輸電技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從直流到交流,再到交直流共存的技術(shù)演變。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步,柔性直流作為新一代直流輸電技術(shù),可使當(dāng)前交直流輸電技術(shù)面臨的諸多問(wèn)題迎刃而解,為輸電方式變革和構(gòu)建未來(lái)電網(wǎng)提供了一個(gè)嶄新的解決方案。

它實(shí)際上是通過(guò)控制電壓源換流器中全控型電力電子器件的開通和關(guān)斷,改變輸出電壓的相角和幅值,可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流側(cè)有功功率和無(wú)功功率的控制,達(dá)到功率輸送和穩(wěn)定電網(wǎng)等目的。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)和美國(guó)電氣與電子工程于2004年將其正式命名為“VSC-HVDC”(voltagesourcedconverterbasedhighvoltagedirectioncurrent)。ABB,Siemens和Alstom公司則分別將該項(xiàng)輸電技術(shù)命名為HVDCLight,HVDCPlus和HVDCMaxSine,在中國(guó)則通常稱之為柔性直流輸電(HVDCFlexible)。

模塊化多電平換流器(modularmulti-levelconverter,MMC)技術(shù)的提出和應(yīng)用,是柔性直流輸電工程技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑,提升了柔性直流輸電工程的運(yùn)行效益,極大地促進(jìn)了柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展及工程推廣應(yīng)用。

1、柔性直流輸電系統(tǒng)主接線

采用兩電平、三電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)一般采用在直流側(cè)中性點(diǎn)的接地方式,而模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)則一般采用交流側(cè)接地方式。無(wú)論是采用直流側(cè)中性點(diǎn)接地的兩電平、三電平換流器還是采用交流側(cè)接地的模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)均為單極對(duì)稱系統(tǒng)。正常運(yùn)行時(shí)接地不會(huì)有工作電流流過(guò),不需要設(shè)置專門的接地極,而當(dāng)直流線路或換流器發(fā)生故障后,整個(gè)系統(tǒng)將不能繼續(xù)運(yùn)行。此外,通過(guò)大地或金屬回線還可構(gòu)成單極不對(duì)稱結(jié)構(gòu),類似于傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)的一極。在相同系統(tǒng)參數(shù)下,相比于單極對(duì)稱系統(tǒng),單極不對(duì)稱系統(tǒng)換流閥所耐受的電壓水平是單極對(duì)稱系統(tǒng)的2倍,且直流側(cè)的不對(duì)稱還將造成換流器交流側(cè)電壓水平的提升。

為了提升柔性直流輸電系統(tǒng)的功率容量和電壓等級(jí),滿足特高壓、遠(yuǎn)距離大功率輸送的要求,單極換流站內(nèi)換流器還可以由若干容量較小換流器單元串并聯(lián)組合構(gòu)成。如圖1所示,兩個(gè)單極不對(duì)稱系統(tǒng)串聯(lián)還可以構(gòu)成與傳統(tǒng)高壓直流輸電類似的雙極對(duì)稱系統(tǒng)。

　　圖1典型兩端柔性直流輸電系統(tǒng)

采用雙極系統(tǒng)的變壓器需要承受由于直流電壓不對(duì)稱造成的變壓器直流偏置電壓,與常規(guī)直流變壓器不同的是,此時(shí)變壓器不需要承受換流站產(chǎn)生的諧波分量。目前柔性直流輸電系統(tǒng)采用單極結(jié)構(gòu)的最主要原因在于柔性直流輸電工程為了降低直流側(cè)故障的發(fā)生率,大都采用電纜作為傳輸回路。這樣,采用單個(gè)換流器的可靠性相對(duì)更高一些,而且降低了工程成本。

對(duì)于多端柔性直流輸電系統(tǒng),系統(tǒng)連接方式一般為并聯(lián)形式,以保證換流器工作在相同的直流電壓水平。并聯(lián)型多端柔性直流網(wǎng)絡(luò)又可分為星形和環(huán)形兩種基本結(jié)構(gòu)。其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)都可以看成這兩種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展和組合。圖2分別為4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　圖2多端直流輸電系統(tǒng)典型接線方式

并聯(lián)式的換流站之間以同等級(jí)直流電壓運(yùn)行,功率分配通過(guò)改變各換流站的電流來(lái)實(shí)現(xiàn);串聯(lián)式的換流站之間以同等級(jí)直流電流運(yùn)行,功率分配通過(guò)改變直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn);既有并聯(lián)又有串聯(lián)的混合式則增加了多端直流接線方式的靈活性。與串聯(lián)式相比,并聯(lián)式具有更小的線路損耗、更大的調(diào)節(jié)范圍、更易實(shí)現(xiàn)的絕緣配合、更靈活的擴(kuò)建方式以及突出的經(jīng)濟(jì)性,因此目前已運(yùn)行的多端直流輸電工程均采用并聯(lián)式接線方式。

