柔性直流输电在城市电网中的应用分析

林彦飞

摘 要：本文首先介绍了柔性直流输电的应用原理以及技术特点，对这种技术的国内外研究以及应用动态做了相关阐述，探讨了这种技术的应用评价，为大家提供参考。

关键词：柔性直流；高压直流输电；城市电网；应用

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0113-02

1 柔性直流输电技术概述

1.1 系统原理

柔性直流输电技术是一种新型的直流输电技术，它的核心是通过电压源换流器（VSC）进行换流，这种电压源换流器是由全控型器件组成的。这种换流器的体积非常小，但是功能非常强，可以减少换流站的设备以及简化其结构，也可以称作轻型直流输电。它的系统原理，如图1表示。

在这个图中可以看到，有一个电压源换流器VSC1用作整流器，另一个电压源换流器VSC2用作逆变器。主要的部件是直流侧电容器以及全控换流桥。直流侧电容器为换流器提供一定的电压支撑，因此，直流电压的稳定性对整个换流器可以正常可靠运行起到决定性的影响；

全控換流桥在每个桥臂上会有很多个可关断器件组成，比如，门极可关断晶体管、绝缘栅双极晶体管等，这些晶体管可以在一定条件下满足容量需求。换流电抗器和换流变压器对整个系统的运行发挥能量交换以及滤波的作用；滤波器的用途主要是滤除交流侧谐波。

如果换流电抗器是无损耗的，换流器与电网之间传输的有功功率P以及无功功率Q可以采用以下公式来计算。

p=■sinσ

Q=■

在这个公式中，UC代表换流器输出电压值；US代表交流母线的电压值；X代表交流电抗器与混流变压器的电抗值。

通过这个公式可以知道UC决定了无功功率的传输，而换流器的电压值是由电压的脉冲宽度控制的。柔性直流输电技术是在一些大功率全控型器件组成的基础上产生的电压源换流器，同时由高压直流输电的电缆出现以后，通过使用脉宽调制控制技术进一步发展的。也就是说，正弦脉宽调制控制技术是柔性直流输电技术的核心技术。

1.2 技术特点

第一，VSC电流可以自行关断，可以在无源逆变的情况下进行工作，不需要采用外加的换相电压，对于受端系统也可以是无源网络。这个特点改变了传统的输电技术需要在有源网络才能进行的缺点，实现远距离的孤立负荷送电。

第二，在电流正常运行的情况下，VSC可以对有功功率和无功功率同时进行独立的控制，控制方式也更加方便和灵活。而传统的输电技术只能对触发角进行控制，对有功功率和无功功率不能做到单独控制。

第三，VSC在不需要提供无功功率的情况下就可以自动起到动态补偿的作用，可以动态补偿母线的无功功率，使母线电压处于稳定状态。也就是说在出现故障时，如果VSC的容量控制在一定范围以内，柔性直流输电系统就可以直接向有故障系统提供有功功率的动态补偿，同时也可以进行无功功率的动态补偿，这样就可以保证系统运行的稳定性，而且也提高了系统电压的稳定性。

第四，柔性直流输电系统在进行反转时，直流电压的极性不会发生变化而直流电流方向会发生发转，这个特点也正好与传统的HVDC恰恰相反。这个特点非常方便的使系统构成对潮流反转情况进行有效控制，而且对并联多端的直流系统也能充分发挥可靠性。相对于传统的HVD系统对潮流反转的控制非常不方便的同时还会影响并联时的可靠性有了很大的进步。

第五，因为VSC的交流侧电流可以被控制，因此，不需要系统进行增加相应的短路功率。也就是说，系统在增加另外的输电线路以后，交流系统的整体保护不会被改变。

第六，VSC采用脉宽调制控制技术，开关的频率会比较高，在通过滤波以后就可以得到需要的交流电压，不需要变压器，换流站的结构也会被进一步简化，使需要的滤波装置相对减小很多。

第七，柔性直流输电系统采用这种模块化的设计在生产、安装、调试以及直流输电的设计方面都大大缩短周期。另外，对换流站的占地面积也减小很多，只有传统直流输电的20%左右。

第八，换流站的通讯不是必须的，在无人监管的情况下可以自动对控制结构进行动态控制。

第九，柔性直流输电系统如果在电网发生故障以后可以很快的恢复其控制能力。

第十，柔性直流输电系统中如果是连接两个相对独立的交流系统，在一侧的交流系统出现故障或者受到扰动时对另一侧的交流系统和换流器的运行不会产生影响。

2 柔性直流输电在城市电网中应用的可行性分析

2.1 现实性因素

城市中心的交流线路如果要增加新的输电容量是很难做到的，直流电缆要比交流电缆需要的空间要小，但是输送的容量要比交流电缆大很多，所以说城市中心需要更多的电力，直流电缆的应用是目前解决这些问题的最好方法。主要表现是：

