丁 超，陸 翌，胡薩薩，裘 鵬，許 烽，宣佳卓

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江華云信息科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

近5 年， 城市用戶的供電可靠率維持在99.95%左右，用戶年平均停電時(shí)間為4～5 h，用戶年平均停電次數(shù)小于2 次。與城市相比，農(nóng)村用戶的供電可靠性相差較大，平均停電時(shí)間在20 h 左右，為城市的4～5 倍；年平均停電次數(shù)超過4 次，為城市的2 倍。究其原因是農(nóng)村地區(qū)離配電網(wǎng)（以下簡稱“配網(wǎng)”）核心區(qū)域較遠(yuǎn)，一般采用較長的配電線路供電，而配網(wǎng)建設(shè)相對(duì)落后，導(dǎo)致偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村電網(wǎng)存在電壓跌落厲害、電能質(zhì)量差、供電可靠性低等問題。近年來，隨著人民生活水平的提高和農(nóng)村光伏等新能源的普及應(yīng)用，用電設(shè)備多樣化、用電需求擴(kuò)大化、電壓波動(dòng)加劇化等特征日益顯著，人們對(duì)配網(wǎng)供電容量、供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高。另外，偏遠(yuǎn)地區(qū)裝設(shè)的光伏、風(fēng)機(jī)等新能源因輸電距離長等原因，存在“窩電”可能。雖然采用新建配電線路、裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置等措施能夠緩解上述問題，但未能從根本上加以解決[1-7]。

近年來，基于電壓源型換流器的柔性直流輸配電技術(shù)因其優(yōu)異的運(yùn)行控制性能，在輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)層面得到了應(yīng)用和認(rèn)可。隨著電力電子器件的升級(jí)改造和柔性直流技術(shù)的成熟，柔性直流配電技術(shù)也將被廣泛用于配電網(wǎng)絡(luò)。與交流配網(wǎng)相比，柔性直流配網(wǎng)具有更大的供電半徑與供電容量，在相同線路建設(shè)成本下，直流線路的功率傳輸能力約為交流線路的1.5 倍；柔性直流配網(wǎng)的換流器具有穩(wěn)定交流側(cè)母線與用戶側(cè)電壓的作用，可提高電能質(zhì)量[8-10]。當(dāng)直流線路電壓為交流線路線電壓的2 倍時(shí)，直流線路由于不存在交流電纜金屬護(hù)套導(dǎo)致的有功損耗和交流系統(tǒng)的無功消耗，其線路損耗僅為交流線路的15%～50%[11-12]；此外，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的迅速發(fā)展和風(fēng)能、太陽能等可再生能源技術(shù)的日趨成熟，直流配網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。直流配網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與新能源的便捷接入，省去了目前工業(yè)設(shè)備大量采用的變頻器，極大減少了成本和損耗。若將直流配網(wǎng)應(yīng)用于農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)，可有效解決遠(yuǎn)距離輸電電壓跌落大、電能質(zhì)量差等問題，同時(shí)便于接入光伏、風(fēng)電等新能源和儲(chǔ)能電站，可大大提高偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)的供電可靠性，避免“窩電”現(xiàn)象[13-14]。

本文主要針對(duì)農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)的直流供電方案進(jìn)行研究。首先，分析目前農(nóng)村地區(qū)供電特點(diǎn)及存在問題，提出采用柔性直流配電的技術(shù)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行詳細(xì)闡述；其次，考慮到電網(wǎng)建設(shè)的成本與經(jīng)濟(jì)性，提出將原有交流線路改造成直流配電線路，并給出多種改造后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；最后對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行多維度對(duì)比分析，進(jìn)而得出結(jié)論。

1 直流供電方案及其優(yōu)勢(shì)

直流供電方案是在配網(wǎng)核心區(qū)和農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)分別建設(shè)一個(gè)直流換流站C1 和C2，然后采用直流線路將兩者連接，保留農(nóng)村配網(wǎng)原本的交流用電習(xí)慣，配電結(jié)構(gòu)如圖1 所示。虛線段表示將原交流線路改造成直流線路，直流線路上可實(shí)現(xiàn)沿線光伏、風(fēng)電和儲(chǔ)能的并網(wǎng)。

