林夏妮

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展趨勢，全球各個(gè)行業(yè)都在尋求一體化、互聯(lián)化，電力系統(tǒng)作為世界的通用能源之一，構(gòu)建一個(gè)全球電力能源互聯(lián)網(wǎng)是極為重要的。但是電力的互聯(lián)方式要求較高，需要應(yīng)用柔性直流輸電技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)，因此本文將從柔性直流輸電技術(shù)入手，對柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展、技術(shù)、控制保護(hù)等方面進(jìn)行分析，并提出了柔性直流輸電技術(shù)在全球能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用方案，旨在為相關(guān)人員提供參考意見。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電技術(shù)；全球能源互聯(lián)；互聯(lián)方案；

1、柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展

柔性直流輸電技術(shù)最早是在1990年由加拿大大學(xué)學(xué)者提出的，瑞士ABB公司在此基礎(chǔ)上提出了輕型高壓直流輸電技術(shù)，將聚合物電纜和電壓源換流器通過技術(shù)手段進(jìn)行結(jié)合，并在瑞典進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，取得了較好的效果，國際大電網(wǎng)會(huì)議因此將其定義為VSC HVDC，翻譯為電壓源換流器型高壓直流輸電，在中國簡稱為柔性直流輸電[1]。

柔性質(zhì)量輸電技術(shù)在孤島供電、大型城市供電、可再生能源發(fā)并網(wǎng)等領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍。其換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種，可控開關(guān)型的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可控電源型的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常見的有三相兩電平、三相三電平、模塊化多電平等，但是在2011年以后，柔性直流輸電工程當(dāng)中都開始采用模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟K化多電平換流器具有輸出波形質(zhì)量高、開關(guān)頻率低、處理故障能力強(qiáng)等優(yōu)勢[2]。

2、柔性直流輸電換流器技術(shù)

柔性直流輸電換流器根據(jù)橋臂等效特性將換流器分為可控電源型和可控開關(guān)型，可控電源型換流器的各個(gè)橋臂中分散著儲(chǔ)能電容，因此可以通過對橋臂等效電壓的改變來實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸出電壓的變化[3]。比較典型的代表就是模塊化多電平換流器，可通過改變橋臂內(nèi)串聯(lián)子模塊個(gè)數(shù)來完成等效電壓的改變，根據(jù)子模塊的類型可分為鉗位雙子模塊型、全橋型、半橋型等；級聯(lián)兩電平換流器也屬于可控電源換流器，它是由半橋電路級聯(lián)而成的。模塊化多電平換流器具有無需濾波裝置、模塊化設(shè)計(jì)、開關(guān)頻率應(yīng)力低、諧波含量少、電壓畸變率低等優(yōu)點(diǎn)。但是缺點(diǎn)也比較明顯，因?yàn)榇?lián)的子模塊很多，所以增加了系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量，加大了對控制系統(tǒng)的要求，并且無法在直流出現(xiàn)故障的時(shí)候?qū)涣鬟M(jìn)行隔離，使得安全性不高。

可控開關(guān)型換流器可以通過相應(yīng)的脈寬調(diào)制技術(shù)來控制橋臂的斷通，但是因?yàn)闃虮鄞嬖诖罅康拇?lián)開關(guān)器件，所以需要注意因開關(guān)通斷引起的動(dòng)態(tài)靜態(tài)均壓問題。兩電平換流器的運(yùn)行控制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都比較簡單，但是交直流側(cè)含有大量的諧波，需要加裝濾波器，同時(shí)開關(guān)頻率也比較高，使得換流器的損耗比較大；三電平換流器的開關(guān)頻率比較低，諧波含量比較少，但是結(jié)構(gòu)卻比較復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性不好，可靠性不高。

3、柔性直流輸電控制和保護(hù)

柔性直流換流站級控制系統(tǒng)可以滿足系統(tǒng)正常的啟停操作和穩(wěn)態(tài)的功率調(diào)節(jié)，包括無功和有功兩類控制器，無功控制器實(shí)現(xiàn)了對于交流電壓、無功功率的控制，有功控制器實(shí)現(xiàn)了對直流電壓、有功功率的控制，運(yùn)行的時(shí)候，二者互相配合又獨(dú)立控制，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[4]。

柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)不同于常規(guī)的直流輸電，其閥級的控制保護(hù)系統(tǒng)更加復(fù)雜，特別是在模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)中，對于閥體的保護(hù)主要由閥級控制器來完成，換流站級控制器的作用微乎其微。因此對于保護(hù)控制的時(shí)機(jī)要求比較高，必須要高速同步控制，滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。

