高压输电技术的发展评述

李远景

摘要： 高压直流输电相比交流输电在增强系统的可靠性、限制电路系统的短路容量、完成系统的非同步联网等方面具备显著的优势。结合近年来高压直流技术的发展，综述了目前应用的主要方面，并对未来的研究方向进行了分析。

Abstract: Compared with alternating current transmission, high voltage direct current transmission (HVDC) has significant advantages in strengthening the reliability of the system， limiting short circuit capacity of the circuit system and completing the non-synchronous networking. Combined with the development of high voltage direct current technology in recent years， the main application aspects are reviewed and future research directions are analyzed.

关键词： 高压直流输电；发展与应用；研究展望

Key words: high voltage direct current transmission；development and application；research prospects

中图分类号：TM862文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）23-0068-02

0引言

上世纪五十年代，世界上第一条高压直流输电线路在瑞典的本土与果特兰岛之间建设完成，这是最早的一条传统意义上的高压直流输电系统（HVDC）。至此，传统的HVDC在输电领域得到快速发展，其技术在海底电缆输电系统、大功率远距离输电系统、不同或相同额定频率的交流输电系统等场合被广泛应用[1]。

以电压源换流器型直流输电（VSC-HVDC）的高压直流输电模式成为新一代的HVDC输电技术，它用全控型和可关断器件组建成电压源换流器（VSC）并以脉宽调制（PWM）控制技术作为新一代HVDC输电技术的基础[2]。在换流器中半控型晶闸管被全控型器件所代替，使得新一代的HVDC输电技术具备同时控制其传输的有功和无功功率的能力，同时可以完成对交流无源网络进行供电的要求。纵观近年各国在高压直流输电技术的发展，VSC-HVDC输电工程项目的建设方兴未艾。查阅大量文献和相关报道不难发现，VSC-HVDC输电工程项目的关键技术只被少数人掌握属于商业秘密，看到的相关项目基本有几个外国公司所承建。为了突破VSC-HVDC关键技术瓶颈的束缚，加快新技术在我国电网中的研究和应用，国家电网不失时机地将VSC-HVDC技术列入了《国家电网公司“十一五”科技发展规划》，以此激发国内广大科研工作者对VSC-HVDC相关基础理论、关键技术以及工程项目应用的关注和研究。研究和推广VSC-HVDC相关关键技术不仅能够满足我国持续增长的能源需求以及能源的清洁高效利用，同时有利于提高我国整体电网的技术含量以及推进我国直流输电设计在世界输电项目市场的竞争力。

1交流电网的异步或者同步互联

伴随VSC-HVDC系统中换流站容量与电压等级的不断提升，现在运行的VSC-HVDC系统中直流电压可以达到300kV，其最大的输送容量可以达到1000MW[3]。目前在建设中的非洲纳米比亚（Namibia）Caprivi Link工程[1]将采用长距离架空线路技术，这也是历史上首次在VSC-HVDC商业工程中使用，其线路长度970km。相对于电缆线路而言，将架空线路的方法应用于远距离输电线路系统具有明显的经济优势。在建的Trans Bay Cable工程应用此方面可以将工程容量达到400MW。

