摘要：柔性（柔性）直流输电解决了新能源尤其是风电并网系统稳定问题；超高压直流输电解决了大功率远距离输电和系统稳定性问题；特高压直流输电解决了输电线路特别长，输送容量特别大的电能传输问题的系统问题；背靠背直流输电，解决了短距离非同步的联网传输的系统稳定性问题。柔性直流输电是采用先进的电压源换流器VSC技术，是目前公认的风电并网消纳的最佳输电方式，解决了风力发电上网对系统稳定造成的威胁问题。柔性直流输电是智能电网发展的必然。
关键词：柔性直流；输电技术；风电并网
1 风电并网方式简介
1.1常规风电并网
目前国内风电机组并网多采用高压交流输电模式。风力发电机系统可分为恒速恒频发电机系统和变速恒频发电机系统。恒速恒频同步发电机系统因风速的变化会使其转子转矩不稳定，并网后如不能有效控制易发生无功振荡和风机失步。恒速恒频异步发电机系统如果直接并网会产生4～5倍发电机额定电流的冲击电流威胁电网安全运行，同时在输电线路两端需安装无功补偿装置来提供并网所需的无功支撑。变速恒频发电机系统在弥补恒速恒频发电机系统缺点的同时带来建设成本高、产生高次谐波电流等新问题。
1.2柔性直流风电并网
采用高压直流输电模式并网可以完全的控制风电的潮流，实现送端系统与受端系统的解耦以避免故障的传播，利用直流输电较交流输电降低了线路损耗，且占地面积小，特别适用于离岸风力发电、海上平台供电等场合。柔性直流输电（HVDCFlexible）并网不仅具备高压直流输电并网的优点，同时还具备无需外部电源支撑可实现自换相的能力，不需要交流系统提供换相容量，适合弱交流系统场合下使用。具有无功功率的独立控制能力避免了无功补偿装置的使用，实现了无功功率与有功功率的相互独立。
2 柔性直流输电技术
2.1柔性直流输电技术
传统直流输电以晶闸管为换流原件，采用相控换流技术，以交流母线线电压过零点为基准，通过顺序发出触发脉冲，形成一定顺序的硅阀通与断，从而实现交流电与直流电的相互转换。
传统直流输电连接交流系统需要换相电压，容易发生换相失败故障；传输同样容量的功率时，占地面积比柔性直流输电大2倍以上，单位造价也相对较高。传统直流输电没有发出无功的能力，而且其本身还需要大量的无功补偿装置，因此换流站面积需要加大。
与基于自然换相技术的电流源型换流器的传统直流输电不同，柔性直流输电（VSC－HVDC）系统的主要器件包括电压源换流器（VSC）、换流变压器、换相电抗器、直流电容器和交流滤波器等。根据系统需求，电压换流器可以方便地进行整流／逆变运行状态转换；两侧换流器协调控制运行，实现两端交流系统间的有功功率交换。
柔性直流输电是基于电压源换流器的新一代直流输电技术，可以独立控制其输出电压的相位和幅值，从而能够快速、灵活地调节其输出的有功和无功功率，不仅能较好地解决风电等绿色能源大规模并网问题，还能解决电网存在的结构薄弱、短路电流偏大、动态无功补偿不足等问题。
柔性直流输电技术是采用的基于IGBT和PWM技术的VSC，其特性和优点胜于传统的高压直流输电系统和交流输电系统：
2.2.1传统HVDC均采用自然换向的相控换流器（PCC），由无自断能力的晶闸管（Thyristor）组成，受端系统为逆变器提供变换相电压，在弱交流系统的末端时，用同步摄像机来改善换相条；柔性直流输电技术使用自关断电流的IGBT，受端是无源网络，减少对设备的需求；
2.2.2系统通过VSC控制：实现相互独立的有功、无功功率传输。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在有功不变，交流系统无功实现动态补偿，交流电压稳定，实现静态无功补偿（STATCOM）功能，并在电网故障时，提供电网无功功率支持；
2.2.3系统采用PWM控制技术：IGBT开关在高频状态下，系统的滤波设备大幅下降，只需要低通滤波即可设定的交流电压和电流；
