林彥飛

摘 要：本文首先介紹了柔性直流輸電的應(yīng)用原理以及技術(shù)特點，對這種技術(shù)的國內(nèi)外研究以及應(yīng)用動態(tài)做了相關(guān)闡述，探討了這種技術(shù)的應(yīng)用評價，為大家提供參考。

關(guān)鍵詞：柔性直流；高壓直流輸電；城市電網(wǎng)；應(yīng)用

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）24-0113-02

1 柔性直流輸電技術(shù)概述

1.1 系統(tǒng)原理

柔性直流輸電技術(shù)是一種新型的直流輸電技術(shù)，它的核心是通過電壓源換流器（VSC）進(jìn)行換流，這種電壓源換流器是由全控型器件組成的。這種換流器的體積非常小，但是功能非常強，可以減少換流站的設(shè)備以及簡化其結(jié)構(gòu)，也可以稱作輕型直流輸電。它的系統(tǒng)原理，如圖1表示。

在這個圖中可以看到，有一個電壓源換流器VSC1用作整流器，另一個電壓源換流器VSC2用作逆變器。主要的部件是直流側(cè)電容器以及全控?fù)Q流橋。直流側(cè)電容器為換流器提供一定的電壓支撐，因此，直流電壓的穩(wěn)定性對整個換流器可以正常可靠運行起到?jīng)Q定性的影響；

全控?fù)Q流橋在每個橋臂上會有很多個可關(guān)斷器件組成，比如，門極可關(guān)斷晶體管、絕緣柵雙極晶體管等，這些晶體管可以在一定條件下滿足容量需求。換流電抗器和換流變壓器對整個系統(tǒng)的運行發(fā)揮能量交換以及濾波的作用；濾波器的用途主要是濾除交流側(cè)諧波。

如果換流電抗器是無損耗的，換流器與電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖以及無功功率Q可以采用以下公式來計算。

p=■sinσ

Q=■

在這個公式中，UC代表換流器輸出電壓值；US代表交流母線的電壓值；X代表交流電抗器與混流變壓器的電抗值。

通過這個公式可以知道UC決定了無功功率的傳輸，而換流器的電壓值是由電壓的脈沖寬度控制的。柔性直流輸電技術(shù)是在一些大功率全控型器件組成的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的電壓源換流器，同時由高壓直流輸電的電纜出現(xiàn)以后，通過使用脈寬調(diào)制控制技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的。也就是說，正弦脈寬調(diào)制控制技術(shù)是柔性直流輸電技術(shù)的核心技術(shù)。

1.2 技術(shù)特點

第一，VSC電流可以自行關(guān)斷，可以在無源逆變的情況下進(jìn)行工作，不需要采用外加的換相電壓，對于受端系統(tǒng)也可以是無源網(wǎng)絡(luò)。這個特點改變了傳統(tǒng)的輸電技術(shù)需要在有源網(wǎng)絡(luò)才能進(jìn)行的缺點，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電。

第二，在電流正常運行的情況下，VSC可以對有功功率和無功功率同時進(jìn)行獨立的控制，控制方式也更加方便和靈活。而傳統(tǒng)的輸電技術(shù)只能對觸發(fā)角進(jìn)行控制，對有功功率和無功功率不能做到單獨控制。

第三，VSC在不需要提供無功功率的情況下就可以自動起到動態(tài)補償?shù)淖饔?，可以動態(tài)補償母線的無功功率，使母線電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說在出現(xiàn)故障時，如果VSC的容量控制在一定范圍以內(nèi)，柔性直流輸電系統(tǒng)就可以直接向有故障系統(tǒng)提供有功功率的動態(tài)補償，同時也可以進(jìn)行無功功率的動態(tài)補償，這樣就可以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，而且也提高了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

