柔性直流輸電技術(shù)及其發(fā)展分析

1、能源環(huán)境 柔性直流輸電技術(shù)及其發(fā)展分析 崔 巍 廣東省電力設(shè)計研究院 廣東廣州 5 10 6 6 3【 摘 要】本文簡要介紹了 柔性直流輸電原理， 總結(jié)了 柔性直流輸 電 技 術(shù)的特點、 應(yīng) 用范圍、 現(xiàn) 在的發(fā)展?fàn)顩r 以及其未來的發(fā)展前景。【 關(guān)鍵詞】柔性直流輸電； 發(fā)展 引 言 柔性直流輸電技術(shù)對于提高交流系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性 、 增加系統(tǒng) 的動態(tài)無功儲備、 改善交流系統(tǒng)電能質(zhì)量， 解決非線性負(fù)荷、 沖擊性 負(fù)荷所帶來的問題， 具有較強

2、的技術(shù)優(yōu)勢， 也是智能電網(wǎng)建設(shè)中解決 大 容量、 間歇式 新能 源發(fā) 電并 網(wǎng)的 重要 技 術(shù)手段 。目前 世 界 上儀 ABB 公 司擁 有 商 業(yè) 運 行 的 工 程 。雖然 西 門 子 、A RE V A 等跨國公司一直沒有『 日 J 斷在該領(lǐng)域的技術(shù)研究， 但迄今為止 在世界范圍內(nèi)運行的工程仍被AB B 一家公司所壟斷。1 ． 柔性直流輸電技術(shù)的原理 柔性直流輸電采用電壓源型換流器和P WM技術(shù)。 由調(diào)制波與三 行 J 載波比較

3、產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖， 使V S CF 橋臂的開關(guān)管高頻開通和關(guān) 斷 ， 則橋 臂 中點電壓U C 在兩 個 固定 電_ I 孟+ Ud 和 一 U d 之 1 日 J 快 速切 換 ，U C 冉經(jīng)過 電抗 器濾波 后則 為網(wǎng)側(cè)的 交流 電壓U S 。進 一 步分析可知 ， 在假設(shè)換流電抗器無損耗 且忽 略諧 波分 量 時， 換流器平 【 l 交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蕿镻 ， 無功功率為Q 。 有功 功率的傳輸主要取決于6， 無功功率的傳輸

4、 主要取決于UC 。 因此通 過對6 的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小， 通 過摔制Uc 就可以控~ O v s c 發(fā) 或者吸收的無功功率。 從系統(tǒng)角度來 看， V S C 可以看成是 一 個無轉(zhuǎn)動慣量的電動機或發(fā)電機， 幾乎可以瞬 時災(zāi)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)， 實現(xiàn)四象限運行。2 ． 柔性直流輸電技術(shù)的特點 柔性直流輸電技 術(shù)是 當(dāng)今世界電力電子技 術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的制高 點， 是基于可關(guān)斷電力電子器件I G B

5、 T( 絕緣柵雙極晶體管) 組成 的電 源換流器所構(gòu)成的新一代直流輸電術(shù)。該技術(shù)可以在進行精確有功功率控制的同時對無功功率進行控 制 ， 可為 交流 系統(tǒng) 提供 電壓 支撐 ， 控 制更 加 靈活 。 柔性 直流 換 流 站可 工 作在 尤源換 流 的 方式 下， 不需 要 外加 的換 相電壓 ， 可用十 弱系統(tǒng) 或 源系統(tǒng)供電。 此9 1 、 ， 柔性直流輸 電技術(shù)基本不需要濾波和無功補 償裝置， 其換流站占地面積較同等容量的常規(guī)直流

6、換流站要小。柔悱直流輸 電是以電壓源換流器為核心的新一代直流輸 電技 術(shù)，采用最先進的電壓源型換流器和全控器件， 是常規(guī)直流輸電技 術(shù) 的換代 升級 。與傳統(tǒng) 的直 流輸 電不 同， 是 一種采 用基于 電壓源 換流 器、 吖． f 守 關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制 ( P WM技術(shù)) 的新一代直流輸 電技術(shù)。它可以瞬間實現(xiàn)有功和無功的獨立解耦控制， 能向無源網(wǎng)絡(luò)供 電， 具有良好的電網(wǎng)故障后的快速恢復(fù)控制能力， 可以作為系統(tǒng)恢復(fù) 電源。 仟傳輸

