簡要分析柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

簡要分析柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用摘要：本文首先就柔性直流輸電技術(shù)特點與發(fā)展情況進(jìn)行了分析，而后探討了該技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用的現(xiàn)狀，進(jìn)而就其未來應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：柔性直流輸電技術(shù)；發(fā)展；應(yīng)用LCC-HVDC直流輸電技術(shù)的特點從高壓直流輸電的發(fā)展來看，1954年世界上第一個直流輸電工程投入商業(yè)運行，標(biāo)志著第一代直流輸電技術(shù)的產(chǎn)生，其采用的是汞弧閥換流技術(shù)。20世紀(jì)70年代，基于晶閘管的換流閥在直流輸電領(lǐng)域得到應(yīng)用，標(biāo)志著第二代直流輸電技術(shù)產(chǎn)生。傳統(tǒng)電網(wǎng)換相高壓直流輸電（LineCommutatedConverterbasedHighVoltageDirectCurrent，LCC-HVDC）技術(shù)自問世以來已經(jīng)過了60多年的發(fā)展，與傳統(tǒng)的交流輸電網(wǎng)絡(luò)相比，LCC-HVDC具有下列優(yōu)勢：（1） 不存在穩(wěn)定性問題，可在大功率系統(tǒng)中應(yīng)用；（2） 電力電子器件響應(yīng)快速，可以對有功功率實現(xiàn)靈活控制；（3） 輸電線路損耗小，在遠(yuǎn)距離、大容量功率傳輸應(yīng)用中有很高的經(jīng)濟(jì)性；（4） 可實現(xiàn)不同頻率或非同步的區(qū)域性特大電網(wǎng)互聯(lián)。盡管LCC-HVDC技術(shù)在高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離直流輸電領(lǐng)域正發(fā)揮著巨大作用，但其自身也存在著諸如無功功率控制能力較弱并且自身需要大量無功補償、不便于構(gòu)造多端直流電網(wǎng)以及換流器依靠交流電網(wǎng)換相易發(fā)生換相失敗等本質(zhì)缺陷，這也使得LCC-HVDC逐漸無法滿足當(dāng)今復(fù)雜的輸配電網(wǎng)絡(luò)對直流輸電系統(tǒng)堅強、靈活、完全可控的需求。VSC-HVDC直流輸電技術(shù)的特點電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，新型全控性開關(guān)器件的相繼問世，為新型輸電方式的創(chuàng)建和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與提升開辟了嶄新的途徑。加拿大學(xué)者Boon-Teck等人于1990年首次提出了基于電壓源型換流器（VoltageSourceConverter，VSC）的高壓直流輸電技術(shù)，使得LCC-HVDC輸電技術(shù)存在的固有缺陷迎刃而解。幾年后在ABB公司主導(dǎo)的Hallsjon項目中被順利運用，促進(jìn)了該項技術(shù)在理論研究和工程領(lǐng)域的全面發(fā)展。與傳統(tǒng)的電流源換流器型直流輸電相比，VSC-HVDC直流輸電技術(shù)存在諸多優(yōu)勢：（1） PWM調(diào)制技術(shù)使得其輸出電壓諧波含量低、濾波器容量小。（2） 由于采用了全控器件，相比于常規(guī)直流輸電技術(shù)，不需要聯(lián)結(jié)電網(wǎng)提供換相電壓，不會出現(xiàn)換相失敗，可聯(lián)結(jié)弱、無源電網(wǎng)。（3） 傳統(tǒng)的HVDC潮流翻轉(zhuǎn)時直流電流不變，需改變直流電壓極性；VSC-HVDC潮流翻轉(zhuǎn)時，只需改變直流電流的方向，直流電壓極性不變。因而VSC-HVDC在潮流翻轉(zhuǎn)時，不需改變其控制系統(tǒng)的配置和主電路的結(jié)構(gòu)，不需改變控制方式，也不需要閉鎖換流器，整個翻轉(zhuǎn)過程可在很短的時間內(nèi)完成。（4） 易于四象限運行，在電網(wǎng)中的作用等同于一個無轉(zhuǎn)動慣量的發(fā)電機，在對輸送的有功功率進(jìn)行快速、靈活控制的同時還能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)無功功率補償，提高系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定性，起到靜止同步補償器（STATCOM）的作用，從而增加系統(tǒng)動態(tài)無功儲備，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。MMC-HVDC直流輸電技術(shù)的特點3.1可擴(kuò)展性強，應(yīng)用范圍廣嚴(yán)格的模塊化結(jié)構(gòu)可縮短開發(fā)周期和延長使用周期。通過子模塊級聯(lián)的方式，能夠提高換流器的功率與電壓等級，不僅有利于容量升級，而且解決了電平數(shù)增加時控制電路軟硬件實現(xiàn)難度大幅度上升的難題，拓寬了換流器的應(yīng)用領(lǐng)域，使其既可運用于電力機車牽引和大功率電機拖動技術(shù)領(lǐng)域，也十分適用于柔性直流輸電等場合。