第四，柔性直流輸電系統(tǒng)在進(jìn)行反轉(zhuǎn)時，直流電壓的極性不會發(fā)生變化而直流電流方向會發(fā)生發(fā)轉(zhuǎn)，這個特點也正好與傳統(tǒng)的HVDC恰恰相反。這個特點非常方便的使系統(tǒng)構(gòu)成對潮流反轉(zhuǎn)情況進(jìn)行有效控制，而且對并聯(lián)多端的直流系統(tǒng)也能充分發(fā)揮可靠性。相對于傳統(tǒng)的HVD系統(tǒng)對潮流反轉(zhuǎn)的控制非常不方便的同時還會影響并聯(lián)時的可靠性有了很大的進(jìn)步。

第五，因為VSC的交流側(cè)電流可以被控制，因此，不需要系統(tǒng)進(jìn)行增加相應(yīng)的短路功率。也就是說，系統(tǒng)在增加另外的輸電線路以后，交流系統(tǒng)的整體保護(hù)不會被改變。

第六，VSC采用脈寬調(diào)制控制技術(shù)，開關(guān)的頻率會比較高，在通過濾波以后就可以得到需要的交流電壓，不需要變壓器，換流站的結(jié)構(gòu)也會被進(jìn)一步簡化，使需要的濾波裝置相對減小很多。

第七，柔性直流輸電系統(tǒng)采用這種模塊化的設(shè)計在生產(chǎn)、安裝、調(diào)試以及直流輸電的設(shè)計方面都大大縮短周期。另外，對換流站的占地面積也減小很多，只有傳統(tǒng)直流輸電的20%左右。

第八，換流站的通訊不是必須的，在無人監(jiān)管的情況下可以自動對控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)控制。

第九，柔性直流輸電系統(tǒng)如果在電網(wǎng)發(fā)生故障以后可以很快的恢復(fù)其控制能力。

第十，柔性直流輸電系統(tǒng)中如果是連接兩個相對獨立的交流系統(tǒng)，在一側(cè)的交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者受到擾動時對另一側(cè)的交流系統(tǒng)和換流器的運行不會產(chǎn)生影響。

2 柔性直流輸電在城市電網(wǎng)中應(yīng)用的可行性分析

2.1 現(xiàn)實性因素

城市中心的交流線路如果要增加新的輸電容量是很難做到的，直流電纜要比交流電纜需要的空間要小，但是輸送的容量要比交流電纜大很多，所以說城市中心需要更多的電力，直流電纜的應(yīng)用是目前解決這些問題的最好方法。主要表現(xiàn)是：

第一，提高城市電網(wǎng)的供電能力，滿足城市電量增長需求。柔性直流輸電使用的電纜是一種新型的直流電纜，具有輸電能力強而且占用的空間非常小，可以安裝在輸電走廊內(nèi)或者交流電纜管內(nèi)，供電能力進(jìn)一步保證，滿足用電的負(fù)荷需求。

第二，為城市用電負(fù)荷提供無功支撐，不會受到其他條件對其造成的限制。柔性直流輸電可以對有功和無功做到獨立控制，對有功功率做到靈活、快速控制，對母線的無功功率做到動態(tài)補償，使母線電壓進(jìn)一步穩(wěn)定。這個優(yōu)勢可以很好的緩解城市大量用電緊張造成的無功缺乏問題，為城市負(fù)荷提供無功支撐，為城市電網(wǎng)的運行穩(wěn)定提供保障。

第三，提高城市電網(wǎng)的可控性和安全穩(wěn)定性。柔性直流輸電對多目標(biāo)快速控制的能力，對運行中的潮流反轉(zhuǎn)可以進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，在出現(xiàn)故障時可以快速緊急支援。另外，對系統(tǒng)的可控性和抗擾動能力進(jìn)一步增強，使城市運行保持正常穩(wěn)定，不會增加短路容量，進(jìn)一步提高了電能質(zhì)量。

