柔性直流技术在配电网中的应用及运行控制

2023-08-04卜涛

通信电源技术 2023年9期

卜涛

（国网陕西省电力有限公司延安供电公司，陕西延安 716000）

0 引言

柔性直流输电系统具有高可靠性、经济性以及节能环保等优点，被认为是解决我国未来电力系统安全、经济和高效运行问题的一种有效手段[1]。因此，在今后的城市电网规划建设中，应优先考虑采用柔性直流输电技术进行远距离输送电能。柔性直流输电技术是继交流输电技术之后出现的新一代高压、大容量的电力传输系统[2]。对新型电力传输模式进行研究具有重要的理论意义，能够促进我国电力系统的发展。

1 柔性直流输电技术

1.1 柔性直流输电技术概述

柔性直流输电技术是建立在电压源换流器和交联聚乙烯电缆基础上形成的一种基于脉宽调制控制的直流输电技术。电压源变流器的主体部分是可关断装置，利用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）开关实现变频器的迅速切换，车身稳定控制系统（Vehicle Stability Control，VSC）和换流器的构造相同，核心部件有换流器、换流电抗器、直流和交流电容器以及滤波器等[3]。在柔性直流输电中，只要能有效调节换流桥电压的幅值和相位，就可以根据电压相位进行相应调节，使电压下降，从而实现对交流系统和VSC 间的有功功率和无功功率进行有效调节。柔性直流输电传输线的基础构造如图1 所示。

图1 柔性直流输电结构

1.2 技术特点

柔性直流输电技术具有以下几个特点。第一，能单独控制有功功率、无功功率；维持稳压，调整电源电流；维持系统的有功恒定，并可调整无功。第二，潮流逆转简便，当电力逆变时，若只有电流的流向发生变化，而直流电压的极性不变，则不会停止运行[4]。传统的直流输电方式在改变电源方向时，必须要调整其电压的极性，如果电源逆向，则必须调整控制方案。第三，发生意外时，可以迅速恢复电源，为无源提供电力。第四，具有高输出电压品质，基本没有任何谐波，无需滤波器。第五，使用无地电极和无向地面输入的双极性操作。第六，该技术具有结构紧凑、模块化、易于移动、安装、调试、维护、易于扩充以及多端直流传输等优势。

2 城市配电网中柔性直流输电的实际应用分析

2.1 应用方式

2.1.1 关键设备选型

该技术应用于城镇配电网络时，有关部门要根据其具体条件和运行要求进行科学选择。例如，在选择柔性换流机时，设备的主体是2 个换流机，而换流机的主要组成应该是主回路和直流电容器。柔性换能器采用AC-DC-AC 型，能较好地实现对有功和无功的独立控制，从而保证了直流母线的稳定。为了保证电源均衡，一定要在送端或受端之间使用直流电源[5]。

由于这种直流变换器可以对蓄电池的充放电进行高效控制，可以最大限度地利用光电器件的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）性能。在实际应用中，不需要附加任何的变压器和过滤器，成本低廉、占地面积小、操作简单[6]。此外，为有效实现柔性直流输电技术在电力系统中的运用，提出采用柔性配电系统来实现实时、在线监测，并依据负荷预测的结果，在深入研究直流侧和交流侧电压控制策略的基础上，提出了一种综合考虑潮流控制性能与经济性的直流电压控制策略，并通过模拟验证了所提控制方案的有效性。

2.1.2 优化运行方式

在一个组合式变电站内，采用了同样的干式变送器，每个变送器的功率都是800 kVA。10 kV 接线为一母段，1、3、2、4 号配变。1 段母线与2 段母线相连，3 号母线与4 号母线相连，母线上各有一组相应的变压器，但配电房本身的负荷水平低、负荷损失大，给小区供电带来了困难，因此在电力系统中采用挠性直流技术，结合智能配电系统，可以提高电力系统的供电品质。

在具体的配电网优化中，选择了2 种具有不同功率方向的柔性换流机。在优化的操作模式下，当系统总负载小于40%时，由一次配变电源的S1、S11和S3相提供电能。太阳能电池中的全部超负荷电能都可以储存在能量储存体系中，从而避免了太阳能电池被反输给电力网。在大负载条件下，当系统的总负载大于40%，但没有超出系统的总分配能力和存储能力的总和时，可以采用2 个配变机进行同步，将太阳能电池产生的超负荷电能全部集中到储能体系中，彻底消除太阳能电池向外供电的现象[7]。

2.2 应用优势

2.2.1 供电更加灵活

由电压全控型器件共同构成的VSC 即电压源换流器，在全压设备的功率和容量分别为3 000 kV 和1 500 kVA 时，VSC 可以利用设备灵活控制开启和关断，从而对电源信号进行高效驱动。该无端式电力网可以用于被动和主动2 种不同的电力供应，在10 kV 的线路间，在2 ～3 km 的传输范围内，挠性直流传输的输送功率为10 ～50 MVA。而当线间电压为35 kV，传输距离为5 km 时，柔性直流输电的输送功率为5 ～40 MVA。

