新華通訊社 湯連軍

1 柔性直流輸電技術的原理分析

電壓源性換流器與交流系統(tǒng)之間存在著一定的關聯(lián)性，在計算對應的有功功率以及無功功率時，可以使用如下公式：

其中：P代表著有功功率；對于交流母線而言，其對應擁有的電壓基波分量在上式中表示為Us；對于交流站而言，其對應擁有的輸出電壓基波分量在上式中表示為Uc；交流電抗器所具備的電抗值主要利用Xc進行表達；無功功率使用Q進行表示。、結合上述公式能夠了解到：對于有功功率而言，其大小會受到移相角數(shù)值的影響。具體而言，當移相角數(shù)值保持在高于0的狀態(tài)下時，有功功率也隨之表現(xiàn)出大于0的水平；當移相角數(shù)值保持在低于0的狀態(tài)下時，有功功率也隨之表現(xiàn)出小于0的水平，此時換流器會持續(xù)性地吸收有功功率。為了實現(xiàn)對無功功率的有效控制，進一步調節(jié)交流母線的電壓基波分量，以及交流站的輸出電壓基波分量，促使其達到高于0的狀態(tài)，最終控制換流站接收無功功率。

2 柔性直流輸電技術在電力系統(tǒng)中的應用價值與優(yōu)勢分析

常規(guī)直流技術與柔性直流輸電技術之間的區(qū)別見表1。對于柔性直流輸電而言，其主要基于模塊化概念完成設計。換流站具有多種標準的容量和尺寸，大部分設備是在工場安裝的，所以實際的交貨時間一般不會超過12個月，占地較小。而傳統(tǒng)直流輸電總是單獨設計以滿足特定的應用場合[1]。同時，柔性直流輸電換流電路本身就是雙極（偽）的，因此直流電路是不接地的，必須使用兩根電纜。

表1 常規(guī)直流技術與柔性直流輸電技術之間的區(qū)別對比

與傳統(tǒng)交流輸電和就地發(fā)電相比，除成本優(yōu)勢外柔性直流輸電還能提高供電的電能質量。柔性直流輸電可自換相運行，可在弱交流系統(tǒng)或者是無源系統(tǒng)內進行對柔性直流輸電技術的利用。在實際處于正常運行的狀態(tài)下，可依托柔性直流，完成對交流系統(tǒng)基本運行參數(shù)的控制，包括頻率、電壓。在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，柔性直流具有注入故障電流的能力，以利于交流系統(tǒng)保護動作以消除故障。針對柔性直流輸電系統(tǒng)，其直流回路和換流器單元存在多種可能的系統(tǒng)結構。每個換流站可由一種拓撲結構的單換流器單元組成，實現(xiàn)單極的輸電方案?？傮w來看，相比于常規(guī)直流技術柔性直流輸電技術，本身所具備的優(yōu)勢性更為明顯，在電力系統(tǒng)中能夠發(fā)揮出更為理想的作用與價值，因此在當前逐步得到了廣泛應用。

結合柔性直流輸電技術的特點能夠了解到，其在可再生能源并網(wǎng)、大型城市電網(wǎng)供電等方面有著更高的適用性。特別是在風力發(fā)電并網(wǎng)、海上平臺供電和大型城市電網(wǎng)供電方面，柔性直流輸電系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢十分明顯。

3 柔性直流輸電技術在電力系統(tǒng)中的具體應用探究

3.1 在風電電網(wǎng)工程中的應用

我國風能資源豐富、風向規(guī)律且環(huán)保性理想，所以在目前的新能源發(fā)電生產中更為常見。在實際利用風電資源期間，傳輸距離、容量等因素，均會對風電資源的具體利用產生不同程度的影響，在這樣的條件下，若是應用傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術開發(fā)應用風電資源，則難以切實滿足現(xiàn)實需要。相比較而言，柔性直流輸電技術在風電電網(wǎng)工程中能夠發(fā)揮出的應用優(yōu)勢更加明顯。就當前的情況來看，社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展使得各個行業(yè)領域的用電量大幅提升，為實現(xiàn)對傳統(tǒng)化石能源發(fā)電不足所產生的電力缺口的彌補，多種基于清潔能源、可再生能源的新能源發(fā)電產業(yè)迅速發(fā)展，規(guī)模也明顯擴大。

