柔性直流輸電技術(shù)綜述

柔性直流輸電技術(shù)綜述

0柔性直流輸電工程的現(xiàn)狀電力技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從直接交流到直接流的技術(shù)發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的進步,柔性直流作為新一代直流輸電技術(shù),可使當前交直流輸電技術(shù)面臨的諸多問題迎刃而解,為輸電方式變革和構(gòu)建未來電網(wǎng)提供了嶄新的解決方案。基于電壓源型換流器的高壓直流輸電概念最早是由加拿大McGill大學(xué)Boon-Teck等學(xué)者于1990年提出。通過控制電壓源換流器中全控型電力電子器件的開通和關(guān)斷,改變輸出電壓的相角和幅值,可實現(xiàn)對交流側(cè)有功功率和無功功率的控制,達到功率輸送和穩(wěn)定電網(wǎng)等目的,從而有效地克服了此前輸電技術(shù)存在的一些固有缺陷。國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)和美國電氣與電子工程師協(xié)會于2004年將其正式命名為“VSC-HVDC”(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent)。ABB,Siemens和Alstom公司則將該輸電技術(shù)分別命名為HVDCLight,HVDCPlus和HVDCMaxSine,在中國則通常稱之為柔性直流輸電(HVDCFlexible)。早期的柔性直流輸電都是采用兩電平或三電平換流器技術(shù),但是一直存在諧波含量高、開關(guān)損耗大等缺陷。隨著工程對于電壓等級和容量需求的不斷提升,這些缺陷體現(xiàn)得越來越明顯,成為兩電平或三電平技術(shù)本身難以逾越的瓶頸。因此,未來兩電平或三電平技術(shù)將會主要用于較小功率傳輸或一些特殊應(yīng)用場合(如海上平臺供電或電機變頻驅(qū)動等)。2001年,德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學(xué)R.Marquart和A.Lesnicar共同提出了模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter,MMC)拓撲。MMC技術(shù)的提出和應(yīng)用,是柔性直流輸電工程技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑。該技術(shù)的出現(xiàn),提升了柔性直流輸電工程的運行效益,極大地促進了柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展及其工程推廣應(yīng)用。本文從工程技術(shù)、工程應(yīng)用與未來發(fā)展3個層面出發(fā),首先分析了柔性直流輸電工程現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn),未來相關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向及預(yù)期的技術(shù)目標;然后總結(jié)了世界柔性直流輸電工程的發(fā)展和應(yīng)用情況,介紹了國外和國內(nèi)典型柔性直流輸電工程,指出其技術(shù)和應(yīng)用上的特點;最后分析了未來國內(nèi)外在柔性直流輸電工程應(yīng)用領(lǐng)域可能的發(fā)展趨勢和前景。1柔性線性輸電工程1.1單極不對稱系統(tǒng)采用兩電平、三電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)一般采用在直流側(cè)中性點接地的方式,而模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)則一般采用交流側(cè)接地的方式。無論是采用直流側(cè)中性點接地的兩電平、三電平換流器還是采用交流側(cè)接地的模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)均為單極對稱系統(tǒng)。正常運行時接地點不會有工作電流流過,不需要設(shè)置專門的接地極,而當直流線路或換流器發(fā)生故障后,整個系統(tǒng)將不能繼續(xù)運行。此外,通過大地或金屬回線還可構(gòu)成單極不對稱結(jié)構(gòu),類似于傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)的一個極。在相同系統(tǒng)參數(shù)下,相比于單極對稱系統(tǒng),單極不對稱系統(tǒng)換流閥所耐受的電壓水平是單極對稱系統(tǒng)的2倍,且直流側(cè)的不對稱還將造成換流器交流側(cè)電壓水平的提升。為了提升柔性直流輸電系統(tǒng)的功率容量和電壓等級,滿足特高壓、遠距離、大功率輸送的要求,單極換流站內(nèi)換流器還可以由若干容量較小換流器單元串并聯(lián)組合構(gòu)成。