第四，提高城市電網(wǎng)建設(shè)的可行性，為電力建設(shè)提供成本。柔性直流輸電結(jié)構(gòu)占用空間小、結(jié)構(gòu)非常緊湊，直流電纜安裝非常簡單，機械的強度非常好、重量非常輕，尤其是它是無油、無線電干擾非常小、電磁輻射非常小，對城市設(shè)施和環(huán)境保護(hù)有效協(xié)調(diào)，在節(jié)約征地、賠償?shù)确矫婀?jié)省建設(shè)成本。

2.2 輸電成本評估

輸電線路的成本包括運行成本以及基礎(chǔ)設(shè)施的投資。運行成本主要針對的是損耗方面；基礎(chǔ)設(shè)施的投資主要是線路走廊、絕緣子、導(dǎo)線、終端設(shè)備以及桿塔等方面。直流線路和交流線路來比較，在輸送功率水平一定的情況下，直流線路的桿塔更簡單便宜，需要的走廊相對更窄，總體的成本會更低。

直流導(dǎo)體的電暈效應(yīng)相對于交流導(dǎo)體的電暈效應(yīng)要小很多，而且輸電線路成本的影響因素還有終端設(shè)備的成本以及無功補償。柔性直流線路雖然不需要無功補償，采用的濾波器也非常小，但是它的換流器終端設(shè)備成本是非常高的。通過實踐表明，隨著大功率電力設(shè)備成本的不斷降低，對換流站的模塊設(shè)計進(jìn)一步完善，那么換流站的成本也會不斷的降低。

2.3 綜合評估

對城市供電方式可以從三個方面進(jìn)行綜合評估，即可實施性、經(jīng)濟性以及系統(tǒng)性能。雖然柔性直流輸電相對于交流輸電在總體成本上投資要大一些，經(jīng)濟性能會差一些，但是它的占地面積比較小，與環(huán)境會更加協(xié)調(diào)，在未來的電力建設(shè)中可實施性會更強，能夠滿足未來電力的發(fā)展趨勢。另外，柔性直流輸電本身所具有的這些特性在很大程度上改善了原有的系統(tǒng)特性，在系統(tǒng)的支持效應(yīng)上發(fā)揮更強的作用，所以，對各項指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮和對比之后，還是柔性直流輸電有更大的優(yōu)勢。

3 柔性直流輸電在實際的應(yīng)用分析

柔性直流輸電技術(shù)通過以上工作原理以及技術(shù)特點的介紹，作為一種新型的直流輸電技術(shù)在電網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要適用于連接比較分散的小型發(fā)電廠；向偏遠(yuǎn)的地方進(jìn)行供電；構(gòu)建城市直流輸配電網(wǎng)；海上進(jìn)行供電；相同額定頻率以及不同額定頻率之間的非同步運行；通過這種柔性直流輸電的連接對地區(qū)的供電商之間交換電力提供了可行性，使電力的運行更加可靠和靈活。

例如，北京、上海以及廣州等大城市空調(diào)的使用和負(fù)荷主要依賴于市中心的動態(tài)電壓支撐，由于大城市對環(huán)境以及占地問題非常重視，所以電廠需要從市中心轉(zhuǎn)移或者從外地輸入大量電力。經(jīng)過統(tǒng)計調(diào)查，北京大約2/3的電力都是需要從外地輸入的，如果采用柔性直流輸電技術(shù)就能大大緩解這種壓力。

例如，將這種柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用在孤島以及海上鉆井平臺中也發(fā)揮了重要意義。我國常住人口海島有430多個，占海島總數(shù)的6%，占海島總面積的95%以上，常住人口也有450多萬，海上用電是一個復(fù)雜的問題。海上鉆井平臺使用的是獨立的燃?xì)廨啓C或者使用柴油機組進(jìn)行發(fā)電，效率比較低只有20%～25%，而且消耗大量的燃料，釋放大量的CO2。如果應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù)就會解決這些問題，不僅提高發(fā)電效率，而且減少污染，減少鉆井平臺發(fā)電設(shè)備的高額維修費用。

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