7、能量的同時， 還能靈活地調(diào)節(jié)與之相連的交流系統(tǒng)電 。 具有可控性較好、 運行方式 靈活、 適用場合多等顯著優(yōu)點。 從用 途 I ： 石， 它 可以 很好 地 適應(yīng) 干可 再 生 能源 并 網(wǎng)、 分布式 發(fā) 電并 網(wǎng)、 孤 島供電、 城市電網(wǎng)供電等領(lǐng)域。3 ． 柔性直流輸電技術(shù)可應(yīng)用范圍 ( 1 ) 連接分散的小型發(fā)電 如中小型的水電廠 風(fēng)電場 ( 含海 L 風(fēng)電場) 、 潮汐電站、 太陽能電站等， 利用柔性直流輸電與主網(wǎng)實 現(xiàn) 互聯(lián)是充

8、分利用可再生能源的最佳方式， 有利于保護環(huán)境。( 2 ) 不同額定頻率或者相同頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運行。模塊化結(jié)構(gòu)以及電纜線路使柔性直流輸電對場地和環(huán)境的要求大為 降低 ， 換 流站 的投資 大大 下降 。( 3 ) 構(gòu)建城 市直流 輸 配電網(wǎng) 。( 4 ) 向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。 偏遠(yuǎn)地區(qū)一般遠(yuǎn)離電網(wǎng)， 負(fù)荷輕而且 日 負(fù) 荷波動火， 經(jīng)濟因素以及線路輸送能力低是限制架設(shè)交流輸電線路 1 3 2發(fā)展的主要因素。 采用柔性直流輸電進行供電

9、， 町解決這些『 口 J 題 。( 5 ) 海上供電。( 6 ) 提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量。 柔性直流輸 電系統(tǒng)可以獨立快速地 控制有功和無功 ， 且能夠使交流系統(tǒng)的電壓保持不變、 它使系統(tǒng)的電 壓和電流較容易地滿足電能質(zhì)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。4 ． 柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展 隨著風(fēng)電等間歇式可再生能源在電網(wǎng)中比重的加大， 其隨機性、間歇性和不可控性等特點對電網(wǎng)的安全可靠運行帶來巨大挑戰(zhàn) 。 柔 性直流輸電可以極大地提升風(fēng)電場并網(wǎng)的安全性和可靠性 ，

10、是國際 上公認(rèn)的最具有技術(shù)優(yōu)勢的風(fēng)電場并網(wǎng)手段， 特別是對于遠(yuǎn)距離的 海上風(fēng)電場來說 ， 使用柔性直流輸電并網(wǎng)是 目前唯 一 一 可選的有效 方 案。另外， 柔性 直流輸電技 術(shù)在孤 島及海上平臺供電、 大型城市供 電、 多端直流組網(wǎng)、 電力市場交易等領(lǐng)域也都有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。 隨 著電網(wǎng)未來繼續(xù)朝著智能化、 節(jié)約化、 環(huán)?；l(fā)展， 柔性直流輸電技 術(shù)必將成為未來電力領(lǐng)域的 一個重要發(fā)展方向， 具有極其廣闊的市場 應(yīng)用前景。 ”據(jù)悉，

11、1 9 9 7 年世界上第一條柔性 直流輸 電工程投入工業(yè) 試驗運營， 目前投入運營的已經(jīng)有l(wèi) 1 條。 大部分應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、 電 力交易、 電網(wǎng)互聯(lián)、 海上鉆井平臺等領(lǐng)域。 隨著世界范圍內(nèi)對于町再 生能源的應(yīng)用越來越廣泛， 規(guī)模越來越大， 目前已有1 0 0 0 ~瓦的柔性 直流 風(fēng) 電場 并 網(wǎng)工程 開 始設(shè) 計， 而 2 0 0 0 ~ g 瓦級 柔性 直 流 輸 電的 概 念 設(shè)計也已經(jīng)提出。目前， 歐洲多個國家都已經(jīng)規(guī)劃和建

12、設(shè)了大量的海 上風(fēng)電場， 其容量都在數(shù)百兆瓦等級 ， 并且其中已經(jīng)有部分使用了柔 性 直流 輸 電進行系統(tǒng)接 入 。我 國開展 柔性直 流 輸 電技 術(shù)研 究 的時 問相 對較 晚 ， 在 初 期階 段 主要集中住大專院校所開展的部分理論性研究。 2 0 0 6 年5 月， 國家電 網(wǎng)組 織 編制 _ 『柔性 直 流輸 電 系統(tǒng) 關(guān) 鍵技 術(shù)研 究 框架 》， 由此 啟動 了我國在柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的全面研究。目 前， 我國已規(guī)劃