2、柔性直流輸電換流器技術(shù)

根據(jù)橋臂的等效特性,柔性直流輸電的換流器技術(shù)可以分為可控開關(guān)型和可控電源型兩類。可控開關(guān)型換流器的換流橋臂等效為可控開關(guān),通過(guò)適當(dāng)?shù)拿}寬調(diào)制技術(shù)控制橋臂的開通與關(guān)斷,將直流側(cè)電壓投遞到交流側(cè)。可控電源型換流器儲(chǔ)能電容分散于各橋臂中,其換流橋臂等效為可控電壓源,通過(guò)改變橋臂的等效電壓,間接改變交流側(cè)輸出電壓。

模塊化多電平換流器是可控電源型換流器的典型代表。橋臂的等效輸出電壓是通過(guò)改變投入橋臂內(nèi)的串聯(lián)子模塊個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖3所示,根據(jù)子模塊所采用的類型,又可分為半橋型、全橋型以及鉗位雙子模塊型等多種形式。此外,級(jí)聯(lián)兩電平換流器(cascadedtwolevel,CTL)由半橋電路級(jí)聯(lián)而成,其本質(zhì)上也屬于可控電源型換流器。

　　圖3模塊化多電平子模塊拓?fù)?/p>

當(dāng)其橋臂中的子模塊超過(guò)一定數(shù)量時(shí),換流器輸出波形為近似正弦的階梯波,無(wú)需加裝濾波裝置。與兩電平換流器相比,模塊化多電平突出優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在:①模塊化設(shè)計(jì),易于電壓等級(jí)的提升和容量的升級(jí);②器件的開關(guān)頻率和開關(guān)應(yīng)力顯著降低;③輸出電壓諧波含量和總電壓畸變率大大減少,交流側(cè)無(wú)需濾波裝置。

相比于兩電平換流器,模塊化多電平換流器的不足主要在于:①由于每個(gè)橋臂中串聯(lián)的子模塊數(shù)量較多,因此閥控系統(tǒng)在每個(gè)周期內(nèi)所需處理的數(shù)據(jù)量非常大,對(duì)控制系統(tǒng)要求很高;②分布式儲(chǔ)能電容增加子模塊電容電壓的均衡控制;③各橋臂間能量分配不均,將破壞子模塊內(nèi)部的穩(wěn)定性,導(dǎo)致電流波形發(fā)生畸變。

在目前投入工程應(yīng)用的換流器技術(shù)中,無(wú)論是兩電平還是半橋型模塊化多電平換流器,均存在一個(gè)突出問(wèn)題,即無(wú)法在直流故障下實(shí)現(xiàn)交直流系統(tǒng)的隔離。但全橋式和鉗位雙子模塊型模塊化多電平換流器,由于可以使橋臂等效輸出電壓為負(fù),在直流電壓急劇降低時(shí),仍然可以支撐交流電壓,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流側(cè)短路電流的抑制作用。

3、柔性直流輸電控制與保護(hù)

柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的核心,用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的控制功能和故障下的保護(hù)功能。控制保護(hù)系統(tǒng)包括換流站級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)和換流閥級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)。

但與常規(guī)直流輸電不同的是,柔性直流輸電中的閥級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)遠(yuǎn)為復(fù)雜。尤其是在模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)中,換流站級(jí)控制器(簡(jiǎn)稱極控或者站控)只承擔(dān)一部分控制和保護(hù)功能,對(duì)閥體的控制保護(hù)更多依賴閥級(jí)控制器完成。包括根據(jù)換流站級(jí)控制信號(hào)的要求產(chǎn)生換流閥子模塊的控制信號(hào),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和匯總,以及實(shí)現(xiàn)換流閥的保護(hù)等功能(如圖4所示)。因此,柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)通常需要實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的高速同步控制,以滿足柔性直流輸電控制系統(tǒng)高實(shí)時(shí)性的要求。

　　圖4站控及閥控系統(tǒng)