第一，提高城市电网的供电能力，满足城市电量增长需求。柔性直流输电使用的电缆是一种新型的直流电缆，具有输电能力强而且占用的空间非常小，可以安装在输电走廊内或者交流电缆管内，供电能力进一步保证，满足用电的负荷需求。

第二，为城市用电负荷提供无功支撑，不会受到其他条件对其造成的限制。柔性直流输电可以对有功和无功做到独立控制，对有功功率做到灵活、快速控制，对母线的无功功率做到动态补偿，使母线电压进一步稳定。这个优势可以很好的缓解城市大量用电紧张造成的无功缺乏问题，为城市负荷提供无功支撑，为城市电网的运行稳定提供保障。

第三，提高城市电网的可控性和安全稳定性。柔性直流输电对多目标快速控制的能力，对运行中的潮流反转可以进行优化调节，在出现故障时可以快速紧急支援。另外，对系统的可控性和抗扰动能力进一步增强，使城市运行保持正常稳定，不会增加短路容量，进一步提高了电能质量。

第四，提高城市电网建设的可行性，为电力建设提供成本。柔性直流输电结构占用空间小、结构非常紧凑，直流电缆安装非常简单，机械的强度非常好、重量非常轻，尤其是它是无油、无线电干扰非常小、电磁辐射非常小，对城市设施和环境保护有效协调，在节约征地、赔偿等方面节省建设成本。

2.2 输电成本评估

输电线路的成本包括运行成本以及基础设施的投资。运行成本主要针对的是损耗方面；基础设施的投资主要是线路走廊、绝缘子、导线、终端设备以及杆塔等方面。直流线路和交流线路来比较，在输送功率水平一定的情况下，直流线路的杆塔更简单便宜，需要的走廊相对更窄，总体的成本会更低。

直流导体的电晕效应相对于交流导体的电晕效应要小很多，而且输电线路成本的影响因素还有终端设备的成本以及无功补偿。柔性直流线路虽然不需要无功补偿，采用的滤波器也非常小，但是它的換流器终端设备成本是非常高的。通过实践表明，随着大功率电力设备成本的不断降低，对换流站的模块设计进一步完善，那么换流站的成本也会不断的降低。

2.3 综合评估

对城市供电方式可以从三个方面进行综合评估，即可实施性、经济性以及系统性能。虽然柔性直流输电相对于交流输电在总体成本上投资要大一些，经济性能会差一些，但是它的占地面积比较小，与环境会更加协调，在未来的电力建设中可实施性会更强，能够满足未来电力的发展趋势。另外，柔性直流输电本身所具有的这些特性在很大程度上改善了原有的系统特性，在系统的支持效应上发挥更强的作用，所以，对各项指标进行综合考虑和对比之后，还是柔性直流输电有更大的优势。

3 柔性直流输电在实际的应用分析

柔性直流输电技术通过以上工作原理以及技术特点的介绍，作为一种新型的直流输电技术在电网的应用领域非常广泛，主要适用于连接比较分散的小型发电厂；向偏远的地方进行供电；构建城市直流输配电网；海上进行供电；相同额定频率以及不同额定频率之间的非同步运行；通过这种柔性直流输电的连接对地区的供电商之间交换电力提供了可行性，使电力的运行更加可靠和灵活。

例如，北京、上海以及广州等大城市空调的使用和负荷主要依赖于市中心的动态电压支撑，由于大城市对环境以及占地问题非常重视，所以电厂需要从市中心转移或者从外地输入大量电力。经过统计调查，北京大约2/3的电力都是需要从外地输入的，如果采用柔性直流输电技术就能大大缓解这种压力。

例如，将这种柔性直流输电技术应用在孤岛以及海上钻井平台中也发挥了重要意义。我国常住人口海岛有430多个，占海岛总数的6%，占海岛总面积的95%以上，常住人口也有450多万，海上用电是一个复杂的问题。海上钻井平台使用的是独立的燃气轮机或者使用柴油机组进行发电，效率比较低只有20%～25%，而且消耗大量的燃料，释放大量的CO2。如果应用柔性直流输电技术就会解决这些问题，不仅提高发电效率，而且减少污染，减少钻井平台发电设备的高额维修费用。

参考文献：

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[2] 张建初.T-S模糊控制器设计新方法以及应用仿真[J].中国北方电网，

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[3] 杨晓燕.轻型直流输电在城市电网中的应用与研究[J].电网与清洁能 源，2012，（15）.