如圖1所示,兩個單極不對稱系統(tǒng)串聯(lián)還可以構(gòu)成與傳統(tǒng)高壓直流輸電類似的雙極對稱系統(tǒng)。采用雙極系統(tǒng)的變壓器需要承受由于直流電壓不對稱造成的變壓器直流偏置電壓,與常規(guī)直流變壓器不同的是,此時變壓器不需要承受換流站產(chǎn)生的諧波分量。目前,柔性直流輸電系統(tǒng)采用單極結(jié)構(gòu)的最主要原因在于柔性直流輸電工程為了降低直流側(cè)故障的發(fā)生率,大都采用電纜作為傳輸線路。這樣,采用單個換流器的可靠性相對更高一些,而且降低了工程成本。對于多端柔性直流輸電系統(tǒng),系統(tǒng)連接方式一般為并聯(lián)形式,以保證換流器工作在相同的直流電壓水平。并聯(lián)型多端柔性直流網(wǎng)絡(luò)又可分為星形和環(huán)形兩種基本結(jié)構(gòu)。其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)都可以看成這兩種結(jié)構(gòu)的擴展和組合。圖2分別為4種拓撲結(jié)構(gòu)。并聯(lián)式的換流站之間以同等級直流電壓運行,功率分配通過改變各換流站的電流來實現(xiàn);串聯(lián)式的換流站之間以同等級直流電流運行,功率分配通過改變直流電壓來實現(xiàn);既有并聯(lián)又有串聯(lián)的混合式則增加了多端直流接線方式的靈活性。與串聯(lián)式相比,并聯(lián)式具有更小的線路損耗、更大的調(diào)節(jié)范圍、更易實現(xiàn)的絕緣配合、更靈活的擴建方式以及突出的經(jīng)濟性,因此,目前已運行的多端直流輸電工程均采用并聯(lián)式接線方式。1.2模塊化多電平換流器根據(jù)橋臂的等效特性,柔性直流輸電的換流器可以分為可控開關(guān)型和可控電源型兩類。可控開關(guān)型換流器的換流橋臂等效為可控開關(guān),通過適當?shù)拿}寬調(diào)制技術(shù)控制橋臂的開通與關(guān)斷,將直流側(cè)電壓投遞到交流側(cè)。可控電源型換流器的儲能電容分散于各橋臂中,其換流橋臂等效為可控電壓源,通過改變橋臂的等效電壓,間接改變交流側(cè)輸出電壓。兩者的等效電路如圖3所示。給出了2種拓撲換流閥交流出口的輸出波形。可控開關(guān)型換流器以兩電平換流器為典型代表,其拓撲結(jié)構(gòu)與運行控制相對簡單,但換流器開關(guān)頻率較高(接近2kHz),交直流側(cè)諧波含量較大,需要在換流站中加裝多組濾波器,同時換流器的損耗也較高。三電平換流器雖然輸出電壓波形諧波含量相對較少,換流器的開關(guān)頻率、總諧波水平和損耗都有所降低,但該換流器拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且成本較高,系統(tǒng)可靠性較低。此外,開關(guān)型電壓源換流器每個橋臂由大量的開關(guān)器件直接串聯(lián),需要解決開關(guān)器件開通和關(guān)斷引起的靜態(tài)與動態(tài)均壓等問題。模塊化多電平換流器是可控電源型換流器的典型代表。橋臂的等效輸出電壓是通過改變投入橋臂內(nèi)的串聯(lián)子模塊個數(shù)來實現(xiàn)的。如圖5所示,根據(jù)子模塊所采用的類型,又可分為半橋型、全橋型以及鉗位雙子模塊型等多種形式。此外,級聯(lián)兩電平換流器(cascadedtwolevel,CTL)由半橋電路級聯(lián)而成,其本質(zhì)上也屬于可控電源型換流器。當其橋臂中的子模塊超過一定數(shù)量時,換流器輸出波形為近似正弦的階梯波,無需加裝濾波裝置。與兩電平換流器相比,模塊化多電平換流器的突出優(yōu)勢表現(xiàn)在:(1)模塊化設(shè)計,易于電壓等級的提升和容量的升級;(2)器件的開關(guān)頻率和開關(guān)應(yīng)力顯著降低;(3)輸出電壓諧波含量和總電壓畸變率大大減少,交流側(cè)無需濾波裝置。相比于兩電平換流器,模塊化多電平換流器的不足主要在于:(1)由于每個橋臂中串聯(lián)的子模塊數(shù)量較多,因此閥控系統(tǒng)在每個周期內(nèi)所需處理的數(shù)據(jù)量非常大,對控制系統(tǒng)要求很高;(2)分布式儲能電容需要增加子模塊電容電壓的均衡控制;(3)各橋臂間能量分配不均,將破壞子模塊內(nèi)部的穩(wěn)定性,導(dǎo)致電流波形發(fā)生畸變。在目前投入工程應(yīng)用的換流器技術(shù)中,無論是兩電平還是半橋型模塊化多電平換流器,均存在一個突出問題,即無法在直流故障下實現(xiàn)交直流系統(tǒng)的隔離。但全橋式和鉗位雙子模塊型模塊化多電平換流器,由于可以使橋臂等效輸出電壓為負,在直流電壓急劇降低時,仍然可以支撐交流電壓,從而實現(xiàn)對交流側(cè)短路電流的抑制作用。1.3系統(tǒng)的運行控制設(shè)置柔性直流控制保護系統(tǒng)是系統(tǒng)能夠正常運行的核心,用于實現(xiàn)系統(tǒng)正常運行的控制功能和故障下的保護功能?？刂票Ｗo系統(tǒng)包括換流站級控制保護系統(tǒng)和換流閥級控制保護系統(tǒng)。但與常規(guī)直流輸電不同的是,柔性直流輸電中的閥級控制保護系統(tǒng)更為復(fù)雜。