李 懿，馬振會(huì)

（1.舟山電力局，浙江 舟山 316021；2.浙江百能科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

由于特殊的地理環(huán)境，海島電力輸送存在傳輸距離遠(yuǎn)、用戶(hù)分散、線(xiàn)路損耗大等特點(diǎn)。最近幾年舟山港口海洋經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，電力負(fù)荷呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，使得原有交直流系統(tǒng)在現(xiàn)有運(yùn)行方式下逐漸難以滿(mǎn)足海島輸電對(duì)供電可靠性、電能質(zhì)量、線(xiàn)路損耗等方面提出的高要求。只有在未來(lái)海島電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中尋找一種全新的輸電技術(shù)模式，才能有效解決以上這些制約海島電力發(fā)展的瓶頸性問(wèn)題。

柔性直流輸電（VSC-HVDC）被認(rèn)為是繼交流輸電、常規(guī)直流輸電之后的第三代輸電技術(shù)。與前兩代輸電技術(shù)相比，其最大的優(yōu)勢(shì)是在傳輸電能的同時(shí)，還能夠靈活調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的電壓，提高輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

在海島電力系統(tǒng)中加入柔性直流輸電系統(tǒng)，可以解決原電網(wǎng)中存在的問(wèn)題。與傳統(tǒng)輸電模式相比較，柔性直流技術(shù)擁有緊湊化、模塊化設(shè)計(jì)，易于移動(dòng)、安裝、調(diào)試和維護(hù)，便于擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)多端輸電等特點(diǎn)，所以將柔性直流技術(shù)應(yīng)用于海島輸電工程中有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 海島地區(qū)輸電現(xiàn)狀與特點(diǎn)

1.1 舟山地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀

舟山群島地處我國(guó)東南沿海，長(zhǎng)江與錢(qián)塘江入海交匯處，杭州灣外緣的東海洋面上，作為我國(guó)唯一以群島設(shè)立的地級(jí)市，舟山下轄兩區(qū)兩縣，總面積為2.22萬(wàn)km2，其中陸地面積1 440 km2，海域面積2.08萬(wàn)km2。

舟山電網(wǎng)是浙江省十一個(gè)地市電網(wǎng)中唯一的海島電網(wǎng)，由舟山主網(wǎng)與嵊泗電網(wǎng)兩部分組成。目前主網(wǎng)最高電壓等級(jí)為220 kV，主要通過(guò)昌洲變至寧波春曉變兩回220 kV交流線(xiàn)路和大豐變至寧波江南變、岑港變至寧波江南變、雙嶼變至寧波蘆江變?nèi)?10 kV交流線(xiàn)路與大陸電網(wǎng)相聯(lián)。嵊泗電網(wǎng)通過(guò)110 kV海纜與舟山主網(wǎng)互聯(lián)，通過(guò)±50 kV直流海纜與上海電網(wǎng)互聯(lián)。

截止2010年底，舟山電網(wǎng)共有220 kV變電站2座，變電容量72萬(wàn)kVA；110 kV變電站13座，變電容量108.9萬(wàn)kVA，全網(wǎng)最高負(fù)荷約為78.1萬(wàn)kW，全社會(huì)用電量約為41億kWh。

1.2 海島發(fā)輸電的特點(diǎn)

在電源方面，截止2010年底，舟山共有裝機(jī)容量67.51萬(wàn)kW，其中6 000 kW及以上裝機(jī)63.05萬(wàn)kW，裝機(jī)容量最大的發(fā)電廠(chǎng)為舟山發(fā)電廠(chǎng)（56萬(wàn)kW）。由于輸送距離較遠(yuǎn)，部分邊遠(yuǎn)島嶼上的電力供應(yīng)仍靠?jī)r(jià)格昂貴的自備柴油發(fā)電機(jī)組來(lái)維持，容量小、成本高、損耗大。對(duì)于沒(méi)有穩(wěn)定電網(wǎng)的海島地區(qū)而言，通過(guò)跨海架空線(xiàn)路或海底電纜逐步實(shí)現(xiàn)島嶼互聯(lián)，采取由大電網(wǎng)集中統(tǒng)一供電才是提高海島輸電效率的有效途徑。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展估計(jì)，舟山市“十二五”期間用電量仍將保持較快的增長(zhǎng)勢(shì)頭，預(yù)計(jì)2015年全市最高負(fù)荷與用電量將分別達(dá)到138.4萬(wàn)kW，67.6億kWh，年均增長(zhǎng)率將分別為12.1%，10.5%。顯然，現(xiàn)有發(fā)電裝機(jī)容量已無(wú)法滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)的需要。

