些地域分散、规模较小的电厂用较低成本连接到电网。

4.4风电场的应用

随着我国新能源政策的实施，大力推广太阳能、陆上风电等新能源利用，积极开发海上风电。但新能源发电往往具有不可预测、流量较小、比较分散等特点。尤其是海上风电，风电场远离陆地，虽然数量很多但规模较小，用普通的方式输电损耗太大，VSC-HVDC还能有效控制紊乱的风流等原因会引起风力发电电压闪变，可以将电压稳定在常数值。目前柔性直流输电是海上风电场并网的最佳方式。

4.5城市电网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，城市电网负荷的不断增长，对电能的质量要求不断提高。柔性直流输电系统采用地埋式电缆，既不会影响城市市容，也不会有电磁干扰，同时也适合长距离电力传输。

柔性直流输电系统可用于多个相同或不同频率的电网互联，构成大区域电网；电网与电网之间一方面可以进行有功潮流输送，紧急无功支撑，对电网可靠性提供强有力的保证；另一方面，通过柔性直流将多个电网互联，可以隔离电网之间故障的进一步恶化，这也是柔性直流发展重要的应用场合之一。

4.6替代交直流联网

我国的总体趋势西部地区的资源相对较多，负荷较少，而90% 的水电几乎都集中在西部，东部地区的能源少负荷重。导致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。

参考文献：

1 柔性直流输电技术的特点及应用前景分析 贾勇鑫 《电子世界》 2018年12期

2 柔性直流输电系统 徐政 北京《机械工业出版社》