2风力发电等清洁能源并网

随着能源问题的突出，各国都加大了风力发电在总发电量中的比例，如：丹麦今后30年的海上风电场发电量将占全国总发电量的40—50%，预计电容量达到4000MW[1]。风电场的并网对电力系统的影响已经成为当前急需解决的问题。海上相对陆地来说其平均风速更大，所能提供的电能更多些，这样在海上建设风电场比在陆地上更具吸引力，目前有许多国家将建立海上风电场作为目标和发展方向。对于近海小型风电场来说通过三相交流系统将其接入电网是最佳有效的经济联网方式，而当遇到大型远离海岸的风电场时选取VSC-HVDC输电技术才是更加有效的联网方法。采用VSC-HVDC技术可以有效解决风电场功率波动造成的电压不稳定以及电能质量不高等问题。1999年，世界上第一个商业化运行的VSC-HVDC输电工程由ABB公司在瑞典的Gotland岛建设并投入使用，该项目选取地下电缆方法实现输送电能，这样使得系统对环境造成的影响显著减小，并且该技术方法可以完成对无功功率、有功功率、电能质量与风电场的电压支撑等方面的控制。2000年，ABB公司又在丹麦建立了运用VSC-HVDC技术研究风电场并网发电的示范工程[1] ，该工程有效地解决了风力发电造成的无功功率与电压等问题，其工程的顺利建设和投入运营为风电场并网技术的发展和应用提供了经验和技术支撑。目前ABB公司建设的NordEON工程[1]也将采用VSC-HVDC系统与交流系统联网。近年我国在这方面也做了大量的研究工作并且取得了可喜的成绩，目前正在准备建设上海南汇风电场采用VSC-HVDC技术将风场电能接入交流电网的示范工程。因此，伴随着此技术的日趋成熟以及造价的降低，其必将在大型风电场并网中得到不断的推广应用。

3电力交易

VSC-HVDC技术对系统最小功率以及电流均没有限制，这样用户可以根据需要灵活地确定传输的经济功率和安排运行的方式，并且可以快速、独立地控制有功和无功功率，同时地区电力供应商间电力市场交易的技术平台可以被人们方便地构建。ABB于2000年在澳大利亚建设的Direct Link工程[1, 2]，通过3个并列VSC-HVDC系统将New South Wales电网和Queensland电网异步互联，可以通过New South Wales电网和Queensland电网的电价不同调节功率的传输，从而实现电力的交易。在美国康涅狄格州和长岛之间经过海底电缆将两边的电网连接起来建设了330 MW的工程项目[2]，有效地改善了系统供电的可靠性，同样这个VSC-HDVC工程项目也被用来进行电力交易，实现了当地电力企业之间的竞争。

4向无源系统或弱交流系统供电

VSC-HVDC之所以适用于向弱交流系统或无源系统供电等场所，是因为VSC换流器能够在无源逆变状态运行且不存在换相失败的问题。除了2005年由挪威ABB公司建设完工的Troll A工程外，目前在建的Vallhan工程[3]也采用VSC-HVDC输电技术为海上钻井平台供电。

5未来发展展望

总的来说，VSC-HVDC技术在构成优质电力园区，构建城市直流输、配电网络等方面尚未得到实际应用，但可以预见的是VSC-HVDC技术以其显著的优点在上述方面将有很大的应用潜力和发展空间。未来城市的发展，空中输电走廊由于种种原因受到很大的限制，地下电缆走廊将成为今后发展的趋势和必然之路。为了满足人们对电能需求量的增加，在采用电缆输电的方式中直流电缆输电相对交流电缆输电更能节省空间、传输容量更大。所以，国际上各国关于VSC-HVDC技术的基础理论与工程化应用研究均取得重大成绩和突破，当前其研究热点主要表现在以下几个方面：①提高系统输送容量和电压等级；②增强系统暂态与稳态的性能；③增强系统可靠性水平；④减少系统成本造价；⑤系统损耗降低的方法与策略。在我国目前尚未有建设和投入使用的VSC-HVDC工程项目，但国内多家科研院所与两大电网公司在VSC-HVDC技术的关键基础理论与工程化应用方面做了许多基础性的前瞻工作和准备。

参考文献：

[1]张静.VSC-HVDC控制策略研究[D].浙江:浙江大学,2009.

[2]郑超.基于电压源换流器的高压直流输电系统数学模型与仿真分析[D]. 北京: 中国电力科学研究院,2006.

[3]Aspuld G., Eriksson K.,Svensson K. DC transmission based on voltage souree converters[C].CIGRE SC14 Colloquium, South

Africa,1997.

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