在網(wǎng)架方面，當(dāng)前舟山電網(wǎng)雖然已擁有部分220 kV輸電線(xiàn)路，但是境內(nèi)仍以原有110 kV線(xiàn)路為輸電網(wǎng)絡(luò)主體，結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，局部區(qū)域110 kV環(huán)網(wǎng)內(nèi)潮流已達(dá)到輸電線(xiàn)路輸送限額，線(xiàn)路故障跳閘解環(huán)后，輸電能力已無(wú)法滿(mǎn)足供電需求。電網(wǎng)電壓等級(jí)匹配還不夠合理，35 kV電壓等級(jí)設(shè)備仍大量存在，重復(fù)降壓?jiǎn)栴}比較突出，線(xiàn)路損耗較大。部分島嶼上的配電網(wǎng)構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，負(fù)荷容量較小且日負(fù)荷波動(dòng)水平很大，造成電網(wǎng)電能質(zhì)量低下，供電可靠性較低。

海島輸電與大陸常規(guī)輸電方式相比有較大不同，主要依靠?jī)煞N途徑：

（1）超高度、長(zhǎng)跨距，能承受臺(tái)風(fēng)、鹽霧、雷擊等惡劣氣候條件的高塔跨海架空輸電線(xiàn)路。

（2）具有鎧裝與金屬護(hù)套結(jié)構(gòu)的海底電力電纜線(xiàn)路。

由于舟山人多地少，陸域面積狹窄，土地資源緊張，致使海島電網(wǎng)建設(shè)的變電站選址和輸電線(xiàn)路走廊選擇均較為困難，政策處理難度較大。同時(shí)由于災(zāi)害性天氣出現(xiàn)較為頻繁，鹽霧對(duì)設(shè)備腐蝕較為嚴(yán)重，導(dǎo)致海島電網(wǎng)的基本建設(shè)和日常運(yùn)維成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大陸電網(wǎng)，在一段時(shí)間內(nèi)網(wǎng)架性缺電和電源性缺電問(wèn)題還同時(shí)存在。

2 柔性直流輸電技術(shù)

2.1 柔性直流系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

柔性直流輸電技術(shù)又可稱(chēng)為電壓源變換器高壓直流輸電技術(shù)，是以絕緣柵雙極晶體管（IGBT）組成的電壓源變換器（VSC）為基礎(chǔ)構(gòu)成的新一代高壓直流輸電技術(shù)。

全控型器件IGBT使柔性直流輸電系統(tǒng)能夠工作在無(wú)源逆變方式下，不需要外加換相電壓，受端系統(tǒng)可以為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)；VSC可以同時(shí)且相互獨(dú)立地控制有功功率和無(wú)功功率，控制靈活方便；系統(tǒng)不需要交流側(cè)提供無(wú)功功率且能夠起到靜態(tài)同步補(bǔ)償（STATCOM）的作用，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線(xiàn)無(wú)功功率，穩(wěn)定交流電壓；換流站間無(wú)需通信，且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。柔性直流輸電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，送端站和受端站均采用了VSC結(jié)構(gòu)。換流站由換流橋、聯(lián)接變壓器、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器等組件組成。每個(gè)橋臂由多個(gè)IGBT串聯(lián)而成。換流變壓器（電抗器）是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶，同時(shí)也起到濾波的作用。直流電容器可以為受端站提供電壓支撐、緩沖橋臂開(kāi)斷的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波。交流濾波器能夠?yàn)V除交流側(cè)的諧波。

2.2 基本工作原理

電壓源型換流器基本工作原理如圖2所示。通過(guò)調(diào)制波與三角載波比較產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，使VSC上下橋臂的開(kāi)關(guān)管高頻開(kāi)通和關(guān)斷，則橋臂中點(diǎn)電壓Uc在固定電壓+Ud和-Ud之間快速切換，Uc再經(jīng)過(guò)電抗器濾波后為網(wǎng)側(cè)的交流電壓Us。

在忽略換流電抗器損耗和諧波分量時(shí)，VSC交流母線(xiàn)電壓基頻分量Us與交流輸出電壓的基頻分量Uc共同作用于換流變壓器和換流電抗器，并決定了VSC與交流系統(tǒng)間交換的有功功率P和無(wú)功功率Q分別為：

