摘要：柔性直流输电在国家能源结构调整、区域能源互联发展中具有重要的作用，是一种具有广泛应用前景的先进输电技术。本文分析了柔性直流输电技术的特点及发展现状，总结了柔性直流输电技术的使用范围，简要介绍了厦门柔性直流工程的技术特点，并对柔性直流发电技能发展前景及挑战进行了展望分析。
关键词：柔性直流；技术特点；应用前景
引言
McGill大学的Boon-TeckOoi等专家在1990年初次提出依据电压源换流器（VSC）的直流输电概念，标志着第三代直流输电技能的诞生。其技能创新点在于选用大功率绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的换流器，经过使用脉宽调制技能（PWM），可完成有功功率和无功功率的独立控制，有利于提高系统稳定性、增加动态无功容量、改进电能质量，在新能源并网、孤岛供电、异步电网互联、城市电网供电等方面具有广阔的使用前景。国际权威电力学术组织将其学术名称定义为“VSC-HVDC”，即“基于电压源换流器的高压直流输电”。我国为了简化、形象地描述此技术，将该技术简称为“柔性直流输电（HVDC Flexible）”，以区别于采用晶闸管的常规直流输电技术。
1柔性直流技术的发展历程
前期由ABB公司建造投产的换流器拓扑主要为两电平VSC以及二极管钳位型三电平VSC。两电平及三电平换流器电路构造简单、所需电子器材电容器数量少，但因为输出电平数少，须选用高频PWM调制，对开关器材的一致性和均压性要求较高，而且损耗较大，变成制约VSC-HVDC发展的首要问题。2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学R.Marquart和A.Lesnicar提出了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑构造。MMC经过子模块（SM）级联而成，选用阶梯波的方法逼近正弦波，使得IGBT的开关频率从lkHz以上下降至100~300Hz左右，具有损耗低、输出波形质量高、制作难度下降、故障处理能力强的特点，极大地提升了柔性直流输电工程的运转效益。因为柔性直流技能具有潮流翻转时不改变电压极性的特点，因而易于构成多端直流体系（MTDC），完成多电源供电和多落点受电，适用于散布式发电等范围。现在，依据MMC的MTDC体系是当时国内外的研讨热门和工程建造计划。尽管中国柔性直流输电技能研讨起步较晚，但建造投产的柔性直流输电工程均选用了领先的MMC模块化拓扑构造，在容量及端数上均有突破，表明了中国在柔性直流输电技能使用方面已处于世界领先水平。
2国内外研究与应用情况
2.1国内外柔性直流输电工程
到2014年为止，国外已投运的柔性直流输电工程如表1所示，其主要分布在欧洲和美国。
2.2柔性直流输电的特点及应用现状
2.2.1柔性直流输电的特点
①可用于电网互联。②功率控制更加灵活，有功无功独立可调。③可不停电快速完成潮流转换。④可向无源网络供电，可用于海岛供电、清洁能源并网。⑤输出波形理想，不需要滤波和无功补偿设备，占地面积大幅减小。
2.2.2柔性直流的应用现状
①电网互联：解决了短路电流超标、电网稳定性以及黑启动问题。2016年投运的鲁西背靠背工程既是利用柔性直流与常规直流并联完成云南电网与南方电网主网异步联网。②城市供电：解决了电能质量、输送容量以及分区互供问题。2015年投运的厦门柔直工程即为城市供电的典型案例。③新能源接入：解决了电压波动及频率波动问题。由于柔性直流有功无功独立可调，故可以很好的解决新能源接入电网引起的电网电压及频率的波动。2011年投运的南汇工程即为新能源接入的典型应用。④岛屿平台供电：解决了无源启动等问题。由于柔性直流输电技术具有无源启动的功能，所以很适合用于向岛屿、平台等无源网络供电。
3厦门柔性直流换流站简介及技术特点
3.1厦门柔性直流换流站简介
厦门柔直工程是世界上第一个采用对称双极接线柔性直流输电工程。额定电压±320kV，额定容量1000MW。厦门柔直工程的建成将能消除厦门岛作为无源电网的劣势，不仅可以补充岛内电力缺额，还具备无功补偿功能，能快速调节岛内电网的无功功率，稳定电压电压，提高供电可靠性，对推动大容量柔性直流输电先进技术在世界的示范应用也有着重要的意义。
3.2技术特点
厦门柔直工程是首个采用对称双极接线方式的柔性直流输电工程，接线方式如图1所示。
④STATCOM运行：该运行方式为直流线路及金属回线检修时的运行方式。
4柔性直流输电技术的发展趋势及面临的挑战
4.1直流输电混合化
直流输电混合化是指将常规直流和柔性直流以并联或串联的方式构成混合直流输电系统。①常规直流与柔性直流并联方式，能够改进直流输电系统的谐波，提高无功补偿与潮流控制的灵活性，提高系统的动态响应能力。②送电端选用常规直流、受电端选用柔性直流，能够防止因为常规直流换相失败引起的冲击导致的受端交流电网电压失稳的风险，同时能够节省受端占地。
4.2直流输电网络化
直流电网的特点是其间的换流站、直流变压器、电源都具有较强的可控性。因而，直流电网能够灵敏地在各个换流站之间分配功率。
4.3高电压大容量化
随着电力电子技术的发展，柔性直流输电将进入高压大容量阶段。未来几年，电压和容量有望达到500kV常规直流输电水平。
4.4柔性直流技术面临的挑战
①电力电子开关器件技术：目前世界上可供柔性直流工程应用的IGBT模块最高额定参数为3300V/1500A，还难以满足高压大容量输电的要求。更高参数规格的IGBT器件尚处研发之中。②换流器拓扑技术：已有的换流拓扑技术无法清除线直流路故障，为降低直流停运概率，柔性直流线路基本不采用采用架空线，这限制了柔性直流的应用场合。如何在现有的拓扑上进行改进，甚至研究出全新的换流器拓扑，是目前研究的一个热点问题。③直流断路器：目前任一直流线路故障，清除故障的唯一方式是跳开各侧换流站的交流进线开关，造成整个直流系统停运。柔性直流输电系统直流侧故障工况比常规直流更为严重，要确保非故障端持续运行，需要在5ms之内实现故障隔离。现有机械式高压直流开关开断时间（>10ms）和断流能力均不能满足要求。2016年12月全球首个投入工程应用的高压直流断路器在舟山投运，为直流电网的发展奠定了技术基础和工程经验，具有重大的示范意义。④直流变压器：将不同电压等级的直流线路联接形成网络，充分提高直流电网的运行灵活性，直流变压器是必不可少的设备。国内外还未有相关的产品推出，各个研究单位和产业公司均在研究和概念设计阶段，预计成熟产品的推出还需要一定时间。
结语
随着柔性直流输电输送容量、电压等级不断提高，系统损耗和成本的不断下降，各国能源战略和能源结构的不断优化调整，柔性直流输电必将在全世界得到更快的发展。
参考文献：
[1]汤广福，贺之渊，庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J].电力系统自动化，2013，15：3-14.
[2]许树楷，梁允源，郭自勇.中海油文昌柔性直流输电系统现场试验［J］．南方电网技术，2011，5（4）：1－4．
论文作者:卓智伟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第10期
论文发表时间:2017/8/8
标签：柔性论文; 电网论文; 工程论文; 技术论文; 电压论文; 无源论文; 拓扑论文; 《电力设备》2017年第10期论文;