面向农村偏远电网的输电线路交改直技术方案研究

丁 超，陆 翌，胡萨萨，裘 鹏，许 烽，宣佳卓

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江华云信息科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

近5 年， 城市用户的供电可靠率维持在99.95%左右，用户年平均停电时间为4～5 h，用户年平均停电次数小于2 次。与城市相比，农村用户的供电可靠性相差较大，平均停电时间在20 h 左右，为城市的4～5 倍；年平均停电次数超过4 次，为城市的2 倍。究其原因是农村地区离配电网（以下简称“配网”）核心区域较远，一般采用较长的配电线路供电，而配网建设相对落后，导致偏远地区的农村电网存在电压跌落厉害、电能质量差、供电可靠性低等问题。近年来，随着人民生活水平的提高和农村光伏等新能源的普及应用，用电设备多样化、用电需求扩大化、电压波动加剧化等特征日益显著，人们对配网供电容量、供电质量和供电可靠性的要求越来越高。另外，偏远地区装设的光伏、风机等新能源因输电距离长等原因，存在“窝电”可能。虽然采用新建配电线路、装设无功补偿装置等措施能够缓解上述问题，但未能从根本上加以解决[1-7]。

近年来，基于电压源型换流器的柔性直流输配电技术因其优异的运行控制性能，在输电网和配电网层面得到了应用和认可。随着电力电子器件的升级改造和柔性直流技术的成熟，柔性直流配电技术也将被广泛用于配电网络。与交流配网相比，柔性直流配网具有更大的供电半径与供电容量，在相同线路建设成本下，直流线路的功率传输能力约为交流线路的1.5 倍；柔性直流配网的换流器具有稳定交流侧母线与用户侧电压的作用，可提高电能质量[8-10]。当直流线路电压为交流线路线电压的2 倍时，直流线路由于不存在交流电缆金属护套导致的有功损耗和交流系统的无功消耗，其线路损耗仅为交流线路的15%～50%[11-12]；此外，随着储能技术的迅速发展和风能、太阳能等可再生能源技术的日趋成熟，直流配网的优势逐渐凸显。直流配网可以实现储能与新能源的便捷接入，省去了目前工业设备大量采用的变频器，极大减少了成本和损耗。若将直流配网应用于农村偏远地区，可有效解决远距离输电电压跌落大、电能质量差等问题，同时便于接入光伏、风电等新能源和储能电站，可大大提高偏远农村地区的供电可靠性，避免“窝电”现象[13-14]。

本文主要针对农村偏远地区的直流供电方案进行研究。首先，分析目前农村地区供电特点及存在问题，提出采用柔性直流配电的技术方案，并对该方案进行详细阐述；其次，考虑到电网建设的成本与经济性，提出将原有交流线路改造成直流配电线路，并给出多种改造后的拓扑结构；最后对各种拓扑结构进行多维度对比分析，进而得出结论。

1 直流供电方案及其优势

直流供电方案是在配网核心区和农村偏远地区分别建设一个直流换流站C1 和C2，然后采用直流线路将两者连接，保留农村配网原本的交流用电习惯，配电结构如图1 所示。虚线段表示将原交流线路改造成直流线路，直流线路上可实现沿线光伏、风电和储能的并网。

图1 直流供电方案

在换流器拓扑结构方面，考虑到供电的灵活性和可靠性，用户侧换流站C2 需采用VSC（电压源换流器），配网侧换流站C1 可采用VSC 或晶闸管换流器等拓扑形式，在满足系统运行方式的前提下，可采用性价比更优的换流器形式。

与采用交流配线的方式相比，该方案具备如下优点：

（1）由于直流线路大于交流线路的供电半径，该方案能够在保证电压降的同时，将电能输送至偏远地区，并保证受端的电压幅值和频率可以满足要求。

（2）采用直流形式后，从配网核心区至农村偏远地区沿途的光伏、风机等新能源能够通过直流配网挂网运行，实现新能源的便捷接入，解决了新能源电能难以输出等问题，实现偏远地区新能源资源的优化利用。

