探析柔性直流输电技术在全球能源互联网中的应用

林夏妮

摘 要：随着经济全球化的发展趋势，全球各个行业都在寻求一体化、互联化，电力系统作为世界的通用能源之一，构建一个全球电力能源互联网是极为重要的。但是电力的互联方式要求较高，需要应用柔性直流输电技术进行互联，因此本文将从柔性直流输电技术入手，对柔性直流输电技术的发展、技术、控制保护等方面进行分析，并提出了柔性直流输电技术在全球能源互联网中的应用方案，旨在为相关人员提供参考意见。

关键词：柔性直流输电技术；全球能源互联；互联方案；

1、柔性直流输电技术发展

柔性直流输电技术最早是在1990年由加拿大大学学者提出的，瑞士ABB公司在此基础上提出了轻型高压直流输电技术，将聚合物电缆和电压源换流器通过技术手段进行结合，并在瑞典进行了工业试验，取得了较好的效果，国际大电网会议因此将其定义为VSC HVDC，翻译为电压源换流器型高压直流输电，在中国简称为柔性直流输电[1]。

柔性质量输电技术在孤岛供电、大型城市供电、可再生能源发并网等领域应用较为普遍。其换流器的拓扑结构有两种，可控开关型的换流器拓扑结构和可控电源型的换流器拓扑结构，常见的有三相两电平、三相三电平、模块化多电平等，但是在2011年以后，柔性直流输电工程当中都开始采用模块化多电平换流器结构，因为模块化多电平换流器具有输出波形质量高、开关频率低、处理故障能力强等优势[2]。

2、柔性直流输电换流器技术

柔性直流输电换流器根据桥臂等效特性将换流器分为可控电源型和可控开关型，可控电源型换流器的各个桥臂中分散着储能电容，因此可以通过对桥臂等效电压的改变来实现交流侧输出电压的变化[3]。比较典型的代表就是模块化多电平换流器，可通过改变桥臂内串联子模块个数来完成等效电压的改变，根据子模块的类型可分为钳位双子模块型、全桥型、半桥型等；级联两电平换流器也属于可控电源换流器，它是由半桥电路级联而成的。模块化多电平换流器具有无需滤波装置、模块化设计、开关频率应力低、谐波含量少、电压畸变率低等优点。但是缺点也比较明显，因为串联的子模块很多，所以增加了系统处理的数据量，加大了对控制系统的要求，并且无法在直流出现故障的时候对交流进行隔离，使得安全性不高。

可控开关型换流器可以通过相应的脉宽调制技术来控制桥臂的断通，但是因为桥臂存在大量的串联开关器件，所以需要注意因开关通断引起的动态静态均压问题。两电平换流器的运行控制和拓扑结构都比较简单，但是交直流侧含有大量的谐波，需要加装滤波器，同时开关频率也比较高，使得换流器的损耗比较大；三电平换流器的开关频率比较低，谐波含量比较少，但是结构却比较复杂，经济性不好，可靠性不高。

3、柔性直流输电控制和保护

柔性直流换流站级控制系统可以满足系统正常的启停操作和稳态的功率调节，包括无功和有功两类控制器，无功控制器实现了对于交流电压、无功功率的控制，有功控制器实现了对直流电压、有功功率的控制，运行的时候，二者互相配合又独立控制，保证了系统的稳定性和安全性[4]。

柔性直流输电控制保护系统不同于常规的直流输电，其阀级的控制保护系统更加复杂，特别是在模块化多电平柔性直流输电系统中，对于阀体的保护主要由阀级控制器来完成，换流站级控制器的作用微乎其微。因此对于保护控制的时机要求比较高，必须要高速同步控制，满足控制系统的实时性需求。

4、柔性直流输电技术在能源互联网中的应用方案设计

全球能源互联网的电力系统雏形包含了直流电压母线和交流电压母线，为保证电磁环网和实现功率双向可控，减少交流系统的短路容量，各个区域电网的连接采取了柔性直流技术，连接方案常见以下两种。