13、存 甘肅酒泉、 新疆哈密、 河北、 吉林、 內(nèi)蒙 占東部 、 內(nèi)蒙古西部 、 汀蘇、?東等地建設(shè)8 個千萬千瓦級風(fēng) 電場。 柔性直流輸電是 國際公認(rèn)的最 具 有技術(shù)優(yōu)勢的風(fēng)電場并 網(wǎng)方案， 也是海上風(fēng)電并網(wǎng)的唯 方式，町以大幅改善大規(guī)模風(fēng) 電場并網(wǎng)的性能， 保障新能源發(fā)電的迅速發(fā) 展。據(jù)了解， ~ ~ 2 0 1 5 年， 保守估計世界范圍內(nèi)柔性直流輸電 程的市 場規(guī)模將達到千億元以上。 隨著新能源的快速 發(fā)展， 我國對柔性直 流輸 電

14、技術(shù)也呈現(xiàn)出強勁的市場需求。 我國未來五年的市場規(guī)模將 在4 0 0 { L 元 左右。在 2 0 2 0 年 前， 僅風(fēng) 電發(fā) 電方面我 國就 計劃 興建6 個百 萬 干瓦級 的 超大型風(fēng)電場。 柔性直流輸 電是國際公認(rèn)的最具有技術(shù)優(yōu)勢的風(fēng)電 場并網(wǎng)方案， 也是海上風(fēng) 電并網(wǎng)的唯一方式， 可以大幅改善夫規(guī)模風(fēng) 電場并網(wǎng)的性能， 對于大容量風(fēng)電場的可靠并網(wǎng)、 保障新能源發(fā)電的 迅 速 發(fā)展 ， 都具 有 重要 的意 義 。此外， 對于大

15、型城市供電、 城市配電、 島嶼和鉆井平臺供電等應(yīng) 用領(lǐng) 域 ， 柔性 直流輸 電技 術(shù)也 有很好 的應(yīng) 用前景 。5 ． 結(jié) 論 ( 1 ) 柔性直流輸 電技術(shù)具 有可控性較好、 運行方式靈活、 遁川 場合 多等 顯著優(yōu) 點 。( 2 ) 柔性直流輸電技術(shù)可應(yīng)用于連接分散的小型發(fā)電J： 不同 額定頻率或者相同頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運行、 構(gòu)建城 市直流 輸配電網(wǎng)、 向偏遠(yuǎn)地區(qū)供、 海 上供電、 提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量和電力市 場模式下的應(yīng)

16、用等方面。( 3 ) 隨 著 電力電子 技 術(shù) 的發(fā)展 ， 柔性 直 流輸 電技 術(shù)將 會更廣泛 的應(yīng)用于新能源并網(wǎng)、 城市電網(wǎng)等方面。能源環(huán)境 柔性直流輸電技術(shù)及其發(fā)展分析 崔 巍 廣東省電力設(shè)計研究院 廣東廣州 5 10 6 6 3【 摘 要】本文簡要介紹了 柔性直流輸電原理， 總結(jié)了 柔性直流輸 電 技 術(shù)的特點、 應(yīng) 用范圍、 現(xiàn) 在的發(fā)展?fàn)顩r 以及其未來的發(fā)展前景。【 關(guān)鍵詞】柔性直流輸電； 發(fā)展 引 言 柔性直流輸電技術(shù)對于

17、提高交流系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性 、 增加系統(tǒng) 的動態(tài)無功儲備、 改善交流系統(tǒng)電能質(zhì)量， 解決非線性負(fù)荷、 沖擊性 負(fù)荷所帶來的問題， 具有較強的技術(shù)優(yōu)勢， 也是智能電網(wǎng)建設(shè)中解決 大 容量、 間歇式 新能 源發(fā) 電并 網(wǎng)的 重要 技 術(shù)手段 。目前 世 界 上儀 ABB 公 司擁 有 商 業(yè) 運 行 的 工 程 。雖然 西 門 子 、A RE V A 等跨國公司一直沒有『 日 J 斷在該領(lǐng)域的技術(shù)研究， 但迄今為止 在世界范圍內(nèi)運行的工程仍被

18、AB B 一家公司所壟斷。1 ． 柔性直流輸電技術(shù)的原理 柔性直流輸電采用電壓源型換流器和P WM技術(shù)。 由調(diào)制波與三 行 J 載波比較產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖， 使V S CF 橋臂的開關(guān)管高頻開通和關(guān) 斷 ， 則橋 臂 中點電壓U C 在兩 個 固定 電_ I 孟+ Ud 和 一 U d 之 1 日 J 快 速切 換 ，U C 冉經(jīng)過 電抗 器濾波 后則 為網(wǎng)側(cè)的 交流 電壓U S 。進 一 步分析可知 ， 在假設(shè)換流電抗器無損耗 且忽 略諧

