柔性直流输电技术的现状及应用前景分析

付继超 芦浩 孙寒飞

摘要：文章首先对柔性直流输电技术的特点及其研究现状进行了分析，并在此基础上对柔性直流输电技术的应用 前景进行了展望，期望通过文章的研究能够对促进柔性直流输电技术在电网中的应用有所帮助。

关键词：柔性直流输电;技术;现状;应用前景

柔性直流输电是一种新型的直流输电技术，CIGRE和IEEE将之定义为VSC-HVDC，其中VSC為电压源换流器，它在工业驱动装置上的应用十分广泛，HVDC为高压直流输电，它是ABB公司在50多年前研发的一项技术，主要作用是提高远距离输电效率。

1 柔性直流输电的现状优势

近些年以晶闸管换流器为核心的高压直流输电技术，吸引了人们的目光。其主要的优势在于高压输电走廊的低建设成本，不同相位交流电网的柔性互联，负荷中心远距离大功率输电。常规直流输电技术所具有的优势，柔性直流输电技术均含有，但同时柔性直流输电还具有一些独有的特点。

1.1 孤岛特性

常规高压直流输电技术需要受端电网为强电网，受端电网需要提供电压支撑方可保证输电稳定。常规直流建设初期，因本身交流电网容量较大，高压直流输电只是作为小部分补充，问题并不明显。近些年来，我国新能源建设蓬勃发展，大量西部的新能源需要通过直流线路输送到东部负荷中心，交流端容量不足够支撑大量直流线路输入的问题已逐渐明显。相比于常规直流输电，柔性直流输电技术采用全控型器件，在受端电网可表现为一个独立的交流电源，不仅对受端电网没有电压支撑要求，在交流网侧内部发生故障时，还可以提供低电压穿越能力。综合看来，柔性直流技术的这一特性可以广泛应用于孤岛供电及大规模新能源消纳。 不仅在我国已经建成诸如南澳岛，舟山等项目，欧美也有大量已经建成或者在建的采用柔性直流的孤岛供电项目及新能源项目消纳工程。

1.2 多端控制特性与配电网

常规直流输电因其需要受端电压支撑，多端控制相对较为复杂。所以国内已经建成的直流项目均是采用点对点模式的长距离高压线路，将能源富集区的电力输送至负荷中心。但随着国内经济整体发展，多经济中心格局必然形成。单纯的点对点输送方式不能够构成多负荷中心及多能源输送中心互联的高压直流输电 网络。且我国东西部距离较长，不同的地区的负荷曲线随着地点、季节都会发生较大的变化，而使用多端的灵活柔性直流输电技术可以构成在高电压等级上的交直流输电网络来平衡各地不同时间不同季节能源需求。随着经济社会增长，点对点的方式只能作为地区发展不平衡状态下的特殊时代产物，以多端柔性直流为高 压输电走廊，低压交直流配合的混合式电力网络代表了未来的发展方向。

1.3 MMC技术与谐波无功控制

柔性直流输电提出时，主要采用两电平或三电平技术构成换流器，但对于高压直流输电的需求一直促使着研究人员对于柔直 换流器提出新的电气拓扑。串联的MMC子模块，因其可以采用多电平技术进行高精度的输出电压控制，相比于常规直流输电的滤波器需求，基于MMC技术的换流器几乎不需要滤波支路。这无疑提高了系统的整体稳定性，降低了成本。电力系统中的 70% 的电能都被感应电机所消耗，同时也带来了大量的无功需求。对于配电网的大量无功需求，近年来电力电子器件的发展促进了以 SVC、SVG 为代表的静态无功补偿装置的迅速发展。但是相比于外置的无功补偿装置，基于柔性直流技术的换流器本身就可以提供无功补偿。相比外置的无功补偿设备，其响应速度，谐波控制，占地面积，经济造价都具有不可比拟的优势。需要指出的是，关于柔直换流器容量配置与SVG 容量配置，需要考虑到多方面问题。如当地无功需求、无功补偿设备与换流器的无功响应速度、两种无功补偿方式的经济成本、发生故障时对于低电压穿越能力的需求等。

2 应用前景分析

2.1 直流断路器

面向直流输电的断路器，因其本身并没有自然过零点，需要直流断路器将故障下的直流迅速分开。大电流下的触点分开，必然会造成拉弧，过压等问题。直流断路器的研究一直是业界研究热点。一定程度上说，也是直流断路器这一关键设备的缺失，造成了直流输电技术一直无法大规模运行。不过近些年，全球各大电气设备厂商也在直流断路器上投入人力物力展开研究。已有不少企业可以提供大容量直流断路器成套产品。

2.2 多端多层次配电网的稳定控制

相比于以变压器和发电机为核心的网架结构，柔性直流输电网络的核心在于换流器控制。以保护和控制一体的直流输电控制系统为多耦合、强相关、非线性系统。系统整体的稳定性、可靠性及相关的控制保护配合在小电网系统并未显著体现出控制难度。但是随着直流联网与多端系统的发展，多个换流站之间的配合控制，既提高了系统整体可控的能力，也增大了系统连锁，整体震荡的风险。相比于交流系统，其故障影响、黑启动技术、区域间连锁控制，均需要重点分析与设计。

2.3 替代交直流联网

从国内目前的总体情况上看，西部具有能源多、负荷少的特点，将近90%的水电集中在西部地区;东部则具有能源少、负荷多的特点。为了使VSC-HVDC满足实际应用需要，其必须向大容量、长距离方向发展，在这一过程中，应当突破以下技术障碍：（1）改变VSC的材质，可利用碳化硅替代二氧化硅，并对其封装材料的绝缘性和耐热性进行改进，以此来突破容量的限制;（2）加大对大电流直流断路器的研发力度。一旦上述技术障碍得以有效突破，相信在不久的将来，VSC-HVDC势必会替代传统的直流输 电系统承担其大容量、远距离输电的任务。

结束语：

综上所述，国内城镇化进程会产生更多更为集 中的经济与能源中心，合理配备的柔性直流输电系统才能更好地服务于经济建设，降低输电系统造价，提高系统可控能力，降低系统故障带来的影响，缩小故障影响范围。

参考文献

[1]周曦璇. 柔性直流输电技术的现状及应用前景探析[J]. 轻松学电脑， 2019， 000（013）：1-1.

[2]蔡晖， 彭竹弈， 张文嘉，等. 柔性直流输电技术在江苏电网的应用研究[J]. 电力电容器与无功补偿， 2019， 40（02）：96-100+106.