3.2穩(wěn)定可靠，運行效率高通過較低的開關(guān)頻率便可達(dá)到較高的輸出頻率，有效地降低了諧波含量，有利于減少開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)運行效率。不必配置濾波器件對換流器直流側(cè)實施濾波，避免了系統(tǒng)直流側(cè)因短路故障引發(fā)的浪涌電流問題，增強了系統(tǒng)可靠性，減小了用地面積，縮減了系統(tǒng)建設(shè)成本。3.3容錯性能強得益于模塊化的結(jié)構(gòu)，MMC表現(xiàn)出了良好的軟硬件兼容性，子模塊單元可替換性強，系統(tǒng)維護(hù)簡單方便。對子模塊單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后，加設(shè)相關(guān)的開關(guān)器件便可完成冗余設(shè)計。實際運行中，當(dāng)子模塊單元出現(xiàn)故障時，通過控制電路切換到備用子模塊，可確保換流器正常工作，實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運行。3.4可實現(xiàn)“黑啟動”由于設(shè)有公共直流母線，且MMC的直流側(cè)儲能容量較大，當(dāng)出現(xiàn)故障時，直流側(cè)不會發(fā)生大規(guī)模放電現(xiàn)象，使得公共直流母線的電壓仍可維持在較高水平，可實現(xiàn)電壓與電流的連續(xù)調(diào)節(jié)。這既有利于MMC的正常運行，也可縮短故障恢復(fù)時間，從而具備了較強的“黑啟動〃能力。3.5具備不平衡運行能力MMC中直流側(cè)沒有公用電容器，各相單元結(jié)構(gòu)對稱，工作原理一致，相與相之間互不影響，故可對各相單元進(jìn)行獨立控制。4國內(nèi)外MMC-HVDC工程應(yīng)用現(xiàn)狀4.1國內(nèi)MMC-HVDC工程應(yīng)用現(xiàn)狀目前，我國已投運和建設(shè)中的柔性直流輸電工程都采用MMC拓?fù)洹?011年，上海南匯風(fēng)電場柔性直流輸電工程建成并投運，直流電壓為±30kV，額定功率為18MW，其用于實現(xiàn)南匯風(fēng)電場并網(wǎng)，并形成交流線路和柔性直流輸電線路并列運行方式，該工程也是亞洲首個柔性直流輸電工程。2013年，南澳多端柔性直流輸電示范工程建成并投運，直流電壓為±160kV，額定功率為200MW，該工程同樣用于大型風(fēng)電場接入交流電網(wǎng)，是世界上首個多端柔性直流輸電工程。2014年，浙江舟山多端柔性直流輸電工程建成并投運，該工程用于實現(xiàn)多個海島之間的互聯(lián)，也是世界上端數(shù)最多的多端柔性直流輸電工程。2015年，廈門柔性直流輸電工程建成并投運，額定電壓為±320kV，額定功率為1000MW，并首次提出采用真雙極的接線方式，其用于實現(xiàn)廈門城市中心供電，是我國首個1000MW級的柔性直流輸電工程。2016年投運的云南電網(wǎng)與南方主網(wǎng)魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程，其首次采用大容量MMC-HVDC與LCC-HVDC組成混合雙饋入直流形式，其中MMC單元容量達(dá)1000MW，直流電壓達(dá)±350kV。值得一提的是，國家電網(wǎng)公司正在規(guī)劃的四端張北直流電網(wǎng)工程，其電壓等級將達(dá)到±500kV，單端容量達(dá)3000MW，若建成，該工程也將成為世界上首個直流電網(wǎng)工程。5柔性直流輸電的應(yīng)用前景柔性直流輸電在我國的發(fā)展前景較好，應(yīng)用廣泛，主要分析以下幾個方面。（1）大規(guī)模送電和交直流系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)我國西部地區(qū)能源含量充足，負(fù)荷較少；而東部地區(qū)的特點是能源含量缺乏，負(fù)荷較多。能源儲備和負(fù)荷分布有地區(qū)差異，對系統(tǒng)進(jìn)行大容量、遠(yuǎn)距離輸電提出了要求，因此需要大量布局特高壓直流輸電工程。（2） 分布式電源并網(wǎng)分布式電源單臺機組容量較小，非常容易受到風(fēng)、光等氣候因素干擾，具有明顯的波動性和間歇性。（3） 電網(wǎng)增容改造與進(jìn)行直流供電柔性直流輸電系統(tǒng)運行過程中的諧波含量較少，可以快速地控制系統(tǒng)功率，從而有效提高電能質(zhì)量；柔性直流輸電換流站比傳統(tǒng)直流輸電占地面積小，可以進(jìn)一步節(jié)約土地資源，減少不必要的浪費；同時系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)需求控制交流側(cè)的電流，使得控制系統(tǒng)短路容量成為可能。（4） 向弱系統(tǒng)或孤島供電柔性直流輸電系統(tǒng)在換相過程中，不需系統(tǒng)外提供換相電壓，同時系統(tǒng)可以在無源逆變狀態(tài)下運行，無源網(wǎng)絡(luò)也可以作為受端系統(tǒng)，可以很好的為偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行供電，但是柔性直流輸電采用架空線路時所存在的供電可靠性問題仍需解決。結(jié)束語柔性直流輸電除了具備傳統(tǒng)直流輸電固有的優(yōu)點以外，還具有四象限運行、對交流系統(tǒng)要求低、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電以及占地面積小等優(yōu)勢，因此在一些特定的場合，如長距離跨海電纜送電、擁擠的城市供電、遠(yuǎn)距離