對于柔性直流輸電技術而言，實際所應用的并網(wǎng)形式為直流形式，因此并不需要調整風電場與之實際連接著的交流電網(wǎng)之間，始終維持在相互同步的狀態(tài)下；投放了全控型器件，為換流器無功功率的獨立性控制工作的展開提供了有力支持；實際所具備的故障穿越性能更強，可達到對風電場和并網(wǎng)交流電網(wǎng)在故障問題發(fā)生期間所產生的相互影響的有效隔離，避免發(fā)生換相失敗風險問題；一旦風電場在運行階段發(fā)生較為嚴重的事故問題，在柔性直流輸電技術的支持下，能夠達到在更短時間內將風電場母線充電恢復至正常水平的效果。

結合上述分析，能夠明確的是，柔性直流輸電技術可達到為風電電網(wǎng)工程的生產提供更好、更有力支持的效果，因此在現(xiàn)階段已然發(fā)展成為風電并網(wǎng)的最佳選擇。同時，就當前的情況來看，伴隨海上風電裝機規(guī)模不斷提升，采用柔性直流輸電技術可更好助力于我國深遠海風電的高質量開發(fā)，進一步覆蓋微電網(wǎng)互聯(lián)等柔性直流輸電領域[2]。

3.2 在非同步電網(wǎng)并聯(lián)中的應用

現(xiàn)階段，在電力工程建設與使用期間，通過在跨區(qū)域的遠距離高壓輸電工程內引入柔性直流輸電技術，能夠促使非同步電網(wǎng)的并聯(lián)成為現(xiàn)實，以此實現(xiàn)對電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的有效提升，切換滿足多種電網(wǎng)的用電需要。

3.3 在孤立電網(wǎng)供電中的應用

孤立電網(wǎng)供電的一種較為典型的應用場景為海上石油鉆井，在本文的研究中，主要以該典型場景為案例，展開對柔性直流輸電技術在孤立電網(wǎng)供電中應用的說明。當前，實際組織展開海上石油鉆井平臺的作業(yè)期間，需要電能作為主要動能支持，促使多種機械設備能夠正常運行，此時需要向海上石油鉆井平臺持續(xù)提供更為充足且高質量的電能。而一般情況下，海上石油鉆井平臺的現(xiàn)實設置位置具有較為明顯的特殊性，需要在距離供電位置較遠的地方搭建，換言之，實際所需要的供電距離普遍維持在偏大狀態(tài)下?；谶@樣的情況，如果利用傳統(tǒng)的交流高壓輸電網(wǎng)提供電能支持，則難以切實滿足現(xiàn)實需要。通過柔性直流輸電技術的應用，就能夠實現(xiàn)對電能長距離傳輸、供應難題的有效解決，以此更好支持海上石油鉆井平臺等類似孤立電網(wǎng)的供電質量的提升。

3.4 在城市中心區(qū)供電中的應用

當前，城市化發(fā)展進程加速，使得實際應用于城市電網(wǎng)交流電走廊建設的空間呈現(xiàn)出隨之縮減的發(fā)展趨勢，所需要投入的成本有所提升，對城市電力系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展產生了一定程度的制約。與架空交流線路相比，直流電纜在實際架設期間所需要的空間大小更小，且能夠產生更大的輸電量，所以有著更為理想的應用優(yōu)勢。同時，將柔性直流輸電技術實際應用于對城市輸電網(wǎng)的建設、優(yōu)化改造實踐中，可達到有效解決現(xiàn)實城市電網(wǎng)中頻繁發(fā)生的短路電流問題的效果，為城市電力系統(tǒng)運行管理中潮流涌動合理控制工作的展開提供了有力支持，從而達到對城市電網(wǎng)運行質量以及穩(wěn)定性進行有效提高的效果。

3.5 在改善電能質量中的應用

當前，對于一些用電負荷相對較高的生產行業(yè)與企業(yè)而言，在利用電能展開實際的生產作業(yè)期間，出現(xiàn)沖擊負荷、不對稱負荷、非線性負荷等現(xiàn)象的概率普遍保持在相對較高的水平。此時，此時所產生的不正常負荷，會直接影響電力系統(tǒng)中的電壓數(shù)據(jù)，導致電壓顯現(xiàn)出不同程度的波動狀態(tài)。當不正常負荷問題較為嚴重的情況下，會促使整個電力系統(tǒng)的運行發(fā)生異常，使得其他電力用戶無法正常用電。

而通過應用柔性直流輸電技術就能夠實現(xiàn)對上述問題的有效規(guī)避。實踐中，依托柔性直流輸電技術的使用對高負荷用電單位的輸電線路進行完善與改造，能夠實現(xiàn)對整個電網(wǎng)中無功功率以及有功功率的合理化控制，以此確保電力系統(tǒng)的電壓長時間保持在合理、正常水平，為全網(wǎng)的電力用戶正常、安全提供電能，滿足所有電力用戶的現(xiàn)實用電需要。