（3）通过在直流侧配置储能，能够有效平抑光伏、风机等功率波动对配网的影响，同时提高农村电网的供电可靠性。

（4）图1 中虚线部分的直流线路可以由原交流线路改造而得，从而降低工程建设成本；同时，开展交改直的试点示范研究，有助于促进该技术的发展和应用。

（5）当C1 换流站与配网因故障隔离，或直流线路发生故障后，直流配网剩余系统与农村电网将形成孤网，但系统可继续运行，保障了农村电网的供电可靠性。

（6）C2 换流站具备无功调节和电能质量治理等功能，能够有效调节农村电网的电压水平和电能质量，降低农村配网的线损。。

2 线路交改直技术方案

2.1 线路交改直的系统参数

交改直方案主要涉及传输功率、直流电流、直流电压等的选取。

由于集肤效应的存在，导线的直流电阻要稍小于交流电阻，因此直流电流可以略高于交流电流的有效值。

影响直流电压等级的因素主要为绝缘子染污后的相间绝缘和相对地绝缘等。不考虑线路和杆塔的改造，设直流线路和交流线路连续运行工作电压的比值为k，在污染较为严重的区域，k 可以取值为1；如果周边环境较干净，k 可以取值为

交流线路的实际输送功率与无功要求和安全稳定有关，直流线路的传输功率主要受热限制约束。根据上述直流电流和电压的取值原则，计算可得直流和交流传输功率之比在0.65～1.1。

2.2 交流线路改造的换流器拓扑

2 回交流线路含有偶数条导线，可根据需求方便地改造成1 条双极直流线路、3 条双极直流线路等。偏远地区的单回配电线路较多，且改造较复杂，需考虑充分利用三相线的功率传输能力。

对于单回输电线路，可采用双端单极、双端双极、双端三极、三线双极拓扑等，各类型拓扑均有各自的优缺点，可根据应用场合和需求合理选用。

（1）单极换流器拓扑

单极拓扑可将原交流三相合为直流的输电极，采用大地作为回线。这种方式可充分利用三相导线的功率输送能力；缺点是大地回流会对直流线路周边电网产生影响，引起设备电解腐蚀，因此实际工程较少采用。

另一种方式是将单回交流输电线路的两相作为直流输电线路的正负极线，其拓扑如图2 所示。这种拓扑的优点一是结构和控制策略较为简单，易于实现；二是两端换流器采用阀侧经大电阻接地方式，直流单极接地故障时不会引起过电流，系统仍可以带故障运行。单极拓扑的缺点是无法充分利用第三相的功率传输能力。

图2 双端单极直流输电拓扑

由于直流系统受端为弱电网或无源负荷，受端换流站需要提供稳定的交流电压；直流线路上有光伏、风电等新能源装置的接入，送端换流站需要提供或参与提供稳定的并网直流电压。 因此，换流器需采用基于全控型器件的VSC 拓扑，受端采用定交流电压控制、送端采用直流电压控制方式。

架空线的运行环境较恶劣，易发生短时线路接地故障。而两电平VSC 拓扑在直流侧发生接地故障时，无法阻断交流侧的故障电流馈入通路。因此，双端换流器可采用桥臂由半桥和全桥子模块组成的Hybrid-MMC（混合模块化多电平换流器）拓扑，全桥和半桥的比例不低于50%。

（2）双极换流器拓扑

双极拓扑如图3 所示，其各极的工作原理及控制策略与单极拓扑相同。这种拓扑的优点一是各极对地绝缘要求较单极拓扑低，二是直流并网设备可根据需求并入正极、负极或总直流电压等多个电压等级。双极拓扑的缺点一是没有充分利用交流线路的三相输电线；二是发生单极接地故障时，换流器需闭锁故障极，无法带故障运行。

图3 双端双极直流输电拓扑

（3）三极换流器拓扑

一种基于TPS-HVDC（三极结构的直流输电）拓扑如图4 所示，它包含正极、负极和调制极3个输电极。正常运行时，通过特殊的电流调制策略，正极和负极电流在最大值和最小值之间周期性变化；中性点电流不流入大地，通过具有双向流通能力的调制极回流。这种方式较大幅度地提升了线路的输电容量。

图4 三极结构的直流输电拓扑

TPS-HVDC 拓扑中正极与负极换流器可采用LCC（电网换相型换流器）结构或者MMC 结构。采用LCC 结构的换流器运行损耗小，造价较低，但存在因换相失败而致使功率输送中断的风险；采用MMC 结构的换流器具有无功解耦控制、可向无源网络供电、无换相失败风险等优点，但造价较高，稳态运行损耗大。