柔性直流換流站級(jí)控制系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常啟動(dòng)、停運(yùn)操作外,還包括穩(wěn)態(tài)的功率控制和調(diào)節(jié),其功率控制器包括有功類功率控制器和無(wú)功類功率控制器,有功類控制器包括有功功率控制和直流電壓控制;無(wú)功類控制器包括無(wú)功功率控制和交流電壓控制。一般來(lái)說(shuō),雙端柔性直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要一站控制直流電壓,另一端控制有功功率,而兩站的無(wú)功調(diào)節(jié)相互獨(dú)立,可以自由選擇控制無(wú)功還是交流電壓。在控制策略上,無(wú)論采用兩電平還是模塊化多電平換流器技術(shù),其交流側(cè)具有類似的等效數(shù)學(xué)模型,因此均可采用相同的站級(jí)控制策略。在眾多的站級(jí)控制策略中,直接電流矢量控制策略以較高的電流響應(yīng)速度和精確的電流控制效果已成為電壓源型換流器的主流控制技術(shù)。

模塊化多電平換流器與常規(guī)直流輸電和兩電平柔性直流輸電控制系統(tǒng)的區(qū)別主要在閥級(jí)。柔性直流輸電中的閥基控制器(valvebasecontroller,VBC)是實(shí)現(xiàn)站級(jí)控制系統(tǒng)與底層子模塊控制的中間接口,用于實(shí)現(xiàn)閥臂的控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)及與站控系統(tǒng)以及換流閥的通信,同時(shí)實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡功能以及環(huán)流控制功能,這是保證模塊化多電平柔性直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。由于高壓大容量系統(tǒng)的閥臂往往由數(shù)百個(gè)子模塊組成,為保證各個(gè)子模塊之間的電壓平衡,VBC對(duì)子模塊數(shù)據(jù)的處理速度要求極高,往往在100μs以下,這種大規(guī)模子模塊的高速控制平衡技術(shù),對(duì)閥控設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。同時(shí),模塊化多電平技術(shù)所特有的環(huán)流現(xiàn)象會(huì)引起換流閥電流應(yīng)力以及損耗水平的上升,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)失穩(wěn)無(wú)法運(yùn)行,因此環(huán)流控制策略的設(shè)計(jì)也成為閥控中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

柔性直流輸電保護(hù)系統(tǒng)的主要功能是保護(hù)輸電系統(tǒng)中所有設(shè)備的安全正常運(yùn)行,在故障工況下,能夠迅速切除系統(tǒng)中故障或不正常的運(yùn)行設(shè)備,以保證剩余健全系統(tǒng)的安全運(yùn)行。高壓直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)配置需滿足可靠性、靈敏性、選擇性、快速性、可控性、安全性和可維修性等原則。基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)其故障特性與兩電平換流器系統(tǒng)保護(hù)策略兩者主要的區(qū)別在于具體的保護(hù)分區(qū)和保護(hù)算法設(shè)計(jì)。但總體而言在保護(hù)總體配置上相差不大。

4、柔性直流輸電工程的應(yīng)用

鑒于柔性直流輸電技術(shù)特點(diǎn),由其構(gòu)成的系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于可再生能源接入、孤島供電、城市供電、電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域。

采用柔性直流輸電技術(shù)來(lái)進(jìn)行風(fēng)電、太陽(yáng)能等功率輸出波動(dòng)較大的可再生能源接入,可以緩解由可再生能源輸出功率波動(dòng)引起的電壓波動(dòng),改善電能質(zhì)量。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),柔性直流輸電系統(tǒng)能夠有效地隔離故障,保證風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)CIGRE測(cè)算,在距離大陸60km以上的海上風(fēng)電場(chǎng),柔性直流輸電系統(tǒng)是唯一技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)上可接受的解決方案。

采用柔性直流輸電技術(shù)向海島、海上鉆井平臺(tái)等孤島負(fù)荷供電時(shí),可以充分發(fā)揮柔性直流系統(tǒng)可以自換相的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí),直流線路在投資、運(yùn)行費(fèi)用、長(zhǎng)距離傳輸不需要添加補(bǔ)償設(shè)備等方面相對(duì)于交流線路具有優(yōu)勢(shì)。

采用柔性直流輸電技術(shù)向城市中心供電,不僅可以快速控制有功功率和無(wú)功功率,解決電壓閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題;還能夠提供系統(tǒng)阻尼,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,并在嚴(yán)重故障時(shí)提供“黑啟動(dòng)功能”。另外,柔性直流輸電采用地埋式直流電纜,無(wú)交變電磁場(chǎng)、無(wú)油污染,可以在無(wú)電磁干擾及不影響城市市容的情況下,完成城市電網(wǎng)的增容改造,滿足城市中心負(fù)荷的需求和環(huán)保節(jié)能的要求。

采用柔性直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián),不僅可以完成電網(wǎng)間功率交換的功能,而且還可以憑借其快速獨(dú)立調(diào)節(jié)無(wú)功功率、“黑啟動(dòng)”、不提供短路電流等技術(shù)特性,解決大規(guī)模電網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、電網(wǎng)黑啟動(dòng)以及短路電流超標(biāo)等問(wèn)題。而且,柔性直流換流站占地面積較同等容量的常規(guī)直流換流站小,因此可以在更靠近負(fù)荷中心的位置建設(shè)換流站。