尤其是在模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)中,換流站級控制器(簡稱極控或者站控)只承擔(dān)一部分控制和保護功能,對閥體的控制保護更多依賴閥級控制器完成。包括根據(jù)換流站級控制信號的要求產(chǎn)生換流閥子模塊的控制信號,進行數(shù)據(jù)處理和匯總,以及實現(xiàn)換流閥的保護等功能(如圖6所示)。因此,柔性直流控制保護系統(tǒng)通常需要實現(xiàn)納秒級的高速同步控制,以滿足柔性直流輸電控制系統(tǒng)高實時性的要求。柔性直流換流站級控制系統(tǒng)除實現(xiàn)系統(tǒng)的正常啟動、停運操作外,還包括穩(wěn)態(tài)的功率控制和調(diào)節(jié),其功率控制器包括有功類功率控制器和無功類功率控制器,有功類控制器包括有功功率控制和直流電壓控制;無功類控制器包括無功功率控制和交流電壓控制。一般來說,雙端柔性直流系統(tǒng)的正常運行需要一站控制直流電壓,另一端控制有功功率,而兩站的無功調(diào)節(jié)相互獨立,可以自由選擇控制無功功率還是交流電壓。在控制策略上,無論采用兩電平還是模塊化多電平換流器技術(shù),其交流側(cè)具有類似的等效數(shù)學(xué)模型,因此均可采用相同的站級控制策略。在眾多的站級控制策略中,直接電流矢量控制策略以較高的電流響應(yīng)速度和精確的電流控制效果已成為電壓源型換流器的主流控制技術(shù)。模塊化多電平換流器與常規(guī)直流輸電和兩電平柔性直流輸電控制系統(tǒng)的區(qū)別主要在閥級。柔性直流輸電中的閥基控制器(valvebasecontroller,VBC)是實現(xiàn)站級控制系統(tǒng)與底層子模塊控制的中間接口,用于實現(xiàn)閥臂的控制、保護、監(jiān)測及與站控系統(tǒng)以及換流閥的通信,同時實現(xiàn)子模塊電容電壓平衡功能以及環(huán)流控制功能,這是保證模塊化多電平柔性直流系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。由于高壓大容量系統(tǒng)的閥臂往往由數(shù)百個子模塊組成,為保證各個子模塊之間的電壓平衡,VBC對子模塊數(shù)據(jù)的處理速度要求極高,往往在100μs以下,這種大規(guī)模子模塊的高速控制平衡技術(shù),對閥控設(shè)計提出了很大的挑戰(zhàn)。同時,模塊化多電平技術(shù)所特有的環(huán)流現(xiàn)象會引起換流閥電流應(yīng)力以及損耗水平的上升,嚴重時會造成系統(tǒng)失穩(wěn)無法運行,因此環(huán)流控制策略的設(shè)計也成為閥控中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。柔性直流輸電保護系統(tǒng)的主要功能是保護輸電系統(tǒng)中所有設(shè)備的安全正常運行,在故障工況下,能夠迅速切除系統(tǒng)中故障或不正常的運行設(shè)備,以保證剩余健全系統(tǒng)的安全運行。高壓直流輸電系統(tǒng)的保護配置需滿足可靠性、靈敏性、選擇性、快速性、可控性、安全性和可維修性等原則?；谀K化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)其故障特性與兩電平換流器系統(tǒng)保護策略兩者主要的區(qū)別在于具體的保護分區(qū)和保護算法設(shè)計。但總體而言在保護總體配置上相差不大,如圖7所示,大致可分為交流側(cè)保護、換流器保護和直流區(qū)保護。1.4柔性直流輸電電纜的設(shè)備選型由于柔性直流輸電系統(tǒng)切除直流側(cè)故障時比較困難,因此已建成的柔性直流工程線路大多數(shù)采用直流電纜以降低故障率。與交流電纜相比,由于直流電纜的導(dǎo)體沒有集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),即使輸送很大電流,也不必采用復(fù)雜的分裂導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。直流電纜的電場強度是按絕緣的電阻系數(shù)成正比分配的,絕緣的電阻系數(shù)是隨溫度變化的,當負載變大時絕緣表面的電場強度逐漸增加,因此直流電纜允許的最大負載不應(yīng)使絕緣表面的電場強度超過其允許值,即不僅要考慮電纜的最高工作溫度,而且要考慮絕緣層的溫度分布。與傳統(tǒng)直流電纜相比,柔性直流輸電中不要求直流電纜承受電壓極性翻轉(zhuǎn),因此從某種意義上說,對柔性直流電纜的技術(shù)要求比傳統(tǒng)直流電纜要低。目前,用于柔性直流輸電的電纜根據(jù)絕緣形式不同,主要分為自容式充油(SCOF)電纜、黏性浸漬紙絕緣(MI)電纜、交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜,如圖8所示。SCOF電纜技術(shù)非常成熟,電壓等級可達到800kV。電纜內(nèi)部充有低黏度的電纜油。SCOF電纜的絕緣紙由針葉樹木漿牛皮紙制成。當SCOF受到外力破壞而發(fā)生漏油時,不必馬上進行停電處理,可從補油設(shè)備中加油維持電纜正常運行。