4、柔性直流輸電技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

全球能源互聯(lián)網(wǎng)的電力系統(tǒng)雛形包含了直流電壓母線和交流電壓母線，為保證電磁環(huán)網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)功率雙向可控，減少交流系統(tǒng)的短路容量，各個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的連接采取了柔性直流技術(shù)，連接方案常見以下兩種。

4.1中壓直流互聯(lián)方案

中壓直流互聯(lián)方案如圖1所示，通過柔性互聯(lián)方式連接110kV的變電站，每個(gè)變電站母線的開關(guān)S閉合。這種方案的優(yōu)勢比較明顯：該方案系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)主變都能互為“熱備用”，從而省去了單臺主變的備用容量，進(jìn)而降低設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本；電壓源換流器能夠自主調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)潮流的主動(dòng)控制；能夠提升每個(gè)主變的負(fù)載率，使得總變的損耗降低；電壓源換流器換流站可以提供無功功率，能夠免去常規(guī)的無功補(bǔ)償設(shè)備；能實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能裝置的集中接入；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各組成之間的互聯(lián)，優(yōu)化能源的利用。

變壓器在配電系統(tǒng)中的能量損耗是極大的，主要包括負(fù)載損耗和空載損耗兩部分，其中負(fù)載損耗是可變的，它隨著負(fù)荷的增大而增大；空載損耗屬于固定損耗，只受變壓器容量的影響。該方案雖然增加了平均的負(fù)載率，但是能夠明顯的降低損耗量。隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的推廣普及，對于電力的接入方式也提出了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)槿剂想姵睾凸夥l(fā)電是直流電，需要變換之后才能接入電網(wǎng)；風(fēng)力發(fā)電具有不穩(wěn)定性和間歇性，也需要變換才能接入電網(wǎng)；目前比較火熱的電動(dòng)汽車也需要在交流電網(wǎng)中加入變換結(jié)構(gòu)來進(jìn)行充電。因此建設(shè)直流電網(wǎng)能夠很好的解決這一問題，降低了傳輸?shù)膿p耗，減少了設(shè)備的支出，更加實(shí)用和便捷[5]。

4.2低壓直流入戶方案

電力的普及也具有一定的隱患，除了影響人們的生命安全外，對于企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益也有很大的作用。例如銀行的數(shù)據(jù)處理中心、芯片制造商等高精尖企業(yè)，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，會(huì)對其產(chǎn)能、數(shù)據(jù)的安全造成一定的影響，出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量問題主要為電流、電壓、頻率等出現(xiàn)偏差，但是在直流電網(wǎng)中不會(huì)出現(xiàn)這類問題，而且許多辦公設(shè)備是直接用直流供電的，因此可以對直流負(fù)荷較大的用戶采用直流形式來供電，不但能降低傳輸?shù)膿p耗，還免去了變流的過程，保證了同步穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)效益更好[6]。

低壓直流入戶有兩種方案，為提高機(jī)房服務(wù)器負(fù)荷的接入率，將配電母線由交流改為直流，使得服務(wù)器負(fù)荷通過Buck電路接到直流配電母線上，省去了UPS系統(tǒng)的逆變器，該方案如圖2所示。

方案2對于方案1增加了一個(gè)直流母線，將其作為數(shù)據(jù)中心的直流負(fù)荷、變頻負(fù)荷、分布式電源的能量交換環(huán)節(jié)。雖然變頻和直流負(fù)荷少了整流環(huán)節(jié)，但是交流母線到直流配電過程增加了變流環(huán)節(jié)。在分布式電源接入環(huán)節(jié)有較大的優(yōu)勢，減少變流環(huán)節(jié)能夠降低投資，提升傳輸性能，因此比較適用于電源滲透率較高的情況。

結(jié)束語：本文對柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展、技術(shù)、控制保護(hù)等方面進(jìn)行了分析，同時(shí)提出幾點(diǎn)柔性直流輸電技術(shù)在全球能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用方法，相關(guān)人員在進(jìn)行參考的時(shí)候要注意結(jié)合實(shí)際的情況來選擇方案的使用，并對現(xiàn)有的方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，不斷的摸索新的辦法，推動(dòng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李全建. 分布式發(fā)電單元接入的柔性直流輸電系統(tǒng)的控制研究[D].山東大學(xué)，2016.

[2]劉一琦. 多端柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]趙朗. 含柔性直流輸電的交直流混合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[D].華北電力大學(xué)（北京），2016.

[4]劉曉倩. 柔性直流換流系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁騷擾特性研究[D].華北電力大學(xué)，2016.

[5]湯廣福，賀之淵，龐輝. 柔性直流輸電技術(shù)在全球能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用探討[J]. 智能電網(wǎng)，2016，（02）：116-123.

[6]王一振，趙彪，袁志昌，付姣，趙宇明，劉國偉，韓英鐸. 柔性直流技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用探討[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，（14）：3551-3560.