圖1 直流供電方案

在換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，考慮到供電的靈活性和可靠性，用戶側(cè)換流站C2 需采用VSC（電壓源換流器），配網(wǎng)側(cè)換流站C1 可采用VSC 或晶閘管換流器等拓?fù)湫问?，在滿足系統(tǒng)運(yùn)行方式的前提下，可采用性價(jià)比更優(yōu)的換流器形式。

與采用交流配線的方式相比，該方案具備如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于直流線路大于交流線路的供電半徑，該方案能夠在保證電壓降的同時(shí)，將電能輸送至偏遠(yuǎn)地區(qū)，并保證受端的電壓幅值和頻率可以滿足要求。

（2）采用直流形式后，從配網(wǎng)核心區(qū)至農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)沿途的光伏、風(fēng)機(jī)等新能源能夠通過直流配網(wǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)新能源的便捷接入，解決了新能源電能難以輸出等問題，實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)新能源資源的優(yōu)化利用。

（3）通過在直流側(cè)配置儲(chǔ)能，能夠有效平抑光伏、風(fēng)機(jī)等功率波動(dòng)對(duì)配網(wǎng)的影響，同時(shí)提高農(nóng)村電網(wǎng)的供電可靠性。

（4）圖1 中虛線部分的直流線路可以由原交流線路改造而得，從而降低工程建設(shè)成本；同時(shí)，開展交改直的試點(diǎn)示范研究，有助于促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

（5）當(dāng)C1 換流站與配網(wǎng)因故障隔離，或直流線路發(fā)生故障后，直流配網(wǎng)剩余系統(tǒng)與農(nóng)村電網(wǎng)將形成孤網(wǎng)，但系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行，保障了農(nóng)村電網(wǎng)的供電可靠性。

（6）C2 換流站具備無功調(diào)節(jié)和電能質(zhì)量治理等功能，能夠有效調(diào)節(jié)農(nóng)村電網(wǎng)的電壓水平和電能質(zhì)量，降低農(nóng)村配網(wǎng)的線損。。

2 線路交改直技術(shù)方案

2.1 線路交改直的系統(tǒng)參數(shù)

交改直方案主要涉及傳輸功率、直流電流、直流電壓等的選取。

由于集膚效應(yīng)的存在，導(dǎo)線的直流電阻要稍小于交流電阻，因此直流電流可以略高于交流電流的有效值。

影響直流電壓等級(jí)的因素主要為絕緣子染污后的相間絕緣和相對(duì)地絕緣等。不考慮線路和桿塔的改造，設(shè)直流線路和交流線路連續(xù)運(yùn)行工作電壓的比值為k，在污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，k 可以取值為1；如果周邊環(huán)境較干凈，k 可以取值為

交流線路的實(shí)際輸送功率與無功要求和安全穩(wěn)定有關(guān)，直流線路的傳輸功率主要受熱限制約束。根據(jù)上述直流電流和電壓的取值原則，計(jì)算可得直流和交流傳輸功率之比在0.65～1.1。

2.2 交流線路改造的換流器拓?fù)?/h3>

2 回交流線路含有偶數(shù)條導(dǎo)線，可根據(jù)需求方便地改造成1 條雙極直流線路、3 條雙極直流線路等。偏遠(yuǎn)地區(qū)的單回配電線路較多，且改造較復(fù)雜，需考慮充分利用三相線的功率傳輸能力。

對(duì)于單回輸電線路，可采用雙端單極、雙端雙極、雙端三極、三線雙極拓?fù)涞?，各類型拓?fù)渚懈髯缘膬?yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)應(yīng)用場合和需求合理選用。

（1）單極換流器拓?fù)?/p>

單極拓?fù)淇蓪⒃涣魅嗪蠟橹绷鞯妮旊姌O，采用大地作為回線。這種方式可充分利用三相導(dǎo)線的功率輸送能力；缺點(diǎn)是大地回流會(huì)對(duì)直流線路周邊電網(wǎng)產(chǎn)生影響，引起設(shè)備電解腐蝕，因此實(shí)際工程較少采用。

另一種方式是將單回交流輸電線路的兩相作為直流輸電線路的正負(fù)極線，其拓?fù)淙鐖D2 所示。這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)一是結(jié)構(gòu)和控制策略較為簡單，易于實(shí)現(xiàn)；二是兩端換流器采用閥側(cè)經(jīng)大電阻接地方式，直流單極接地故障時(shí)不會(huì)引起過電流，系統(tǒng)仍可以帶故障運(yùn)行。單極拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是無法充分利用第三相的功率傳輸能力。