但從環(huán)境角度來看,電纜漏油會造成環(huán)境污染,特別是海底電纜對海洋環(huán)境的污染。SCOF電纜需要油箱等附屬設(shè)備,運行維護工作量大,成本高。MI電纜技術(shù)也非常成熟,用于直流輸電系統(tǒng)已超過100年。該種電纜最高可適用于直流500kV。目前,最長的工程路由長度為580km(NorNed工程,2008年),但理論上其傳輸長度幾乎不受限制。MI電纜運行溫度最高只有55℃,且不適用于溫差較大的條件下運行。XLPE絕緣柔性直流輸電電纜的絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯,其通過超凈高純度工藝或在交聯(lián)交流電纜絕緣中添加納米材料解決了交聯(lián)直流電纜的空間電荷問題。XLPE軟化點高、熱變形小,在高溫下的機械強度高、抗熱老化性能好,使該種類型電纜的最高運行溫度達90℃,而短時允許溫度則達250℃。XLPE絕緣柔性直流輸電電纜采用新型的三層聚合材料擠壓的單極性電纜,由導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層同時擠壓成絕緣層;中間導(dǎo)體一般為鋁材或銅材單芯導(dǎo)體。現(xiàn)有可滿足工程要求的柔性直流電纜最高參數(shù)為±320kV/1560A,±500kV及以上電壓等級的柔性直流電纜也正在開發(fā)。1.5柔性直流換流閥的試驗方法和設(shè)備柔性直流輸電的試驗技術(shù)主要包括換流閥及閥控設(shè)備的試驗技術(shù)。針對換流閥試驗技術(shù),國外已經(jīng)有了很多前期工作。CIGREB448工作組針對換流閥在各種工況下耐受的應(yīng)力進行了詳細的闡述和分析,并提出了相關(guān)的試驗建議;IEC62501制定了相關(guān)的換流閥試驗標準,但并沒有給出相應(yīng)的試驗電路。目前,國際上許多公司都在開發(fā)柔性直流的相關(guān)試驗?zāi)芰?中國已經(jīng)具備了相關(guān)的柔性直流型式試驗?zāi)芰?并完成了1000MW/±320kV等級換流閥的型式試驗。柔性直流換流器為電壓源型,其基本工作原理與常規(guī)直流換流器有所不同。因此,柔性直流換流閥的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)工況均與常規(guī)直流換流閥有較大區(qū)別,原有的常規(guī)直流換流閥的試驗項目、方法和設(shè)備大部分已不適用。因此應(yīng)深入研究閥的工作原理和其中電力電子器件及其組合體上的電壓、電流、熱、力等應(yīng)力和波形,然后提出相應(yīng)的試驗項目和等效試驗方法。在穩(wěn)態(tài)運行中,柔性直流換流閥承受的電壓、電流應(yīng)力均為持續(xù)的直流和交流分量疊加。在暫態(tài)過程中,由于在子模塊電容電壓鉗位作用下,換流閥中會出現(xiàn)短時的電容放電電流,該電流隨著保護動作逐漸降低。柔性直流換流閥的型式試驗項目主要包括絕緣型式試驗和運行型式試驗,其中絕緣型式試驗又分為閥對地絕緣試驗和閥體絕緣試驗,具體見表1。閥基控制器試驗技術(shù)是測試閥控系統(tǒng)功能和可靠性的重要環(huán)節(jié)。從柔性直流閥基控制器試驗系統(tǒng)角度看,常規(guī)直流的一個橋臂所有器件觸發(fā)信號相同,可以采用單一的晶閘管器件等效方案進行試驗;而柔性直流單個橋臂內(nèi)的各個子模塊觸發(fā)信號均不相同,柔性直流輸電的閥控系統(tǒng)為每個換流子模塊提供不同的控制命令,原有的閥控系統(tǒng)等效測試方法已不適用于柔性直流換流閥控系統(tǒng)(見圖9)。采用動模仿真技術(shù)構(gòu)建的柔性直流數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)是目前模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統(tǒng)仿真研究重要技術(shù)手段。動模系統(tǒng)能精確模擬柔性直流換流閥動態(tài)特性,可為閥控系統(tǒng)和極控制保護系統(tǒng)提供硬件實時在環(huán)測試功能,如圖10所示。國外很多單位已開發(fā)出針對模塊化多電平換流器閥控系統(tǒng)的試驗設(shè)備。中國已經(jīng)完成了可滿足3000節(jié)點的模塊化多電平柔性直流動模實時仿真系統(tǒng),能滿足±320kV電壓等級、控制100μs以內(nèi)的閥基控制設(shè)備在環(huán)測試和系統(tǒng)仿真,目前在國際上處于領(lǐng)先地位。而針對±500kV及以上電壓等級工程,以及多端柔性直流和直流輸電網(wǎng)絡(luò)的仿真系統(tǒng),也已經(jīng)開始建設(shè)。數(shù)字實時仿真系統(tǒng)可以完成電網(wǎng)建模,實現(xiàn)電磁暫態(tài)過程仿真,柔性直流接入、切除和運行方式切換過程仿真、低頻振蕩現(xiàn)象和故障態(tài)仿真,閥控系統(tǒng)解鎖閉鎖試驗,閥控與極控設(shè)備之間的通信試驗,換流閥啟/?？刂圃囼?閥故障模擬試驗等。