2.2.2 供电更加可靠

在电力系统中采用柔性直流输电技术，可以有效保证电力系统的可靠运行。柔性直流输电技术以脉冲宽度控制为主导，通过调整系统的输出电压和电流得到接近于正弦型的信号[8]。另外，柔性直流输电可以利用控制驱动回路进行相位位移，从而改变线路的功率因数，实现对柔性直流输电系统的有功和无功的单独调节。例如，当配电网络发生三相短路时，该装置能快速释放开锁信号，保持电源的稳定。因此，在城市配电网络中采用柔性直流输电可以使配电网络的运行更安全、更稳定。

2.2.3 供电能耗更低

将柔性直流输电技术应用于城镇配电网络，可以减少电力消耗。柔性直流输电系统能够将太阳能、风力等多种分布式电力系统串联起来，从而可以最大限度地发挥各种能量的作用，减少能耗的产生[9]。该系统的结构是集成电路，使用的是一种高智能、大容量的自动开关装置，它的电力传输方式可以通过直流方式进行改变。在柔性直流输电中，采用多电平整流的换流站拓扑，可以对交流母线进行动态无功补偿，使直流母线上的电压保持高稳定性，既有效地降低了电网能源消耗，又提高了电网供电品质，使电网的经济效益和社会效益最大化。

3 在城市电网的应用场景研究

3.1 电磁环网运行

由于电网负荷不断增加，电网规模不断扩大，网架结构越来越复杂，造成电网的短时电流问题日益严重，一些500 kV/220 kV 电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）电网不得不中断运行，极大影响了电网的电源容量和供电可靠性。

与普通的交流联络线相比，采用柔性直流输电技术可以实现各500 kV 区域之间220 kV/110 kV 线路的连接，可以保证线路的运行稳定性。该技术能够迅速控制多个目标，在故障发生时能够进行最优化的调度，并提供交流系统的快速应急支持，同时进行故障扩展，防止发生链式故障，提高系统的可控性和抗干扰性能，从而提高其稳定性和运行可靠性。

3.2 负荷中心供电

“十二五”期间，随着国家对节能、减排和降低排放的环境需求的不断提高，电力系统的施工也日益困难。同时，土地紧缺使得电力供应的主力军在城市负载中心的建造更加困难。由于采用了柔性直流输电，与同样容量的燃气轮机相比，受端站可以节约大量的空间，而且不需要水源、碳排放指标、燃料输送以及输送管线，还可以将远端型电站的电能输送到负载中心[10]。例如，乌东德电站送电广东、广西的特高压多端直流工程，在8 000 MW 的电压等级为8 000 MPa，深圳电力公司为5 000 MW，如果按照2×600 MW 的9H 型火力发电厂计算，深圳将会有4 个当地供电项目。

3.3 动态无功支撑

柔性直流输电自身可以作为静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）来实现交流母线电压的稳定。STATCOM 是当今国际上比较前沿的一种技术，也是柔性传输技术的一个主要内容。STATCOM 作为一种控制无功的电流源，可以迅速改变负载的无功电流，从而对电网的无功功率进行有效动态补偿。

柔性直流输电可以对交流网进行动态无功和有功调整，其功能类似于一个具有很低惯性的静止发电机，可以稳定交流电网的电压和频率，从而有效地改善了电力系统的电力供应。通过对瞬时无功进行补偿，使其具有较好的抗大容量能力，以保证城市电力系统的安全和可靠运转。另外，挠性控制器具有较高的反应速度，可在发生事故后的一次摇动中为其供电，延迟了发电机的加速度，提高了一次摆动的稳定性，这是其他常规传输或补偿设备不具备的。

3.4 故障后黑启动

针对城区电网的负载核心区域，当地供电的施工比较困难，特别是黑启动供电的短缺；而负载中心一般由各大应急指挥中心和核心基础设施组成的关键客户组成，对电力系统的抗灾、故障后的迅速恢复有很大需求。

柔性直流输电具有“黑启动”功能，在交流系统的一头出现故障或断电时，可以立刻激活基准电压，提供给被切断的交流系统，就像是一台备用的发电机，可以提供电力。柔性直流输电装置作为安全供电和快速的弱交流电网的启动装置，可为无源网提供电力，迅速地进行有功及无功的调节，并能用于交变电网的黑启动，从而保证在黑启动期间，电网的电压和频率保持稳定。

3.5 应对城市电网建设难度大

由于征地、拆迁、环评阻力等问题，在城市电力系统的500 kV 变电站或220 kV 的线路上，由于施工时间较长，难以适应电力系统的供电要求。

经有关调查，对于同一横断面的架空线，其传输的直流电力可以达到传输的交流电力的2.7 倍。由于其不需要连接N-1，在同一架空线中，柔性直流传输的传输容量将是交流的5 倍，因此使用柔性直流输电通道可以节约大量的走廊资源。根据柔性直流输电通道的集约化和高效率特性，采用模块化设计，可以大大减少设计、制造、安装以及调试周期，能很好地解决城市电网建设难度大和建设周期长等问题。