2.2.4VSC换流器较适宜多端直流母线连接，通过换流站之间的控制建立多端直流输电系统，与交流系统有相同的拓扑结构。系统在潮流反转时能够保证直流电压的极性并且仅需要改变电流的方向，即对潮流进行操控；
2.2.5VSC换流站独立于两端的交流源，让系统对交流源的的干扰不敏感，同时交流电压的故障也不影响到直流传输；当交流系统发生接地或短路故障而导致交流电压下降，VSC的控制作用直流电传输会自动调整到预定故障值；
2.2.6整流侧和逆变侧的VSC控制系统能互相独立控制，使控制器的可靠性和反应速度得到提高，减少了传统的HVDC交流通信失败的风险。
3 柔性直流输电技术在风电场并网中的应用
大规模风电场只有并入电网才能实现经济价值。我国的风电场通常远离地区电网，连接电网的送电线路一般较长。目前，多数风电场并网选择的是交流并网技术。但交流并网技术普遍存在技术瓶颈：需要风电场与电网频率严格保持同步，风机对并网处交流母线电压的波动很敏感，交流系统的电压波动往往会造成风机退网；如果海上风电场使用交流母线连接，当电缆长度超过一定数值后，需要很大的感性无功补偿装置，否则离岸远的风电场很难进行无功补偿。随着频率随风速变化的直驱式永磁同步风电机在风电场中使用，输电相对稳定、运行方式灵活、可控性较好的柔性直流输电技术开始备受青睐。
柔性直流输电技术能给风电场提供有效的动态无功支撑，在为风电场提供优良并网性能的同时，免除了无功补偿设备的投资，既改善了风电场对系统波动的抗干扰能力，又避免了风电场电压波动对电网的影响。由于提供了电压支撑，柔性直流输电还能提升风电场在系统发生故障时的低压穿越能力。理论上柔性直流输电不受距离限制，尤其是远距离输电时，柔性直流输电技术是大型远距离海上风电场并网的最佳选择。
柔性直流输电可以在很大的频率范围内运行（30～65Hz），使风电场频率能根据风能密度变化而变化，从而进行风电出力优化。正在研究中的风电储能系统更容易和柔性直流结合，能更好地解决风电功率不确定、分散等问题，使电网更容易接受风电输出特性。鉴于柔性直流输电具有上述诸多优势，现已成为当今国际公认的风电场并网最佳技术方案。
基于我国海岸线辽阔，加之海上风电机组年利用小时数高，运用直流输电技术可以使大规模海上风电场被沿海地区重工业有效利用。我国江苏、上海、广东、海南等省份有丰富的风能资源，这些沿海地带建有许多工业基地和轧钢厂、电解铝厂、铸造厂等耗电量非常大的企业，如果用柔性直流输电技术将这些耗电量非常大、对电能质量要求不高的重工业区与海上风电场直接相连，形成一个单独的输电网络，既可以解决沿海地区缺电问题，又可以充分利用海上风电场发出的电能。当风电场不能完全提供电能需求时，可以启动地方电网对工业区供电，如果在海上风电场建立非常精确的天气监测系统，就可以更好的预测海上风电场功率，在电网运行过程中增加网间的调峰容量互济，这样就可以有效地控制火电厂机组的起停调峰，届时将减轻风电波动性和随机性对风电场利用率的影响。
4 结语
随着可再生能源在世界范围的大规模开发和利用，柔性直流输电技术凭借其经济环保、快速灵活、安全可靠、性能稳定等优势，必将成为解决风电等绿色能源稳定并网的技术手段。风电场在柔性直流输电技术的支持下必然会突破现有的瓶颈，形成新的发展规模。
参考文献：
[1]周洪江.柔性直流输电技术的发展与应用[J].现代企业教育，2014，12：478.
[2]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.
论文作者:贾心言
论文发表刊物:《基层建设》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/18
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