數(shù)字實時仿真是柔性直流輸電系統(tǒng)研究和試驗的必要手段,也可和動模試驗相結(jié)合,組成功能更完善的仿真試驗平臺,降低動模試驗系統(tǒng)開發(fā)成本和時間。2柔性直流設(shè)備的應(yīng)用和現(xiàn)狀2.1柔性直流輸電系統(tǒng)是唯一技術(shù)上可接受的方案鑒于柔性直流輸電技術(shù)特點,由其構(gòu)成的系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于可再生能源接入、孤島供電、城市供電、電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域。采用柔性直流輸電技術(shù)來進行風(fēng)電、太陽能等功率輸出波動較大的可再生能源接入,可以緩解由可再生能源輸出功率波動引起的電壓波動,改善電能質(zhì)量。當交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,柔性直流輸電系統(tǒng)能夠有效地隔離故障,保證風(fēng)電場的穩(wěn)定運行。據(jù)CIGRE測算,在距離大陸60km以上的海上風(fēng)電場,柔性直流輸電系統(tǒng)是唯一技術(shù)上可實現(xiàn)、經(jīng)濟上可接受的解決方案。采用柔性直流輸電技術(shù)向海島、海上鉆井平臺等孤島負荷供電時,可以充分發(fā)揮柔性直流系統(tǒng)自換相的技術(shù)優(yōu)勢。同時,直流線路在投資、運行費用、長距離傳輸不需要添加補償設(shè)備等方面相對于交流線路具有優(yōu)勢。采用柔性直流輸電技術(shù)向城市中心供電,不僅可以快速控制有功功率和無功功率,解決電壓閃變等電能質(zhì)量問題;還能夠提供系統(tǒng)阻尼,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,并在嚴重故障時提供“黑啟動功能”。另外,柔性直流輸電采用地埋式直流電纜,無交變電磁場、無油污染,可以在無電磁干擾及不影響城市市容的情況下,完成城市電網(wǎng)的增容改造,滿足城市中心負荷的需求和環(huán)保節(jié)能的要求。采用柔性直流輸電技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián),不僅可以完成電網(wǎng)間功率交換的功能,還可以憑借其快速獨立調(diào)節(jié)無功功率、“黑啟動”、不提供短路電流等技術(shù)特性,解決大規(guī)模電網(wǎng)中的動態(tài)穩(wěn)定性、電網(wǎng)黑啟動以及短路電流超標等問題。同時,柔性直流換流站較同等容量的常規(guī)直流換流站占地面積更小,因此可以建設(shè)在更靠近負荷中心的位置。2.2世界上首個柔性直流輸電工程截至2012年年底,歐洲、美洲、亞洲、大洋洲、非洲的16個國家共有13個柔性直流輸電工程投運,其中4個工程用于風(fēng)電接入、6個工程用于電網(wǎng)互聯(lián)、1個工程用于大型城市供電、2個工程用于海上鉆井平臺供電。1999年投運的哥特蘭工程是世界上第一個風(fēng)電接入柔性直流工程。該工程實現(xiàn)了瑞典哥特蘭島上的風(fēng)電場接入電網(wǎng)。其參數(shù)為50MW/±80kV,首次采用了兩電平技術(shù)以及XLPE電纜,如圖11所示。工程投運后取得了良好的運行效果,但也暴露出損耗較高的問題。2002年投運的CrossSoundCable工程實現(xiàn)了美國新英格蘭紐黑文地區(qū)電網(wǎng)和紐約長島地區(qū)電網(wǎng)的互聯(lián)。其參數(shù)為330MW/±150kV,使用了42km的海底電纜,如圖12所示。在2003年的北美“8·14”大停電事故后的幾個小時,根據(jù)電力調(diào)度要求,首先將該工程投入運行。這樣除了通過直流電纜向長島供電以外,還通過交流電壓控制對相連的長島和紐黑文地區(qū)電網(wǎng)提供了穩(wěn)定交流電壓的能力,對于長島的電力恢復(fù)起到了重要支撐作用。此工程在事故后恢復(fù)供電所提供的黑啟動能力,很好地體現(xiàn)了柔性直流輸電系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢。2005年10月投運的挪威泰瑞爾柔性直流輸電工程(TrollA)是世界上第一個從大陸向海上平臺提供電能的柔性直流輸電系統(tǒng)(見圖13)。用于從挪威的克爾斯奈斯換流站向泰瑞爾海上天然氣鉆井平臺上的用電設(shè)備供電。工程使用了2個并聯(lián)的柔性直流輸電系統(tǒng),每個系統(tǒng)的額定功率為45MW,直流電壓±60kV,輸電線路為70km長的海底電纜。這是世界上第一個從大陸向海上平臺提供電能的柔性直流輸電系統(tǒng)。TransBayCable工程于2010年投入運行。該工程實現(xiàn)了對舊金山城市供電,同時還是世界上第一個使用MMC技術(shù)的柔性直流輸電工程(見圖14),其額定參數(shù)為400MW/±200kV。TransBayCable工程從匹茲堡市開始,經(jīng)過一條位于舊金山灣區(qū)海底的88km直流電纜,把電能送到舊金山。在此工程完成之后,電能可以直接送到舊金山的市中心,增強了舊金山城市供電的可靠性。