柔性直流输电技术工程实践及发展趋势

魏琳琳

摘 要：柔性直流输电作为新兴的输电技术，已经进入大发展的商业应用阶段，其快速发展和应用将给我国输配方式和电网架构带来重要变革。对柔性直流输电技术的特点进行了介绍，并探讨了柔性直流输电技术的典型应用场合，包括新能源并网、大型城市供电、同步或异步电网互联、多端柔性直流互联和直流电网等。最后，对柔性直流输电技术面临的机遇和挑战进行了展望。

关键词：柔性直流输电；直流电网；新能源并网；城市供电；电网互联

1 柔性直流输电技术及特点

柔性直流输电是20世纪90年代开始发展起来的基于电压源型换流器的新型直流输电技术（VSC-HVDC，Voltage Source Converter based HVDC）[1，2]。参考相关命名习惯，我国将该技术命名为“柔性直流输电”（HVDC Flexible），其基本特征是采用IGBT（绝缘栅双极晶体管）等全控型器件，具有更强的可控性和灵活性，是21世纪最具前景的电力电子技术之一。

柔性直流输电作为新兴的输电技术，电压等级和输送容量均有显著提升，已经进入大发展的商业应用阶段，其发展和应用将给输电方式和电网架构带来重要变革，具有广阔的应用前景。

2 柔性直流输电典型应用场合

从交流系统角度看，柔性直流系统可等效为无转动惯量的发电机，可以独立、快速地控制其输出电压的相位和幅值，从而能够快速、灵活地调节其输出的有功和无功功率，具有广阔的应用场合。

2.1 新能源并网

由于不存在交流电缆充电功率造成的输电距离限制问题，且对接入系统强弱不敏感，具有快速动态无功补偿能力，柔性直流输电系统能有效提高并网系统暂态稳定性，可以实现高比例可再生能源的高效接入和外送，也是目前大型海上风电场并网的最佳手段。如2015年投产的DolWin1工程将位于北海地区的巴德风电场群产生的电能送到德国电网，其额定容量为800MW，额定电压等级为±320kV。

2.2 大型城市供电

柔性直流输电具有隔离电网故障能力，且不会增加系统的短路容量，可满足城市环网解列和限制短路电流的需求，且直流电缆单位截面积传输功率是交流电缆的1.5倍及以上。此外，与传统直流输电相比，柔性直流输电无需额外补偿装置，占地面积小，是向大型城市中心供电的优选方案。如2010年投产的Trans Bay Cable工程是世界上第一条采用模块化多电平换流器拓扑结构的柔性直流输电工程，该工程将电力直接送到旧金山中心，提高了城市供电系统的安全性和供电能力。

2.3 同步或异部电网互联

近年来，柔性直流同步或者异步联网技术越来越受到国际电力工程界的推崇。美国电力研究院（EPRI）在其主导的研究中，將柔性直流输电系统称作电网冲击吸收器（grid shock absorber），并倡导将其嵌入到北美东部大电网中，从而将北美东部大电网分隔成若干个相互之间异步互联的小型同步电网，从而有效预防大面积停电事故的发生。而ABB公司将这种用于交流电网异步互联的直流输电系统形象地称为防火墙（firewall），用于隔离交流系统之间故障的传递。2015年投产的法国-意大利联网INELEF工程额定容量为1000MW，额定电压为±320kV，将法国、西班牙两国间电能交换的容量从1400MW翻倍至2800MW，将伊比利亚半岛丰富的可再生能源在不影响整体电网稳定性的前提下高效、安全的并网送出，同时为未来欧洲乃至世界能源互联网的整合提供宝贵的工程经验。

2.4 多端柔性直流互联和直流电网

柔性直流电流可以双向流动，故易于构筑多端直流输电系统。因此，越来越多的国家对多端柔性直流输电技术表现出浓厚的兴趣并付诸工程实施。欧洲规划了以柔性直流为主的超级电网，计划建设连接欧洲、北非及中东的多端直流输电网络。英国国家电网规划建设多端柔性直流输电网络，满足大规模海上风电接入。美国能源部规划新建柔性直流输电60余条，满足2030的20%风能接入目标。

国家电网公司在多端直流、高压大容量柔性直流输电领域开展了积极的研发储备。为保障舟山群岛新区发展的供电可靠性，提高电网供电能力及抗灾能力，并为将来更高电压等级和更大传输容量的柔性直流输电工程提供技术积累，2014年国家电网公司在浙江舟山本岛、岱山岛、衢山岛、嵊泗岛和洋山岛建成投运了±200kV五端柔性直流输电示范工程。舟山示范工程是当前世界上等级最高、端数最多、单端容量最大的多端柔性直流输电工程，是多端柔性直流输电技术的重大突破。示范工程投产后舟山电网发展为一个同时包含多端柔性直流、传统直流和风电场的复杂弱交直流混联电网，运行方式复杂多变，其运行方式对其他后续工程具有重要的借鉴意义。目前，示范工程正在改造升级加装直流断路器。舟山示范工程的研发过程，形成自主知识产权的关键技术，有力推动了我国柔性直流输电产业的发展，具有良好的科技示范效应，为后续工程积累了丰富的经验。

3 柔性直流输电技术面临的机遇和挑战

随着柔性直流输电技术的日臻完善，越来越多的国家开始积极探讨和研究多端柔性直流输电技术。随着技术的进步，柔性直流输电工程向更高电压等级、更大输送容量和多端化、网络化的方向发展趋势日趋明显。

鉴于多端柔性直流输电技术的广阔应用前景，为推动相关技术的发展，国际大电网组织（CIGRE）已经成立了专门研究柔性直流输电的B4系列工作组，主要包括：

B4-57工作组：主要研究直流电网（HVDC Grid）中直流换流器的仿真建模问题。

B4-56工作组：主要研究内容为直流电网并网准则（Grid Codes for HVDC Grids）。

B4-58工作组：主要研究内容网状直流电网（Meshed HVDC Grid）潮流控制装置及直流电压控制方法。

B4/B5-59联合工作组：主要研究内容为直流电网的控制与保护。

为适应社会快速发展对电能需求的提升以及实现未来跨省、跨大区和跨国资源优化配置的要求，一方面需要在现有柔性直流输电技术研发的基础上，攻克更高电压、电流和可靠性带来的设备研制难题，另一方面需要解决大量直流接入电网后带来的控制、保护和运行等方面的关键技术，主要包括具备短路电流限制功能的新型换流器拓扑技术、换流器容量提升技术、直流断路器技术、直流电缆技术、直流电网仿真技术和控制技术等。

参考文献

[1]汤广福，贺之渊，庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J].电力系统自动化，2013，37（15）：3-14.

[2]云龙，包海龙，田杰，等.柔性直流输电控制及保护系统[J].电力系统自动化，2011，35（19）：89-92.

（作者单位：国家电网公司华东分部）