柔性直流输电工程技术研究、应用及发展

柔性直流输电工程技术研究、应用及发展

陈建华

国网青海省电力公司超高压公司，青海西宁 810000

摘要：柔性直流输电作为新一代直流输电技术，在世界范围内已经得到广泛发展和应用。文中针对柔性直流输电在工程技术、工程应用与未来发展３个方面分别进行了总结和分析。针对柔性直流输电系统主接线、换流器拓扑结构、控制和保护技术、柔性直流电缆、换流阀试验等多方面进行了全面的技术分析，并指出其技术难点以及未来发展的目标和方向。介绍了国内外柔性直流输电工程应用领域及现状，并结合未来电网发展特点及需求，分析了柔性直流输电工程应用的趋势，表明了柔性直流输电技术对促进未来电网的发展具有极其重要的作用。

关键词：柔性直流输电；两电平换流器；模块化多电平换流器；直流电网

前言：早期的柔性直流输电都是采用两电平或三电平换流器技术，但是一直存在谐波含量高、开关损耗大等缺陷。随着工程对于电压等级和容量需求的不断提升，这些缺陷体现得越来越明显，成为两电平或三电平技术本身难以逾越的瓶颈。因此，未来两电平或三电平技术将会主要用于较小功率传输或一些特殊应用场合该技术的出现，提升了柔性直流输电工程的运行效益，极大地促进了柔性直流输电技术的发展及其工程推广应用。本文从工程技术、工程应用与未来发展３个层面出发，首先分析了柔性直流输电工程现阶段技术发展所面临的挑战，未来相关技术的发展方向及预期的技术目标；然后总结了世界柔性直流输电工程的发展和应用情况，介绍了国外和国内典型柔性直流输电工程，指出其技术和应用上的特点；最后分析了未来国内外在柔性直流输电工程应用领域可能的发展趋势和前景。

一，柔性直流输电工程技术

（一）柔性直流输电系统主接线采用两电平、三电平换流器的柔性直流输电系统一般采用在直流侧中性点接地的方式，而模块化多电平柔性直流输电系统则一般采用交流侧接地的方式。无论是采用直流侧中性点接地的两电平、三电平换流器还是采用交流侧接地的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统均为单极对称系统。正常运行时接地点不会有工作电流流过，不需要设置专门的接地极，而当直流线路或换流器发生故障后，整个系统将不能继续运行。此外，通过大地或金属回线还可构成单极不对称结构，类似于传统高压直流输电系统的一个极。在相同系统参数下，相比于单极对称系统，单极不对称系统换流阀所耐受的电压水平是单极对称系统的２倍，且直流侧的不对称还将造成换流器交流侧电压水平的提升。为了提升柔性直流输电系统的功率容量和电压等级，满足特高压、远距离、大功率输送的要求，单极换流站内换流器还可以由若干容量较小换流器单元串并联组合构成。

（二）柔性直流输电换流器技术根据桥臂的等效特性，柔性直流输电的换流器可以分为可控开关型和可控电源型两类。可控开关型换流器的换流桥臂等效为可控开关，通过适当的脉宽调制技术控制桥臂的开通与关断，将直流侧电压投递到交流侧。可控电源型换流器的储能电容分散于各桥臂中，其换流桥臂等效为可控电压源，通过改变桥臂的等效电压，间接改变交流侧输出电压。