該工程的投運,標志著模塊化多電平技術(shù)正式在工程中應(yīng)用,在柔性直流輸電發(fā)展史上具有里程碑式的意義。2.3柔性直流輸電示范工程中國在柔性直流輸電工程技術(shù)研究與應(yīng)用方面起步較晚。直到2005年,國內(nèi)的研究基本還都集中在兩電平換流器柔性直流輸電的系統(tǒng)建模與仿真分析等方面,對于工程技術(shù)的研究少有涉及。2006年開始,國內(nèi)相關(guān)研究單位及時把握住了技術(shù)發(fā)展的趨勢,與西門子公司幾乎同步開展了基于MMC的柔性直流輸電工程技術(shù)研究。在基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、核心設(shè)備研制、試驗?zāi)芰ㄔO(shè)、工程系統(tǒng)集成等方面取得了一系列的自主創(chuàng)新成果,并于2011年7月在上海南匯投運了中國首條柔性直流輸電示范工程[18,19,20,21,22,23],使中國在柔性直流輸電技術(shù)與工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了飛躍式發(fā)展。通過近幾年的研發(fā),中國在柔性直流輸電整體技術(shù)研究和工程應(yīng)用等方面均已達到世界先進水平,并在部分換流閥技術(shù)和工程參數(shù)等方面達到了世界領(lǐng)先。上海南匯柔性直流輸電示范工程采用模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu),其容量為20MW,直流電壓為±30kV,輸送長度約為8km,南匯風(fēng)電場通過該工程接入上海電網(wǎng)(見圖15)。為了驗證柔性直流系統(tǒng)在風(fēng)電接入中的作用,在世界上首次開展了人工短路試驗,結(jié)果表明該工程可大幅度提高風(fēng)電場的低電壓穿越能力。這是中國在直流輸電領(lǐng)域取得的又一重大創(chuàng)新成果,標志著中國在柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)邁入世界前列。為滿足大連市區(qū)南部經(jīng)濟發(fā)展對電力的需求,避免自然災(zāi)害對市區(qū)供電產(chǎn)生嚴重影響,消除電網(wǎng)安全隱患,2012年開始在大連市建設(shè)一個連接北部主網(wǎng)和市區(qū)南部港東地區(qū)的柔性直流輸電工程。該工程額定容量1000MW,直流電壓±320kV,輸送距離約60km。2012年12月底,依托該工程研制成功了世界首套1000MW/±320kV換流閥及閥基控制器,并通過了DNVKEMA的見證試驗(見圖16)。這標志著中國在柔性直流輸電換流閥領(lǐng)域已經(jīng)達到世界最高水平。同時依托該工程,建成了世界上規(guī)模最大的400電平動模平臺,該平臺有效驗證了大連閥控系統(tǒng)設(shè)計和各種功能的正確性。在工程設(shè)計的基礎(chǔ)上,掌握了一整套高壓大容量柔性直流系統(tǒng)成套設(shè)計技術(shù)、換流站施工技術(shù)以及系統(tǒng)運行維護技術(shù),為中國柔性直流技術(shù)的進一步推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。為提高舟山電網(wǎng)的供電可靠性和運行靈活性,并考慮對舟山諸島豐富風(fēng)力資源的消納,國家電網(wǎng)公司在浙江舟山規(guī)劃建設(shè)了一個5端柔性直流輸電工程。該工程計劃于2014年建成,工程包含5個換流站,系統(tǒng)總?cè)萘?000MW,其中最大的換流站容量為400MW,直流電壓等級為±200kV(見圖17)。該工程是目前世界上端數(shù)最多的柔性直流輸電工程,建成后可滿足舟山地區(qū)負荷增長需求,形成北部諸島供電的第二電源,提高供電可靠性;提供動態(tài)無功補償能力,提高舟山電網(wǎng)電能質(zhì)量;緩解舟山群島風(fēng)電場并網(wǎng)難題,提高電網(wǎng)調(diào)度運行的靈活性。工程的建設(shè)和實施,也將為未來實現(xiàn)海島供電、可再生能源并網(wǎng)、多端直流輸電系統(tǒng)乃至直流電網(wǎng)構(gòu)建等應(yīng)用,提供技術(shù)和工程上的良好借鑒。在廣東南澳風(fēng)電基地,也正在建設(shè)一個3端柔性直流輸電工程。因為南澳島周圍安裝了大量風(fēng)力發(fā)電機,為實現(xiàn)可靠的風(fēng)電接入,計劃首先將兩個風(fēng)電場分別通過110kV變電站接入兩端換流站,在匯總后通過柔性直流輸電系統(tǒng)將電能輸送到汕頭電網(wǎng)。南澳工程的直流電壓等級為±160kV,輸送額定功率為200MW。其系統(tǒng)接線見圖18。3提升技術(shù)水平柔性直流技術(shù)的快速進步,推動了其在風(fēng)電并網(wǎng)、電網(wǎng)互聯(lián)等場合的廣泛應(yīng)用,而市場的發(fā)展又反過來推動了技術(shù)水平的提升。從目前國內(nèi)外應(yīng)用需求上看,未來柔性直流技術(shù)的主要發(fā)展方向?qū)?