3.6 在優(yōu)化電網(wǎng)結構中的應用

對于交流大電網(wǎng)而言，其實際所具備的結構復雜程度保持在偏高水平，潮流自然分布。在發(fā)生較為嚴重的故障時，電網(wǎng)潮流會發(fā)生大范圍的轉移，從而引發(fā)較大規(guī)模的停電事故。為避免上述問題的發(fā)生，需要結合柔性直流輸電技術的應用對電網(wǎng)結構落實優(yōu)化調整，以此促使電網(wǎng)本質的安全水平得到進一步提高[3]。

現(xiàn)階段，在我國的大電網(wǎng)結構優(yōu)化工程實踐中，柔性直流輸電技術得到了廣泛應用。如在送端云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)異步互聯(lián)的魯西背靠背工程中，應用了柔性直流輸電技術進行對大電網(wǎng)結構的優(yōu)化（如圖1所示）。在該工程建設前，云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)構建起了西電東送的主網(wǎng)架構，其中有超過70%的功率在實際運輸期間應用了直流通道。在發(fā)生現(xiàn)實故障問題后，對于原有直流通道的潮流而言，其會迅速、大量向著交流通道內移動，在這樣的情況下，發(fā)生系統(tǒng)同步失穩(wěn)的概率隨之提高。而該項目的投產建設，促使云南送端電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)的異步互聯(lián)成為現(xiàn)實，實現(xiàn)了交流潮流大規(guī)模轉移問題的有效規(guī)避，降低發(fā)生系統(tǒng)同步失穩(wěn)問題的概率。使用了交流與直流并聯(lián)運行的模式。

圖1 云南異步互聯(lián)結構圖

3.7 在減小多回直流同時換相失敗的安全風險中的應用

半控型器件為直流電路中較為常用的一種器件，對于電網(wǎng)換相高度依賴，存在發(fā)生換相失敗問題的可能性。在多回直流集中饋入的受端電網(wǎng)中，交流與直流相互影響的情況更加明顯。在交流電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障問題后，對于直流而言，其實際隨之產生換相失敗的可能性有所增大，與之相對應的是，大量的功率會在瞬間顯現(xiàn)出跌落狀態(tài)?；谶@樣的情況，若是不及時使用切除的方式對交流故障問題展開處理，那么必然會隨之導致多回直流換相失敗問題的持續(xù)性發(fā)生，情況嚴重時，可能會導致直流閉鎖，從而引起大規(guī)模的停電事故[4]。

而通過柔性直流輸電技術在電網(wǎng)中的應用，就能夠達到規(guī)避上述問題發(fā)生的效果，實現(xiàn)對多回直流同時換相失敗的安全風險的有效降低。對于柔性直流而言，其主要使用了全控型器件，換相過程屬于自換相，所以不存在發(fā)生換相失敗問題的可能性。柔性直流可快速地獨立控制在P、Q平面內所具有的4個象限內，所包含的有功功率、無功功率。在實際檢測到交流系統(tǒng)產生故障之后，柔性直流可以迅速面向交流系統(tǒng)，向其提供容量允許范圍內的動態(tài)無功功率、有功功率。結合某直流工程A站在運行中產生的交流故障問題為案例，進行具體說明。

在實踐中發(fā)現(xiàn)，當檢測到交流故障問題發(fā)生后，A換流站的故障相交流電壓呈現(xiàn)出了明顯降低的變化趨勢，且該數(shù)值降低能夠達到故障前的標幺值（0.34），而在直流側，電壓顯現(xiàn)出了相對明顯的穩(wěn)定性；在電流發(fā)生改變的大背景下，可以觀察到，直流傳輸功率顯現(xiàn)出了一定程度的波動，且這種波動相對較小。在整個故障的發(fā)生期間，柔性直流實現(xiàn)了對大量無功支撐的有效提供，約1000MVA。而與之相對應的是，在該故障發(fā)生階段，與A換流站距離較近的三回傳統(tǒng)直流均產生的換相失敗問題。另外，將柔性直流輸電技術應用能夠緩解直流與交流相互影響的情況。

與當前應用常規(guī)直流方案的受端換流站相比，應用柔性直流輸電技術的A換流站在實際的運行管理實踐中，更為有效地實現(xiàn)了對衡量交流與直流相互影響程度的多直流有效短路比為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性持續(xù)降低問題的控制，明顯降低了直流同時換相失敗的風險區(qū)的范圍。