19、 波分 量 時， 換流器平 【 l 交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蕿镻 ， 無功功率為Q 。 有功 功率的傳輸主要取決于6， 無功功率的傳輸 主要取決于UC 。 因此通 過對6 的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小， 通 過摔制Uc 就可以控~ O v s c 發(fā) 或者吸收的無功功率。 從系統(tǒng)角度來 看， V S C 可以看成是 一 個無轉(zhuǎn)動慣量的電動機或發(fā)電機， 幾乎可以瞬 時災(zāi)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)， 實現(xiàn)四象限運

20、行。2 ． 柔性直流輸電技術(shù)的特點 柔性直流輸電技 術(shù)是 當(dāng)今世界電力電子技 術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的制高 點， 是基于可關(guān)斷電力電子器件I G B T( 絕緣柵雙極晶體管) 組成 的電 源換流器所構(gòu)成的新一代直流輸電術(shù)。該技術(shù)可以在進行精確有功功率控制的同時對無功功率進行控 制 ， 可為 交流 系統(tǒng) 提供 電壓 支撐 ， 控 制更 加 靈活 。 柔性 直流 換 流 站可 工 作在 尤源換 流 的 方式 下， 不需 要 外加 的換 相電壓 ， 可用

21、十 弱系統(tǒng) 或 源系統(tǒng)供電。 此9 1 、 ， 柔性直流輸 電技術(shù)基本不需要濾波和無功補 償裝置， 其換流站占地面積較同等容量的常規(guī)直流換流站要小。柔悱直流輸 電是以電壓源換流器為核心的新一代直流輸 電技 術(shù)，采用最先進的電壓源型換流器和全控器件， 是常規(guī)直流輸電技 術(shù) 的換代 升級 。與傳統(tǒng) 的直 流輸 電不 同， 是 一種采 用基于 電壓源 換流 器、 吖． f 守 關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制 ( P WM技術(shù)) 的新一代直流輸 電技術(shù)。它

22、可以瞬間實現(xiàn)有功和無功的獨立解耦控制， 能向無源網(wǎng)絡(luò)供 電， 具有良好的電網(wǎng)故障后的快速恢復(fù)控制能力， 可以作為系統(tǒng)恢復(fù) 電源。 仟傳輸能量的同時， 還能靈活地調(diào)節(jié)與之相連的交流系統(tǒng)電 。 具有可控性較好、 運行方式 靈活、 適用場合多等顯著優(yōu)點。 從用 途 I ： 石， 它 可以 很好 地 適應(yīng) 干可 再 生 能源 并 網(wǎng)、 分布式 發(fā) 電并 網(wǎng)、 孤 島供電、 城市電網(wǎng)供電等領(lǐng)域。3 ． 柔性直流輸電技術(shù)可應(yīng)用范圍 ( 1 ) 連接

23、分散的小型發(fā)電 如中小型的水電廠 風(fēng)電場 ( 含海 L 風(fēng)電場) 、 潮汐電站、 太陽能電站等， 利用柔性直流輸電與主網(wǎng)實 現(xiàn) 互聯(lián)是充分利用可再生能源的最佳方式， 有利于保護環(huán)境。( 2 ) 不同額定頻率或者相同頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運行。模塊化結(jié)構(gòu)以及電纜線路使柔性直流輸電對場地和環(huán)境的要求大為 降低 ， 換 流站 的投資 大大 下降 。( 3 ) 構(gòu)建城 市直流 輸 配電網(wǎng) 。( 4 ) 向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。 偏遠(yuǎn)地區(qū)一般遠(yuǎn)離電網(wǎng)，

24、 負(fù)荷輕而且 日 負(fù) 荷波動火， 經(jīng)濟因素以及線路輸送能力低是限制架設(shè)交流輸電線路 1 3 2發(fā)展的主要因素。 采用柔性直流輸電進行供電， 町解決這些『 口 J 題 。( 5 ) 海上供電。( 6 ) 提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量。 柔性直流輸 電系統(tǒng)可以獨立快速地 控制有功和無功 ， 且能夠使交流系統(tǒng)的電壓保持不變、 它使系統(tǒng)的電 壓和電流較容易地滿足電能質(zhì)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。4 ． 柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展 隨著風(fēng)電等間歇式可再生能源在電網(wǎng)中比重的加