三极拓扑的优点为：在同等直流电压和电流条件下，最大传输功率为双极拓扑的1.37 倍；当一极发生直流故障闭锁时，另两极仍可组成双极拓扑传输功率，故障冗余度和可靠性高。其缺点是：调制极的电压和电流极性均呈周期性反转，需采用基于全桥子模块的MMC 拓扑，造价较高；换流器损耗和线路总损耗较双极拓扑高；当扩展成多端直流时，需进行三极扩展，且需全网全站式协调控制。

（4）三线双极换流器拓扑

基于12 脉动晶闸管换流器的TWBS-HVDC（三线双极结构的直流输电）拓扑如图5 所示，其中，CRC（电流调节控制器）可调节调制级上的直流电流。正常运行时，调制极通过与正极和负极交替并联，实现对流过正极和负极的电流分流，在满足线路的热稳定要求下实现扩容输电；其线路上的电流特性与三极拓扑相同，因此最大扩容能力与三极拓扑相同。实际应用中，TWBS-HVDC结构中换流器不局限于LCC，VSC 及MMC 等，可根据实际情况采用相应结构，不同换流器具有各自的优缺点。

图5 采用晶闸管的TWBS-HVDC

三线双极拓扑的优点为：与三极拓扑扩容能力相同，最大传输功率为双极拓扑的1.37 倍，且所用的功率器件较少；与三极拓扑相比，换流器造价较低、损耗较小；其正负极直流端口特性与双极拓扑相似，便于扩展为多端直流。 其缺点为：主回路拓扑和控制复杂，设备种类和数量较多，长期运行故障率高，可靠性较差。

3 交改直技术方案对比

对交流线路改造所用的换流器拓扑从以下几方面进行对比：最大传输功率、初期建造经济性、运行经济性、故障冗余度、易扩展性、可靠性等，详见表1。

表1 各类型拓扑的特性对比

由表1 及前文分析可知，TPS-HVDC 和TWBS-HVDC 的最大传输功率相同，均为双极拓扑的1.37 倍；单极拓扑的结构和控制策略最简单，初期建造成本最小，经济性最高；线路和换流器损耗大小与线路利用条数、换流器数量成正比，损耗越高则运行经济性越差；TPS-HVDC 的可靠性较高，在发生单极接地时另2 极仍可组成双极系统；TWBS-HVDC 在建造经济性和运行经济性上都优于TPS-HVDC，但其拓扑和控制较复杂，可靠性相对较差。

综上所述，可根据交流线路升级改造的需求选用合适的拓扑：若原有的交流线路功率传输容量足够，可采用双端单极系统，拓扑和控制最简单，造价最低；若需扩展原有的交流线路容量，且对故障冗余度和可靠性有较高要求， 可采用TPS-HVDC 拓扑；若需提高原有的交流线路容量，且后续将扩展为多端直流系统，可采用TWBSHVDC 拓扑。

4 结语

本文基于农村电网现状，对农村直流供电方案进行研究，重点阐述了将柔性直流配电与交流线路改造成直流线路的技术方案，提出直流配电方案与多种改造拓扑结构，可为工程规划建设和系统理论分析提供参考。主要结论如下：

（1）随着柔性直流技术的逐渐成熟与广泛应用，可将农村地区原有的交流供电改造成直流供电，从而提高农村电网的供电可靠性与电能质量，同时能够提高供电容量。

（2）尽管采用柔性直流配线方式能够较好地解决农村地区的供电问题，但考虑到农村的经济效益，提出采用将原交流线路改造成直流线路的方案，可大大节省建设成本，降低建设难度。针对交流线路改造方案，提出了单极、双极、三极和三线双极4 种换流器拓扑结构，并对这4 种拓扑结构从基本结构、稳态运行特性、最大输送容量、实现难度和可靠性等多方面进行了详细分析。

（3）通过对4 种换流器拓扑结构的特性进行对比分析，得出其各自的优势与缺点，建议结合实际情况选择不同的改造方案，可为电网规划和分析提供参考。

（4）本文仅介绍了交流线路改造成直流线路的换流站拓扑方案，而实际改造工程中，输电线路的选型、输电杆塔的改造、直流配线电压电流等级等方案选择同样重要，有待进一步研究。