高壓大容量柔性直流技術(shù)、直流電網(wǎng)技術(shù)及架空線柔性直流輸電技術(shù)等。3.1柔性直流輸電系統(tǒng)未來生產(chǎn)運用及對其發(fā)展水平的限制w/技術(shù)大型風(fēng)電場群、城市負荷、電網(wǎng)互聯(lián)等應(yīng)用場合對柔性直流輸電輸送容量提出更高要求。目前世界上最高等級柔性直流輸電工程為1000MW/±320kV,而在未來3~5年,1200MW/±400kV及以上等級的工程也將很快得到實施。從技術(shù)上來看,目前柔性直流輸電系統(tǒng)未來電壓等級和容量的提升,主要受到XLPE電纜的電壓等級和現(xiàn)有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)器件發(fā)展水平的限制。而此前工程中所采用單個換流器方式,也限制了系統(tǒng)容量的提升。因此未來柔性直流的容量水平提升,將主要集中于更高電壓等級XLPE電纜、新型大容量電力電子器件以及新的系統(tǒng)拓撲應(yīng)用等方面。1改善電纜標準,提高電壓和容量等級在電纜的選擇上,更大容量的柔性直流輸電工程目前還可以考慮采用MI電纜。這種電纜有更高的電壓等級,但造價相對要高,難以大范圍推廣,因此未來仍然需要在XLPE電纜方面取得突破。在XLPE電纜方面,目前面臨的主要難點是電纜絕緣材料的電荷分布和制造工藝,以及電纜接頭的設(shè)計和加工。世界上的主要電纜廠家,均在此方面投入了較大的研發(fā)力度。目前±500kV的XLPE電纜已經(jīng)處于試驗階段,有望在近2~3年內(nèi)能夠得到工程應(yīng)用。而隨著未來工程等級的繼續(xù)提升,更高電壓等級的XLPE電纜也可能會出現(xiàn)。根據(jù)預(yù)測,在未來5年內(nèi),XLPE直流電纜的電壓和容量等級將可以提升至600kV/2GW。而在未來10年左右的時間內(nèi),直流電纜的電壓和容量等級將會達到750kV/3GW以上。2igbt器件在器件中的應(yīng)用提高IGBT器件的容量,需要解決由于電壓電流提升給IGBT芯片制造及封裝帶來的難題。要在保證產(chǎn)品可靠性的同時大幅提升產(chǎn)品生產(chǎn)工藝,所面臨的難度極高。目前國內(nèi)外的主要器件生產(chǎn)廠家針對高壓大電流等級的IGBT器件都正在開展研發(fā),有望在未來幾年內(nèi)投入商業(yè)使用。同時,在器件的應(yīng)用過程中還要解決新型IGBT的驅(qū)動設(shè)計、電流關(guān)斷過沖抑制、快速保護設(shè)計等一系列技術(shù)難點,這需要進行認真的設(shè)計及長期的測試驗證。而在新型的半導(dǎo)體器件方面,未來最有發(fā)展前景的一種材料是“寬禁帶”半導(dǎo)體材料(如碳化硅(SiC)等),這也是目前世界范圍內(nèi)功率半導(dǎo)體器件研究的熱點之一。使用這種材料所制造的IGBT器件,在耐壓水平、通流能力、工作溫度等方面與現(xiàn)有器件相比均有數(shù)倍至數(shù)十倍的提升,同時在損耗方面則只有傳統(tǒng)硅器件的幾分之一?；谶@種器件構(gòu)成的換流器和系統(tǒng),將直接可以使現(xiàn)有的工程容量提升數(shù)倍至數(shù)十倍,這將對柔性直流輸電的發(fā)展帶來革命性的改變。但是由于SiC等材料的質(zhì)量和工藝控制等方面目前還存在較多難題,因此目前還只停留在小容量的樣品和產(chǎn)品階段,在短期內(nèi)還無法真正投入大容量的工程應(yīng)用。預(yù)計在未來20年,SiC等器件可以在電力系統(tǒng)中取得一定規(guī)模的示范性應(yīng)用。3多換流器組合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于電纜和器件開發(fā)的周期都較長,近期內(nèi)的工程如果需要提升容量可以采用兩種方案。一是采用換流器組合的形式;二是采用全橋式子模塊構(gòu)成的換流器,利用其負電平輸出提升交流電壓水平,從而提升系統(tǒng)容量。但這兩種方案都將導(dǎo)致系統(tǒng)造價增加。多個換流器組合的基本方法包括串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)等,這與常規(guī)直流輸電中所使用的多換流器方案基本相同。多換流器組合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅可以降低線路的絕緣水平要求,而且可以提高系統(tǒng)在故障情況下的可靠性,也有利于開展分期的工程建設(shè)(如CapriviLink工程)。另外,目前的柔性直流輸電工程中,每個系統(tǒng)兩端均采用電壓源換流器,但是其他的換流站結(jié)構(gòu)形式在特殊的場合下也有著較高的可行性,例如系統(tǒng)兩端換流站分別采用電流源換流器與電壓源換流器的混合式直流,或者換流站中的兩個換流器分別采用電流源換流器和電壓源換流器的系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一些方案已經(jīng)開始在工程中使用(如Skagerrak4工程和GBX工程等)?