浅析柔性直流输电技术及其发展

刘汉鹏　杨光　刘超　于潇　刘阳

[摘 要]本文简要介绍了柔性直流输电原理，总结了柔性直流输电技术的特点、应用范围、现在的发展状况以及其未来的发展前景。

[关键词]柔性直流输电；发展

柔性直流输电技术对于提高交流系统的动态稳定性、增加系统的动态无功储备、改善交流系统电能质量，解决非线性负荷、冲击性负荷所带来的问题，具有较强的技术优势，也是智能电网建设中解决大容量、间歇式新能源发电并网的重要技术手段。

目前世界上仅ABB公司拥有商业运行的工程。虽然西门子、AREVA等跨国公司一直没有间断在该领域的技术研究，但迄今为止在世界范围内运行的工程仍被ABB一家公司所垄断。

一、柔性直流输电技术的原理

柔性直流输电采用电压源型换流器和PWM技术。由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲，使VSC上下桥臂的开关管高频开通和关断，则桥臂中点电压uc在两个固定电压+Ud和—Ud之间快速切换，uc再经过电抗器滤波后则为网侧的交流电压us。

进一步分析可知，在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率为P，无功功率为Q。有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于UC。因此通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制UC就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。

二、柔性直流输电技术的特点

柔性直流输电技术是当今世界电力电子技术应用领域的制高点，是基于可关断电力电子器件IGBT（绝缘栅双极晶体管）组成的电压源换流器所构成的新一代直流输电术。

该技术可以在进行精确有功功率控制的同时对无功功率进行控制，可为交流系统提供电压支撑，控制更加灵活。柔性直流换流站可工作在无源换流的方式下，不需要外加的换相电压，可用于弱系统或无源系统供电。此外，柔性直流输电技术基本不需要滤波和无功补偿装置，其换流站占地面积较同等容量的常规直流换流站要小。

柔性直流输电是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术，其采用最先进的电压源型换流器和全控器件，是常规直流输电技术的换代升级。与传统的直流输电不同，是一种采用基于电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制（PWM技术）的新一代直流输电技术。

它可以瞬间实现有功和无功的独立解耦控制，能向无源网络供电，具有良好的电网故障后的快速恢复控制能力，可以作为系统恢复电源。在传输能量的同时，还能灵活地调节与之相连的交流系统电压。具有可控性较好、运行方式灵活、适用场合多等显著优点。从用途上看，它可以很好地适应于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等领域。

三、柔性直流输电技术可应用范围

1.连接分散的小型发电厂。如中小型的水电厂、风电场（含海上风电场）、潮汐电站、太阳能电站等，利用柔性直流输电与主网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护环境。

2.不同额定频率或者相同频率的交流系统间的非同步运行。模块化结构以及电缆线路使柔性直流输电对场地和环境的要求大为降低，换流站的投资大大下降。

3.构建城市直流输配电网。

4.向偏远地区供电。偏远地区一般远离电网，负荷轻而且日负荷波动大，经济因素以及线路输送能力低是限制架设交流输电线路发展的主要因素。采用柔性直流输电进行供电，可解决这些问题。

5.海上供电。

6.提高配电网电能质量。柔性直流输电系统可以独立快速地控制有功和无功，且能够使交流系统的电压保持不变、它使系统的电压和电流较容易地满足电能质量的相关标准。

四、柔性直流输电技术的发展

随着风电等间歇式可再生能源在电网中比重的加大，其随机性、间歇性和不可控性等特点对电网的安全可靠运行带来巨大挑战。柔性直流输电可以极大地提升风电场并网的安全性和可靠性，是国际上公认的最具有技术优势的风电场并网手段，特别是对于远距离的海上风电场来说，使用柔性直流输电并网是目前唯一可选的有效方案。另外，柔性直流输电技术在孤岛及海上平台供电、大型城市供电、多端直流组网、电力市场交易等领域也都有显著的技术优势。随着电网未来继续朝着智能化、节约化、环保化发展，柔性直流输电技术必将成为未来电力领域的一个重要发展方向，具有极其广阔的市场应用前景。”据悉，1997年世界上第一条柔性直流输电工程投入工业试验运营，目前投入运营的已经有11条。大部分应用于风力发电、电力交易、电网互联、海上钻井平台等领域。随着世界范围内对于可再生能源的应用越来越广泛，规模越来越大，目前已有1000兆瓦的柔性直流风电场并网工程开始设计，而2000兆瓦级柔性直流输电的概念设计也已经提出。目前，欧洲多个国家都已经规划和建设了大量的海上风电场，其容量都在数百兆瓦等级，并且其中已经有部分使用了柔性直流输电进行系统接入。

我国开展柔性直流输电技术研究的时间相对较晚，在初期阶段主要集中在大专院校所开展的部分理论性研究。2006年5月，国家电网组织编制了《柔性直流输电系统关键技术研究框架》，由此启动了我国在柔性直流输电关键技术领域的全面研究。目前，我国已规划在甘肃酒泉、新疆哈密、河北、吉林、内蒙古东部、内蒙古西部、江苏、山東等地建设8个千万千瓦级风电场。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，可以大幅改善大规模风电场并网的性能，保障新能源发电的迅速发展。

据了解，到2015年，保守估计世界范围内柔性直流输电工程的市场规模将达到千亿元以上。随着新能源的快速发展，我国对柔性直流输电技术也呈现出强劲的市场需求。我国未来五年的市场规模将在400亿元左右。

在2020年前，仅风电发电方面我国就计划兴建6个百万千瓦级的超大型风电场。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，可以大幅改善大规模风电场并网的性能，对于大容量风电场的可靠并网、保障新能源发电的迅速发展，都具有重要的意义。

此外，对于大型城市供电、城市配电、岛屿和钻井平台供电等应用领域，柔性直流输电技术也有很好的应用前景。

五、结语

1.柔性直流输电技术具有可控性较好、运行方式灵活、适用场合多等显著优点。

2.柔性直流输电技术可应用于连接分散的小型发电厂、不同额定频率或者相同频率的交流系统间的非同步运行、构建城市直流输配电网、向偏远地区供、海上供电、提高配电网电能质量和电力市场模式下的应用等方面。

3.随着电力电子技术的发展，柔性直流输电技术将会更广泛的应用于新能源并网、城市电网等方面。

参考文献：

[1]毛颖科，桂顺生，贺之渊，等.基于MMC技术的柔性直流输电系统性能分析[J].华东电力，2011，7：1133-1136.