二，　柔性直流输电工程应用领域及现状

　柔性直流输电工程应用领域鉴于柔性直流输电技术特点，由其构成的系统可广泛应用于可再生能源接入、孤岛供电、城市供电、电网互联等领域。采用柔性直流输电技术来进行风电、太阳能等功率输出波动较大的可再生能源接入，可以缓解由可再生能源输出功率波动引起的电压波动，改善电能质量。当交流系统发生短路故障时，柔性直流输电系统能够有效地隔离故障，保证风电场的稳定运行。据ＣＩＧＲＥ测算，在距离大陆６０ｋｍ以上的海上风电场，柔性直流输电系统是唯一技术上可实现、经济上可接受的解决方案。采用柔性直流输电技术向海岛、海上钻井平台等孤岛负荷供电时，可以充分发挥柔性直流系统自换相的技术优势。同时，直流线路在投资、运行费用、长距离传输不需要添加补偿设备等方面相对于交流线路具有优势。采用柔性直流输电技术向城市中心供电，不仅可以快速控制有功功率和无功功率，解决电压闪变等电能质量问题；还能够提供系统阻尼，提高系统稳定性，并在严重故障时提供“黑启动功能”。另外，柔性直流输电采用地埋式直流电缆，无交变电磁场、无油污染，可以在无电磁干扰及不影响城市市容的情况下，完成城市电网的增容改造，满足城市中心负荷的需求和环保节能的要求。采用柔性直流输电技术实现电网互联，不仅可以完成电网间功率交换的功能，还可以凭借其快速独立调节无功功率、“黑启动”、不提供短路电流等技术特性，解决大规模电网中的动态稳定性、电网黑启动以及短路电流超标等问题。同时，柔性直流换流站较同等容量的常规直流换流站占地面积更小，因此可以建设在更靠近负荷中心的位置。

柔性直流输电未来发展趋势柔性直流技术的快速进步，推动了其在风电并网、电网互联等场合的广泛应用，而市场的发展又反过来推动了技术水平的提升。从目前国内外应用需求上看，未来柔性直流技术的主要发展方向将包括：高压大容量柔性直流技术、直流电网技术及架空线柔性直流输电技术等。

高压大容量柔性直流输电技术大型风电场群、城市负荷、电网互联等应用场合对柔性直流输电输送容量提出更高要求。目前世界上最高等级柔性直流输电工程为１　０００ＭＷ／±３２０ｋＶ，而在未来３～５年，１　２００ＭＷ／±４００ｋＶ及以上等级的工程也将很快得到实施。从技术上来看，目前柔性直流输电系统未来电压等级和容量的提升，主要受到ＸＬＰＥ电缆的电压等级和现有绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）器件发展水平的限制。而此前工程中所采用单个换流器方式，也限制了系统容量的提升。因此未来柔性直流的容量水平提升，将主要集中于更高电压等级ＸＬＰＥ电缆、新型大容量电力电子器件以及新的系统拓扑应用等方面。１）ＸＬＰＥ电缆技术在电缆的选择上，更大容量的柔性直流输电工程目前还可以考虑采用ＭＩ电缆。这种电缆有更高的电压等级，但造价相对要高，难以大范围推广，因此未来仍然需要在ＸＬＰＥ电缆方面取得突破。在ＸＬＰＥ电缆方面，目前面临的主要难点是电缆绝缘材料的电荷分布和制造工艺，以及电缆接头的设计和加工。世界上的主要电缆厂家，均在此方面投入了较大的研发力度。目前±５００ｋＶ的ＸＬＰＥ电缆已经处于试验阶段，有望在近２～３年内能够得到工程应用。而随着未来工程等级的继续提升，更高电压等级的ＸＬＰＥ电缆也可能会出现。根据预测，在未来５年内，ＸＬＰＥ直流电缆的电压和容量等级将可以提升至６００ｋＶ／２ＧＷ。而在未来１０年左右的时间内，直流电缆的电压和容量等级将会达到７５０ｋＶ／３ＧＷ以上。２）电力电子器件技术提高ＩＧＢＴ器件的容量，需要解决由于电压电流提升给ＩＧＢＴ芯片制造及封装带来的难题。要在保证产品可靠性的同时大幅提升产品生产工艺，所面临的难度极高。目前国内外的主要器件生产厂家针对高压大电流等级的ＩＧＢＴ器件都正在开展研发，有望在未来几年内投入商业使用。同时，在器件的应用过程中还要解决新型ＩＧＢＴ的驱动设计、电流关断过冲抑制、快速保护设计等一系列技术难点，这需要进行认真的设计及长期的测试验证。

结束语：对于区域性新能源并网和消纳问题，柔性直流和直流电网技术将是有效的补充。未来１０年将是直流电网技术和建设快速发展的阶段，随着容量的不断提升，某些领域逐步取代传统直流和交流输电是大势所趋。

参考文献：

［１］国家电网公司．国家电网公司促进清洁能源发展综合研究报告［Ｒ］．北京：国家电网公司，２００９．