圖2 雙端單極直流輸電拓?fù)?/p>

由于直流系統(tǒng)受端為弱電網(wǎng)或無源負(fù)荷，受端換流站需要提供穩(wěn)定的交流電壓；直流線路上有光伏、風(fēng)電等新能源裝置的接入，送端換流站需要提供或參與提供穩(wěn)定的并網(wǎng)直流電壓。 因此，換流器需采用基于全控型器件的VSC 拓?fù)?，受端采用定交流電壓控制、送端采用直流電壓控制方式?/p>

架空線的運(yùn)行環(huán)境較惡劣，易發(fā)生短時(shí)線路接地故障。而兩電平VSC 拓?fù)湓谥绷鱾?cè)發(fā)生接地故障時(shí)，無法阻斷交流側(cè)的故障電流饋入通路。因此，雙端換流器可采用橋臂由半橋和全橋子模塊組成的Hybrid-MMC（混合模塊化多電平換流器）拓?fù)?，全橋和半橋的比例不低?0%。

（2）雙極換流器拓?fù)?/p>

雙極拓?fù)淙鐖D3 所示，其各極的工作原理及控制策略與單極拓?fù)湎嗤＿@種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)一是各極對(duì)地絕緣要求較單極拓?fù)涞?，二是直流并網(wǎng)設(shè)備可根據(jù)需求并入正極、負(fù)極或總直流電壓等多個(gè)電壓等級(jí)。雙極拓?fù)涞娜秉c(diǎn)一是沒有充分利用交流線路的三相輸電線；二是發(fā)生單極接地故障時(shí)，換流器需閉鎖故障極，無法帶故障運(yùn)行。

圖3 雙端雙極直流輸電拓?fù)?/p>

（3）三極換流器拓?fù)?/p>

一種基于TPS-HVDC（三極結(jié)構(gòu)的直流輸電）拓?fù)淙鐖D4 所示，它包含正極、負(fù)極和調(diào)制極3個(gè)輸電極。正常運(yùn)行時(shí)，通過特殊的電流調(diào)制策略，正極和負(fù)極電流在最大值和最小值之間周期性變化；中性點(diǎn)電流不流入大地，通過具有雙向流通能力的調(diào)制極回流。這種方式較大幅度地提升了線路的輸電容量。

圖4 三極結(jié)構(gòu)的直流輸電拓?fù)?/p>

TPS-HVDC 拓?fù)渲姓龢O與負(fù)極換流器可采用LCC（電網(wǎng)換相型換流器）結(jié)構(gòu)或者M(jìn)MC 結(jié)構(gòu)。采用LCC 結(jié)構(gòu)的換流器運(yùn)行損耗小，造價(jià)較低，但存在因換相失敗而致使功率輸送中斷的風(fēng)險(xiǎn)；采用MMC 結(jié)構(gòu)的換流器具有無功解耦控制、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、無換相失敗風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)較高，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行損耗大。

三極拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)為：在同等直流電壓和電流條件下，最大傳輸功率為雙極拓?fù)涞?.37 倍；當(dāng)一極發(fā)生直流故障閉鎖時(shí)，另兩極仍可組成雙極拓?fù)鋫鬏敼β剩收先哂喽群涂煽啃愿?。其缺點(diǎn)是：調(diào)制極的電壓和電流極性均呈周期性反轉(zhuǎn)，需采用基于全橋子模塊的MMC 拓?fù)?，造價(jià)較高；換流器損耗和線路總損耗較雙極拓?fù)涓?；?dāng)擴(kuò)展成多端直流時(shí)，需進(jìn)行三極擴(kuò)展，且需全網(wǎng)全站式協(xié)調(diào)控制。

（4）三線雙極換流器拓?fù)?/p>

基于12 脈動(dòng)晶閘管換流器的TWBS-HVDC（三線雙極結(jié)構(gòu)的直流輸電）拓?fù)淙鐖D5 所示，其中，CRC（電流調(diào)節(jié)控制器）可調(diào)節(jié)調(diào)制級(jí)上的直流電流。正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)制極通過與正極和負(fù)極交替并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流過正極和負(fù)極的電流分流，在滿足線路的熱穩(wěn)定要求下實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容輸電；其線路上的電流特性與三極拓?fù)湎嗤?，因此最大擴(kuò)容能力與三極拓?fù)湎嗤?。?shí)際應(yīng)用中，TWBS-HVDC結(jié)構(gòu)中換流器不局限于LCC，VSC 及MMC 等，可根據(jù)實(shí)際情況采用相應(yīng)結(jié)構(gòu)，不同換流器具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖5 采用晶閘管的TWBS-HVDC