在歐洲、美洲、亞洲、大洋洲、非洲很多國(guó)家都有柔性直流輸電工程投運(yùn),其中有用于風(fēng)電接入、有用于電網(wǎng)互聯(lián)、有用于大型城市供電、有用于海上鉆井平臺(tái)供電。

2006年開始,國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位及時(shí)把握住了技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),與西門子公司幾乎同步開展了基于MMC的柔性直流輸電工程技術(shù)研究。在基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、核心設(shè)備研制、試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)、工程系統(tǒng)集成等方面取得了一系列的自主創(chuàng)新成果,并于2011年7月在上海南匯投運(yùn)了中國(guó)首條柔性直流輸電示范工程,使中國(guó)在柔性直流輸電技術(shù)與工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了飛躍式發(fā)展。

上海南匯柔性直流輸電示范工程采用模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu),其容量為20MW,直流電壓為±30kV,輸送長(zhǎng)度約為8km,南匯風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)該工程接入上海電網(wǎng)。

為了滿足大連市區(qū)南部經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力需求的增加,避免自然災(zāi)害對(duì)市區(qū)供電產(chǎn)生的嚴(yán)重影響,消除電網(wǎng)的安全隱患,2012年大連市計(jì)劃建設(shè)一個(gè)聯(lián)接北部主網(wǎng)和市區(qū)南部港東地區(qū)的柔性直流輸電工程。依托該工程的先期研究,開發(fā)成功了世界上首套1000MW/±320kV換流閥及閥基控制器,并通過(guò)了DNVKEMA的見證試驗(yàn)。這標(biāo)志著中國(guó)在柔性直流輸電換流閥領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到世界最高水平。同時(shí)建成了世界上規(guī)模最大的400電平動(dòng)模平臺(tái),該平臺(tái)有效驗(yàn)證了大連閥控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和各種功能的正確性。在工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,中國(guó)掌握了一整套高壓大容量柔性直流系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)技術(shù)、換流站施工技術(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)技術(shù),為中國(guó)柔性直流技術(shù)的進(jìn)一步推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。

在廣東南澳風(fēng)電基地,2013年底投運(yùn)一個(gè)三端柔性直流輸電工程。因?yàn)槟习膷u周圍安裝了大量風(fēng)力發(fā)電機(jī),為實(shí)現(xiàn)可靠的風(fēng)電接入,首先將兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)分別通過(guò)110kV變電站接入兩端換流站,在匯總后通過(guò)柔性直流輸電系統(tǒng)將電能輸送到汕頭電網(wǎng)。南澳工程的直流電壓等級(jí)為±160kV,輸送額定功率為200MW。

為提高舟山電網(wǎng)的供電可靠性和運(yùn)行靈活性,并考慮對(duì)舟山諸島豐富風(fēng)力資源的消納,國(guó)家電網(wǎng)公司在浙江舟山建設(shè)了一個(gè)5端柔性直流輸電工程。該工程于2014年6月投運(yùn),包含5個(gè)換流站,系統(tǒng)總?cè)萘?000MW,其中最大的換流站容量為400MW,直流電壓等級(jí)為±200kV。該工程是目前世界上端數(shù)最多的柔性直流輸電工程,可滿足舟山地區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)需求,形成北部諸島供電的第二電源,提高供電可靠性;提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償能力,提高舟山電網(wǎng)電能質(zhì)量;緩解舟山群島風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)難題,提高電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的靈活性。工程的建設(shè)和實(shí)施,也將為未來(lái)實(shí)現(xiàn)海島供電、可再生能源并網(wǎng)、多端直流輸電系統(tǒng)乃至直流電網(wǎng)構(gòu)建等應(yīng)用,提供技術(shù)和工程上的良好借鑒。

5、結(jié)語(yǔ)

柔性直流技術(shù)以其有功無(wú)功獨(dú)立調(diào)節(jié)、無(wú)源供電能力以及易于構(gòu)建直流電網(wǎng)等特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。同時(shí)，可關(guān)斷器件、直流電纜等設(shè)備技術(shù)水平的不斷提高，有效增強(qiáng)了柔性直流的輸送容量水平，使柔性直流輸電成為電網(wǎng)可采用的主要輸電方式之一。可以預(yù)見，隨著未來(lái)可再生能源接入和電網(wǎng)改造升級(jí)等需求，世界范圍內(nèi)的柔性直流輸電應(yīng)用將會(huì)獲得日益廣闊的發(fā)展。