；谀壳凹夹g(shù)水平及組合型拓撲的應(yīng)用,可將柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級直接提升到±640kV及以上,單個換流器容量可提升到2000MW。而如果考慮使用換流器的串并聯(lián)組合形式,例如使用8個320kV/1kA換流器單元,每兩個單元串聯(lián)后再進行并聯(lián),則其電壓等級可以達到640kV,總?cè)萘靠梢赃_到2560MW。如果由這個串并聯(lián)單元再組合成雙極系統(tǒng),則系統(tǒng)參數(shù)將可達到±640kV/5120MW。3.2直流輸電的未來發(fā)展方向隨著可再生能源的繼續(xù)發(fā)展,以及現(xiàn)有電網(wǎng)技術(shù)升級等方面的需求,柔性直流輸電未來的發(fā)展將會繼續(xù)集中在風(fēng)電場的組網(wǎng)和集中送出、區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)、城市中心負荷的電力輸送等方面。這些應(yīng)用場合在很多情況下需要實現(xiàn)多電源輸入和多落點的供電,這就需要采用多端直流甚至直流電網(wǎng)技術(shù)。1直流電網(wǎng)在多端直流系統(tǒng)中的應(yīng)用多端直流輸電(multi-terminalHVDC)是直流電網(wǎng)發(fā)展的初級階段,是由3個以上換流站通過串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)方式連接起來的輸電系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電和多落點受電。由于柔性直流在構(gòu)建多端系統(tǒng)具有的獨特技術(shù)優(yōu)勢,未來必將會在多端直流系統(tǒng)中得到快速發(fā)展。直流電網(wǎng)相當于多端直流的擴展,它是具有先進能源管理系統(tǒng)的智能、穩(wěn)定的交直流混合廣域傳輸網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中不同客戶端、現(xiàn)有輸電網(wǎng)絡(luò)、微電網(wǎng)和不同的電源都可以得到有效的管理、優(yōu)化、監(jiān)控、控制和對任何問題進行及時響應(yīng)。它能夠整合多個電源,并以最小的損耗和最大的效率在較大范圍內(nèi)對電能進行傳輸和分配。直流電網(wǎng)與多端直流系統(tǒng)最根本的區(qū)別在于:直流電網(wǎng)是一個具有“網(wǎng)孔”的輸電系統(tǒng),其每個換流站間都有多條傳輸線路,整個系統(tǒng)擁有冗余,可靠性高(見圖19)。因此,未來多端直流的發(fā)展方向應(yīng)該是向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,即基于直流的輸配電網(wǎng)絡(luò)。2直流輸電網(wǎng)絡(luò)針對直流電網(wǎng)的發(fā)展,歐洲2008年提出了基于高壓直流輸電技術(shù)來構(gòu)建新一代輸電網(wǎng)絡(luò)的“超級電網(wǎng)(SuperGrid)”計劃,基于高壓直流輸電(主要是柔性直流輸電)來建立廣域的智能輸電網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的可再生分布式電源的功率波動抑制,以及可再生能源的大規(guī)模高效接入、保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行、提升供電質(zhì)量并促進可再生能源與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展等目標。以英國為例,英國國家電網(wǎng)在東海岸和北海區(qū)域規(guī)劃了數(shù)十個大型海上風(fēng)電場,以及近50條柔性直流輸電工程,構(gòu)成柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò),并通過直流網(wǎng)絡(luò)和挪威等國相聯(lián),以在大范圍內(nèi)平衡可再生能源的波動。3研究趨勢和方向應(yīng)該看到,目前直流電網(wǎng)還處于起始發(fā)展階段,還有很多關(guān)鍵性問題需要解決。如直流電網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備的標準化,直流電網(wǎng)核心設(shè)備研制,直流電網(wǎng)控制技術(shù),直流電網(wǎng)廣域測量及故障檢測技術(shù),直流電網(wǎng)保護技術(shù),直流電網(wǎng)安全可靠性評估技術(shù)等。從目前的技術(shù)發(fā)展來看,直流電網(wǎng)要真正實現(xiàn)應(yīng)用還需要重點解決以下問題。一是要解決直流線路故障的故障隔離問題,其主要研發(fā)方向是新的換流器拓撲。由于多端直流和直流電網(wǎng)可能需要換流器實現(xiàn)直流故障自清除等功能。因此,如何在現(xiàn)有的拓撲結(jié)構(gòu)上進行改進,甚至研究出全新的換流器拓撲,以滿足這些場合的應(yīng)用需求,是目前研究的一