25、大， 其隨機性、間歇性和不可控性等特點對電網(wǎng)的安全可靠運行帶來巨大挑戰(zhàn) 。 柔 性直流輸電可以極大地提升風(fēng)電場并網(wǎng)的安全性和可靠性 ， 是國際 上公認(rèn)的最具有技術(shù)優(yōu)勢的風(fēng)電場并網(wǎng)手段， 特別是對于遠(yuǎn)距離的 海上風(fēng)電場來說 ， 使用柔性直流輸電并網(wǎng)是 目前唯 一 一 可選的有效 方 案。另外， 柔性 直流輸電技 術(shù)在孤 島及海上平臺供電、 大型城市供 電、 多端直流組網(wǎng)、 電力市場交易等領(lǐng)域也都有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。 隨 著電網(wǎng)未來繼續(xù)朝著智

26、能化、 節(jié)約化、 環(huán)保化發(fā)展， 柔性直流輸電技 術(shù)必將成為未來電力領(lǐng)域的 一個重要發(fā)展方向， 具有極其廣闊的市場 應(yīng)用前景。 ”據(jù)悉， 1 9 9 7 年世界上第一條柔性 直流輸 電工程投入工業(yè) 試驗運營， 目前投入運營的已經(jīng)有l(wèi) 1 條。 大部分應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、 電 力交易、 電網(wǎng)互聯(lián)、 海上鉆井平臺等領(lǐng)域。 隨著世界范圍內(nèi)對于町再 生能源的應(yīng)用越來越廣泛， 規(guī)模越來越大， 目前已有1 0 0 0 ~瓦的柔性 直流 風(fēng) 電場 并 網(wǎng)工

27、程 開 始設(shè) 計， 而 2 0 0 0 ~ g 瓦級 柔性 直 流 輸 電的 概 念 設(shè)計也已經(jīng)提出。目前， 歐洲多個國家都已經(jīng)規(guī)劃和建設(shè)了大量的海 上風(fēng)電場， 其容量都在數(shù)百兆瓦等級 ， 并且其中已經(jīng)有部分使用了柔 性 直流 輸 電進行系統(tǒng)接 入 。我 國開展 柔性直 流 輸 電技 術(shù)研 究 的時 問相 對較 晚 ， 在 初 期階 段 主要集中住大專院校所開展的部分理論性研究。 2 0 0 6 年5 月， 國家電 網(wǎng)組 織 編制 _

28、『柔性 直 流輸 電 系統(tǒng) 關(guān) 鍵技 術(shù)研 究 框架 》， 由此 啟動 了我國在柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的全面研究。目 前， 我國已規(guī)劃存 甘肅酒泉、 新疆哈密、 河北、 吉林、 內(nèi)蒙 占東部 、 內(nèi)蒙古西部 、 汀蘇、?東等地建設(shè)8 個千萬千瓦級風(fēng) 電場。 柔性直流輸電是 國際公認(rèn)的最 具 有技術(shù)優(yōu)勢的風(fēng)電場并 網(wǎng)方案， 也是海上風(fēng)電并網(wǎng)的唯 方式，町以大幅改善大規(guī)模風(fēng) 電場并網(wǎng)的性能， 保障新能源發(fā)電的迅速發(fā) 展。據(jù)了解， ~ ~

29、2 0 1 5 年， 保守估計世界范圍內(nèi)柔性直流輸電 程的市 場規(guī)模將達到千億元以上。 隨著新能源的快速 發(fā)展， 我國對柔性直 流輸 電技術(shù)也呈現(xiàn)出強勁的市場需求。 我國未來五年的市場規(guī)模將 在4 0 0 { L 元 左右。在 2 0 2 0 年 前， 僅風(fēng) 電發(fā) 電方面我 國就 計劃 興建6 個百 萬 干瓦級 的 超大型風(fēng)電場。 柔性直流輸 電是國際公認(rèn)的最具有技術(shù)優(yōu)勢的風(fēng)電 場并網(wǎng)方案， 也是海上風(fēng) 電并網(wǎng)的唯一方式， 可以大幅改善

30、夫規(guī)模風(fēng) 電場并網(wǎng)的性能， 對于大容量風(fēng)電場的可靠并網(wǎng)、 保障新能源發(fā)電的 迅 速 發(fā)展 ， 都具 有 重要 的意 義 。此外， 對于大型城市供電、 城市配電、 島嶼和鉆井平臺供電等應(yīng) 用領(lǐng) 域 ， 柔性 直流輸 電技 術(shù)也 有很好 的應(yīng) 用前景 。5 ． 結(jié) 論 ( 1 ) 柔性直流輸 電技術(shù)具 有可控性較好、 運行方式靈活、 遁川 場合 多等 顯著優(yōu) 點 。( 2 ) 柔性直流輸電技術(shù)可應(yīng)用于連接分散的小型發(fā)電J： 不同 額定頻率或