（国网江西省电力公司赣州供电分公司）
摘要：为满足国内直流输电工程的建设需要，紧跟直流输电设备制造水平的前沿技术，对直流输电技术发展的最新成果进行了总结。总结了特高压直流运行方式的特点，指出将电流自然换相技术与柔性直流技术相结合构成多端直流输电技术是未来直流输电技术的发展方向；介绍了多换流站共用接地极技术、换相直流输电技术、大功率半导体器件及换流变压器的应用现状；分析了 3 种光电式电流互感器的特点；总结了直流输电控制保护系统的发展现状；最后结合生产实际，阐述了跨区电网运行中采用区域直流集控技术的优势。
关键词：高压直流；输电；换流阀；换流变压器；电流互感器
1直流输电主接线拓扑结构
1.1 特高压直流输电
国家电网公司主导建设的特高压直流输电工程采用双 12 脉动阀组串联技术。特高压直流拓扑最显著的特点为解决了为提高系统可用率而产生的换流器的在线投退问题。对一个极而言，既可以采用单组 12 脉动换流阀运行，也可以采用 2 组 12脉动换流阀串联运行，每个阀组都并联了旁路断路器和旁路隔离开关，允许一个阀组退出运行后另一个阀组继续运行。该接线方案中，每极高低 12脉动换流器两端设计电压相同，其正送和反送率传输方向下运行方式有 40 余种，灵活的运行方式也大大提高了特高压直流输电系统的可靠性。
1.2 多端直流
多端直流即由多个换流站及其间连接的输电线路组成的高压直流系统，早在 20 世纪 60 年代就有相关原理阐述。目前投运的系统包括意大利—科西嘉—撒丁岛三端系统、魁北克—新型格兰系统等。多端系统可以实现多点直流联网，实现分区电力消纳，各换流站出线大大减少，短路电流水平降低；其次，可以有效解决交流系统潮流回转问题，减轻了受端交流系统的压力。充分利用现有交流系统的输送能力，可降低受端交流系统投资。但是采用传统的电流源自然换相点实现的多端直流输电，无论是串联式还是并联式均存在协调控制难度高等问题，特别是一个换流站的停运必须对所有换流站的控制施加协调调整。
近年来，随着电压源换流器（voltage source converter，VSC）技术的成熟，有学者提出了混合型多端直流输电技术，该技术结合了 2 种换流技术的特点，常规直流用于高电压强馈入系统接入，VSC则用于无源或弱馈入系统联网或分散电源的接入，结构如图 1 所示
图1 混合型多端直流结构
极联式多端直流是我国电力工作者结合我国实际最先提出的一种多端直流拓扑结构，如图 2所示。该拓扑是将同一极的换流器组合理分布于不同的物理点，送端或受端都可能由地理位置上不同的若干换流端组成，整个系统控制方式与一条含多换流器组的特高压直流线路的控制没有区别，也可以灵活的安排不同地点的阀组灵活的投退运行。该拓扑的核心是电源接入点及负荷馈出点分散分布，由此带来的优点包括：减少了从交流电源到送端换流站的联系输变电工程投资；减少了单一换流端无功功率的压力，便于无功合理就地平衡；通过分区消纳电力，各换流站出线大大减少，短路电流水平降低；有效解决了交流系统潮流回转问题，减轻了受端交流系统的压力。极联式多端高压直流输电在一次设备的制造上没有技术难点，特高压直流多阀组投退的成功经验可以直接移植。需要验证的是广域范围下直流输电控制保护系统受通讯延时的影响，并要注意结合送、受端电网稳定问题设计合适的故障响应策略，并可以结合送、受端潮流情况合理设计每一换流阀组输送功率的协调分配控制策略（调节裕度受单换流阀组换流变分接头调整范围限制）。
图2 极联式多端直流拓扑结构
1.3 公用接地极