三線雙極拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)為：與三極拓?fù)鋽U(kuò)容能力相同，最大傳輸功率為雙極拓?fù)涞?.37 倍，且所用的功率器件較少；與三極拓?fù)湎啾龋瑩Q流器造價(jià)較低、損耗較小；其正負(fù)極直流端口特性與雙極拓?fù)湎嗨疲阌跀U(kuò)展為多端直流。 其缺點(diǎn)為：主回路拓?fù)浜涂刂茝?fù)雜，設(shè)備種類和數(shù)量較多，長期運(yùn)行故障率高，可靠性較差。

3 交改直技術(shù)方案對(duì)比

對(duì)交流線路改造所用的換流器拓?fù)鋸囊韵聨追矫孢M(jìn)行對(duì)比：最大傳輸功率、初期建造經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、故障冗余度、易擴(kuò)展性、可靠性等，詳見表1。

表1 各類型拓?fù)涞奶匦詫?duì)比

由表1 及前文分析可知，TPS-HVDC 和TWBS-HVDC 的最大傳輸功率相同，均為雙極拓?fù)涞?.37 倍；單極拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)和控制策略最簡單，初期建造成本最小，經(jīng)濟(jì)性最高；線路和換流器損耗大小與線路利用條數(shù)、換流器數(shù)量成正比，損耗越高則運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性越差；TPS-HVDC 的可靠性較高，在發(fā)生單極接地時(shí)另2 極仍可組成雙極系統(tǒng)；TWBS-HVDC 在建造經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性上都優(yōu)于TPS-HVDC，但其拓?fù)浜涂刂戚^復(fù)雜，可靠性相對(duì)較差。

綜上所述，可根據(jù)交流線路升級(jí)改造的需求選用合適的拓?fù)洌喝粼械慕涣骶€路功率傳輸容量足夠，可采用雙端單極系統(tǒng)，拓?fù)浜涂刂谱詈唵?，造價(jià)最低；若需擴(kuò)展原有的交流線路容量，且對(duì)故障冗余度和可靠性有較高要求， 可采用TPS-HVDC 拓?fù)?；若需提高原有的交流線路容量，且后續(xù)將擴(kuò)展為多端直流系統(tǒng)，可采用TWBSHVDC 拓?fù)洹?/p>

4 結(jié)語

本文基于農(nóng)村電網(wǎng)現(xiàn)狀，對(duì)農(nóng)村直流供電方案進(jìn)行研究，重點(diǎn)闡述了將柔性直流配電與交流線路改造成直流線路的技術(shù)方案，提出直流配電方案與多種改造拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可為工程規(guī)劃建設(shè)和系統(tǒng)理論分析提供參考。主要結(jié)論如下：

（1）隨著柔性直流技術(shù)的逐漸成熟與廣泛應(yīng)用，可將農(nóng)村地區(qū)原有的交流供電改造成直流供電，從而提高農(nóng)村電網(wǎng)的供電可靠性與電能質(zhì)量，同時(shí)能夠提高供電容量。

（2）盡管采用柔性直流配線方式能夠較好地解決農(nóng)村地區(qū)的供電問題，但考慮到農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)效益，提出采用將原交流線路改造成直流線路的方案，可大大節(jié)省建設(shè)成本，降低建設(shè)難度。針對(duì)交流線路改造方案，提出了單極、雙極、三極和三線雙極4 種換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)這4 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從基本結(jié)構(gòu)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性、最大輸送容量、實(shí)現(xiàn)難度和可靠性等多方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。

（3）通過對(duì)4 種換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行對(duì)比分析，得出其各自的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，建議結(jié)合實(shí)際情況選擇不同的改造方案，可為電網(wǎng)規(guī)劃和分析提供參考。

（4）本文僅介紹了交流線路改造成直流線路的換流站拓?fù)浞桨福鴮?shí)際改造工程中，輸電線路的選型、輸電桿塔的改造、直流配線電壓電流等級(jí)等方案選擇同樣重要，有待進(jìn)一步研究。