圖2 柔性直流單相工作示意圖

式中：δ為Uc和Us之間的相位差；X為換流電抗器的電抗與連接變壓器的漏抗之和。

柔性直流系統(tǒng)通過(guò)對(duì)δ的控制來(lái)控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小，通過(guò)控制Uc實(shí)現(xiàn)對(duì)VSC發(fā)出或者吸收無(wú)功功率的控制。

當(dāng)δ＜0時(shí)，系統(tǒng)吸收有功功率，VSC運(yùn)行于整流狀態(tài)；當(dāng)δ＞0時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出有功功率，VSC運(yùn)行于逆變狀態(tài)。

當(dāng)（Us-Uccosδ）＞0時(shí)，系統(tǒng)吸收無(wú)功功率； 當(dāng)（Us-Uccosδ）＜0時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率。

2.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

柔性直流輸電系統(tǒng)可直接用于向無(wú)源交流系統(tǒng)的輸電。由于電壓源變換和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的使用，柔性直流系統(tǒng)送受兩端省去了換流變壓器，只需在交流母線(xiàn)上安裝一組高通濾波器便可實(shí)現(xiàn)向遠(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷（如遠(yuǎn)離陸地電網(wǎng)的海島）供電，并且在同等輸送容量下土建工程占地面積小于HVDC換流站。

運(yùn)用柔性直流輸電技術(shù)將遠(yuǎn)?；蚪u嶼接入交流系統(tǒng)，能克服交流接入中的瓶頸問(wèn)題。柔性直流系統(tǒng)不會(huì)增加交流系統(tǒng)的短路容量，即增加新的柔性直流輸電線(xiàn)路后，交流系統(tǒng)的保護(hù)整定無(wú)需改變。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，柔性直流系統(tǒng)能夠有效地隔離故障，保證海上可再生能源電站以及海島電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，在系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，海上可再生能源電站可以通過(guò)柔性直流輸電系統(tǒng)為系統(tǒng)提供“黑啟動(dòng)”電源。

2.4 柔性直流技術(shù)工程實(shí)踐

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)投入商業(yè)運(yùn)行的柔性直流輸電工程，而國(guó)際上已有13項(xiàng)，其中7項(xiàng)在歐洲，3項(xiàng)在北美洲，2項(xiàng)在大洋洲，1項(xiàng)在非洲。據(jù)了解，以上這些工程都取得了較好的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)。

國(guó)際上在建的柔性直流輸電工程也有很多，主要應(yīng)用在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方面，而且所有在建工程均涉及直流海纜，如愛(ài)爾蘭至英國(guó)的East West Interconnector工程、瑞典至立陶宛的Nord Balt工程、愛(ài)沙尼亞至芬蘭的Estlink 2工程和挪威至丹麥的Skagerrak HVDC Interconnections工程等。

國(guó)內(nèi)唯一在建的柔性直流項(xiàng)目為上海南匯風(fēng)電場(chǎng)柔性直輸電工程。該工程作為國(guó)家電網(wǎng)2010年智能電網(wǎng)建設(shè)體系的重大科技示范項(xiàng)目和堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)第二批試點(diǎn)項(xiàng)目，包括2個(gè)直流換流站和1條長(zhǎng)度為8 km，示范容量為20 MVA，直流電壓為+30 kV的輸電線(xiàn)路。2011年2月28日，該工程直流換流站已充電啟動(dòng)成功。

3 在海島輸電中的推廣應(yīng)用展望

3.1 海島輸電中優(yōu)勢(shì)明顯

直流輸電線(xiàn)路造價(jià)和年運(yùn)行費(fèi)低，不存在兩端交流系統(tǒng)同步運(yùn)行穩(wěn)定問(wèn)題，且沿線(xiàn)電壓分布均勻，無(wú)線(xiàn)電干擾小，線(xiàn)路損耗低。與交流輸電相比，使用直流輸電技術(shù)進(jìn)行海島電網(wǎng)互聯(lián)更具有優(yōu)勢(shì)。

圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

由于柔性直流技術(shù)是從常規(guī)直流輸電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，故傳統(tǒng)直流輸電所具有的優(yōu)點(diǎn)，柔性直流輸電系統(tǒng)大都具備，并且柔性直流系統(tǒng)擁有比傳統(tǒng)直流系統(tǒng)占地更小、安裝維護(hù)更方便、噪聲環(huán)境干擾更低等突出優(yōu)點(diǎn)。