接地极拓扑设计是直流输电系统设计的重要部分。根据直流输电系统拓扑的不同，接地极系统的主要功能包括钳制中性点电位、提供直流电流通路等。我国能源和负荷中心均较集中，在一个有限区域内往往规划了数个整流或逆变站，直流接地极选址和设计将越来越困难。最典型的如金沙江上游地区已建并计划建设3条800 kV 直流输电线路从溪洛渡和向家坝水电站送出电力，建设1条800 kV直流输电线路从锦屏电站送出电力。4 条直流线路的送端均处山区，不易找到合适的接地极。典型的受端区域，如华东地区已有三峡送出工程的 3 条500 kV 直流及800 kV 复奉系统落点，后续还将有锦苏工程等?800 kV 工程的接地极需要规划，上述区域内接地极址的选择已比较困难。在一些换流站集中区域的接地极设计中，已提出了共用接地极的思路。共用接地极可以减少接地极（址）数量、降低工程投资、提高接地极的利用效率，具有显著的社会效益和经济效益，但也存在一些问题，如不平衡运行方式时接地极电流过大；整流侧中性点电压的偏移直接导致线路到中性线的电压偏移额定值，逆变侧中性点电压的偏移直接导致线路对地电压偏移额定值；接地极线路检修工作安排较单独接地极方式复杂等。
2 换流技术
2.1 电容换相直流输电
为改善换流器特性及整个直流输电系统的性能，电容换相换流器（capacitor commutated converters，CCC）在常规直流换流器中串入电容器构成换相电路。电容器一般串接在阀桥和换流变压器之间，如图 3 所示。
为避免换相失败，基于电网换相换流器（linecommutated converter，LCC）的传统直流输电，需保证熄弧角具有 15?或更大的裕度，由此需消耗大量的无功功率，无功补偿及滤波设备容量通常占系统传输容量的 30%~40%。CCC 技术将固定电容器串联接入传统换流系统的换流变压器和换流器之间，通过串联电容器来补偿换流器的无功消耗，且无功消耗基本不随直流输送有功的变化而变化，减少了换流站无功补偿和相应的投切开关等设备。电容换相换流器可以显著提高交直流系统的稳定性，增加抗干扰能力，减少换相失败机率，并抑制直流短路电流。
图3 电容换相换流器拓扑
2.2 柔性直流输电
随着以全控型器件为基础的 VSC 的成熟，产生了柔性直流输电技术。1990 年，加拿大 McGill大学的 Boon-Teck Ooi 等首先提出了采用 脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）技术控制的 VSC进行直流输电的概念，为了与传统直流输电相区别，我国称其为柔性直流输电。ABB 公司于 1997 年 3 月进行了首次柔性直流输电的工业实验。1999 年，ABB公司在 Gotland投入运行了世界上第 1 个商业化的柔性直流输电系统。目前世界上容量最大的柔性直流输送容量已经达到 350 MW，且随着大容量全控型开关器件的研制成功，其输送容量还会得到较大幅度的提高。2011 年 7 月 25 日，我国自主研发的首个柔性直流输电（上海南汇风电场）工程正式投入运行，该工程额定电压为?30 kV，额定电流为 300 A，采用模块化多电平换流器拓扑。
2.3 综合比较
常规的 LCC 换流技术应用成熟，设备可靠性水平也不断提高，单位输送容量造价也不断降低，适用于大容量高电压长距离送电工程。该类型换流技术需要在送受端补偿大量的无功功率，随着输送容量的不断增加，在送受端区域的无功平衡问题将变得严重，特别是在弱馈入或直流多落点地区，如果某受端区域内的多条直流发生换相失败故障，对于该区域电网的稳定性影响是巨大的。CCC 技术有利于减少无功补偿量和减少换相失败的危险，CCC 换相技术目前在国内尚未有应用实例，其主要原因是换相过程中阀本体电压应力高，相同电压等级下阀体制造成本增加。技术经济比较结果表明，在单位无功补偿单位容量造价不断下降的情况下，使用 CCC 技术的直流输电经济性明显偏低。
柔性直流输电可以实现有功无功的解耦控制，实际应用中的控制方式更加灵活丰富。分布式发电系统、孤岛系统等接入系统主网时可能发生低频振荡现象，限制断面功率传输，柔性直流输电功率小信号调制功能可有效应对上述问题。由于柔性直流输电的 PQ 解耦控制特性，在进行有功功率调制时，可以向受端系统提供无功，因此更适合用于弱阻尼系统联网方式，也适用于多馈入或弱馈入区域供电。柔性直流输电发展的主要限制因素包括全控型器件的耐压和通流水平、通态损耗，其限制了柔性直流输电在高电压大容量输送背景下的应用。如果能够较好地解决阀本体过电压保护，又能大大降低各种运行损耗，可以预见该技术将是未来直流输电的主要发展方向，模块化多电平技术是柔性直流输电最重要的具有工业应用前景的技术。