4.1中压直流互联方案

中压直流互联方案如图1所示，通过柔性互联方式连接110kV的变电站，每个变电站母线的开关S闭合。这种方案的优势比较明显：该方案系统内的各个主变都能互为“热备用”，从而省去了单台主变的备用容量，进而降低设备的经济成本；电压源换流器能够自主调节，实现潮流的主动控制；能够提升每个主变的负载率，使得总变的损耗降低；电压源换流器换流站可以提供无功功率，能够免去常规的无功补偿设备；能实现光伏、风电、电动汽车、储能装置的集中接入；实现系统各组成之间的互联，优化能源的利用。

变压器在配电系统中的能量损耗是极大的，主要包括负载损耗和空载损耗两部分，其中负载损耗是可变的，它随着负荷的增大而增大；空载损耗属于固定损耗，只受变压器容量的影响。该方案虽然增加了平均的负载率，但是能够明显的降低損耗量。随着风力发电、光伏发电的推广普及，对于电力的接入方式也提出了新的挑战，因为燃料电池和光伏发电是直流电，需要变换之后才能接入电网；风力发电具有不稳定性和间歇性，也需要变换才能接入电网；目前比较火热的电动汽车也需要在交流电网中加入变换结构来进行充电。因此建设直流电网能够很好的解决这一问题，降低了传输的损耗，减少了设备的支出，更加实用和便捷[5]。

4.2低压直流入户方案

电力的普及也具有一定的隐患，除了影响人们的生命安全外，对于企业的经济利益也有很大的作用。例如银行的数据处理中心、芯片制造商等高精尖企业，当电力系统出现故障的时候，会对其产能、数据的安全造成一定的影响，出现经济损失。传统的电力系统中，电能质量问题主要为电流、电压、频率等出现偏差，但是在直流电网中不会出现这类问题，而且许多办公设备是直接用直流供电的，因此可以对直流负荷较大的用户采用直流形式来供电，不但能降低传输的损耗，还免去了变流的过程，保证了同步稳定性，经济效益更好[6]。

低压直流入户有两种方案，为提高机房服务器负荷的接入率，将配电母线由交流改为直流，使得服务器负荷通过Buck电路接到直流配电母线上，省去了UPS系统的逆变器，该方案如图2所示。

方案2对于方案1增加了一个直流母线，将其作为数据中心的直流负荷、变频负荷、分布式电源的能量交换环节。虽然变频和直流负荷少了整流环节，但是交流母线到直流配电过程增加了变流环节。在分布式电源接入环节有较大的优势，减少变流环节能够降低投资，提升传输性能，因此比较适用于电源渗透率较高的情况。

结束语：本文对柔性直流输电技术的发展、技术、控制保护等方面进行了分析，同时提出几点柔性直流输电技术在全球能源互联网中的应用方法，相关人员在进行参考的时候要注意结合实际的情况来选择方案的使用，并对现有的方案进行优化和改进，不断的摸索新的办法，推动全球能源互联网的建设与发展。

参考文献：

[1]李全建. 分布式发电单元接入的柔性直流输电系统的控制研究[D].山东大学，2016.

[2]刘一琦. 多端柔性直流输电系统控制策略的研究[D].哈尔滨工业大学，2016.

[3]赵朗. 含柔性直流输电的交直流混合系统稳定性分析[D].华北电力大学（北京），2016.

[4]刘晓倩. 柔性直流换流系统传导电磁骚扰特性研究[D].华北电力大学，2016.

[5]汤广福，贺之渊，庞辉. 柔性直流输电技术在全球能源互联网中的应用探讨[J]. 智能电网，2016，（02）：116-123.

[6]王一振，赵彪，袁志昌，付姣，赵宇明，刘国伟，韩英铎. 柔性直流技术在能源互联网中的应用探讨[J]. 中国电机工程学报，2015，（14）：3551-3560.