海島柔性直流輸電聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)可選用海底電力電纜實(shí)現(xiàn)，在鋪設(shè)時(shí)可以使用直埋技術(shù)，不僅降低了工程成本、縮短了工程時(shí)間，而且還減小了對(duì)自然環(huán)境的影響，有利于海洋資源的保護(hù)。

柔性直流輸電技術(shù)擁有能夠瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的獨(dú)立耦合控制等獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，除了將其應(yīng)用在通過(guò)海底電力電纜進(jìn)行島嶼間跨海輸電聯(lián)網(wǎng)以外，還可將其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的對(duì)外輸送上。

3.2 可利用豐富的海岸風(fēng)電資源

浙江省風(fēng)能資源豐富，已將風(fēng)電作為新能源建設(shè)的重點(diǎn)。根據(jù)《浙江省風(fēng)能資源評(píng)估報(bào)告》，全省陸地風(fēng)能資源為2 100萬(wàn)kW，技術(shù)開(kāi)發(fā)量約130萬(wàn)kW；海岸到近海20 m等深線(xiàn)以?xún)?nèi)海域風(fēng)能資源儲(chǔ)量約6 200萬(wàn)kW，技術(shù)開(kāi)發(fā)量約4 100萬(wàn)kW。

舟山地區(qū)擁有豐富的風(fēng)能資源，特別是近海海域，年平均風(fēng)速在6～7 m/s，是建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)良選址區(qū)域。按照《舟山市風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃報(bào)告》規(guī)劃要求，到2015年全市風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量達(dá)到87萬(wàn)kW，其中陸上風(fēng)電場(chǎng)27萬(wàn)kW，近海風(fēng)電場(chǎng)60萬(wàn)kW。

目前定海岺港風(fēng)電工程（總裝機(jī)4.5萬(wàn)kW）已于2011年6月順利投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)年發(fā)電量可達(dá)8 956萬(wàn)kWh。定海長(zhǎng)白和小沙風(fēng)電場(chǎng)（總裝機(jī)3.78萬(wàn)kW）、嵊泗風(fēng)電場(chǎng)（總裝機(jī)4.95萬(wàn)kW）、岱山長(zhǎng)涂島及拷門(mén)風(fēng)電場(chǎng)（總裝機(jī)6.5萬(wàn)kW）等一批新能源發(fā)電項(xiàng)目也正在規(guī)劃和建設(shè)中。

開(kāi)發(fā)清潔能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、加快海島風(fēng)力資源開(kāi)發(fā)利用、改變電能來(lái)源單一的現(xiàn)狀，既可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，又在一定程度上緩解電力供應(yīng)較為緊張的局面。

由于風(fēng)能變化存在隨機(jī)性，預(yù)測(cè)難度較大，所以當(dāng)前風(fēng)電接入系統(tǒng)并網(wǎng)方式和調(diào)度控制技術(shù)成為新能源電力開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。海島風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)往往裝機(jī)容量相對(duì)較小、電能質(zhì)量不高并且遠(yuǎn)離主網(wǎng)，若要將來(lái)自不同發(fā)電機(jī)組的電能送到同一電網(wǎng)，機(jī)組相互間的有功功率分布會(huì)使系統(tǒng)局部波動(dòng)增大，并且還需要配合足夠的無(wú)功補(bǔ)償。

如果將柔性直流輸電技術(shù)運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)和調(diào)度控制，可以有效抑制并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的電壓波動(dòng)（閃變），改善并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，精確控制有功功率潮流，大幅改善風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能和提高輸送容量。

4 結(jié)語(yǔ)

海島輸電工程是海島電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，是支撐地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展、核心器件制造成本的降低、設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度的提高，柔性直流輸電技術(shù)較其他技術(shù)將更具競(jìng)爭(zhēng)力，將其廣泛應(yīng)用在沿海島嶼輸電、新能源風(fēng)電并網(wǎng)、微電網(wǎng)分布式發(fā)電、海上石油鉆井平臺(tái)供電等方面是完全可行的。

由于柔性直流輸電技術(shù)具有傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)和交流輸電技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)，所以將柔性直流技術(shù)應(yīng)用于海島輸電工程能夠更好地滿(mǎn)足跨海電力輸送需要。采用柔性直流輸電海底電纜對(duì)邊遠(yuǎn)島嶼進(jìn)行輸電，可以避免交流輸電的多種不利因素，柔性直流輸電技術(shù)將逐漸成為未來(lái)海上輸電的主要技術(shù)發(fā)展方向。

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