3 大功率半导体器件
3.1 电触发晶闸管器件
晶闸管是传统直流输电的核心设备，直流输电工程中使用最多的是电触发晶闸管（electricallytriggered thyristor，ETT），相比问世之初其功率容量已提高了近 3 000 倍，其最大的功率等级达12 kV/6 kA。国内目前工程实践已有 6 英寸ETT 的成功应用经验，其中，灵宝背靠背扩建工程晶闸管额定电流为 4.5 kA、额定电压为 7.2 kV，芯片直径为 134 mm。换流阀中使用并且晶闸管因可以光触发，故很容易实现串联连接。复奉特高压工程使用的 6 英寸大功率晶闸管，其峰值阻断电压为8.5 kV，无需并联即可实现 4.5 kA 的直流电流。我国株洲南车时代公司也已自主研发出阻断电压为8 kV 的 6 英寸晶闸管。中电普瑞公司基于国产晶闸管研发的A5000换流阀额定通流能力为4750 A，额定传送功率为 7.6 GW，2 h 过负荷能力为 5 kA，故障电流耐受能力为 50 kA，多重阀雷电冲击耐受能力为 1 900 kV。
3.2 光触发晶闸管器件
光触发晶闸管（light trigger thyristor，LTT）即用光直接照射晶闸管芯片来触发晶闸管。LTT 阀核心技术为光脉冲不经光电转换而直接送到晶闸管元件的门极光敏区以触发晶闸管阀片。全光触发晶闸管具有无需门极触发取能回路的特点，提高了整体技术可靠性，同时该技术在阀片中心光敏区域增加了用于击穿二极管（break over diode，BOD）的保护结构。自 1988 年 ABB 公司在在 Konti-Skan 工程中用 LTT 代替汞弧阀以来，LTT 器件的发展已有长足进步，英飞凌公司（即最初的 EUPEC 公司）及日本三菱公司代表了当今最高的器件制造水平，英飞凌公司已可提供8kV/3570A、5.2kV/4980A等水平的LTT器件，日本三菱公司可以生产目前世界上容量最大的 LTT 器件，器件水平为 8kV/3.6kA。
3.3 碳化硅晶闸管
近年来，碳化硅材料因其具有更高的击穿电场强度而被用于制造更高水平的晶闸管器件。碳化硅晶闸管用于直流输电可以发挥其击穿电压高、耐温高等特点。耐压水平的提高大大减少了单阀串联器件数量，相应也大大降低了运行损耗。目前受微管缺陷和 Bazel 平面缺陷对器件特性的影响，碳化硅基础材料品质稳定性有待提高，价格也比传统硅材料高很多。但可以预见，随着材料工艺的不断改进，碳化硅将是未来大功率变流器件发展的主要方向之一。
4 高电压大容量换流变压器
为了输送更大功率，目前高压直流输电正朝着更高电压、更大容量的方向发展，这对换流变压器提出了更高绝缘水平和更大单台容量的双重要求。不断提高变压器外形尺寸可满足上述 2 个要求，但是实际工程运输等限制要求设计人员在高电压、大容量和运输限制条件间寻找合理的设计方案。用于直流输电的超高压换流变压器阀侧绕组，除承受一般交流变压器的交流电压和冲击电压外，还要承受叠加的直流电压作用。800 kV 直流输电高端 800 kV 变压器阀侧对地直流电压为800 kV，此处换流变压器的结构最复杂，研制也最困难。设计 800 kV换流变压器要认真进行交直流电场分析、主纵绝缘结构确定、绕组散热特性研究、直流偏磁的控制与影响分析、漏磁场分布分析、动热稳定与可靠性分析，并在设计中注意防止油流带电现象。
目前世界上单台容量最大的换流变压器是银东660 kV 输电系统的换流变压器。该系统额定输送容量为4 GW，由于采用单 12 脉动接线方式，单台换流变容量达到 403 MVA，该技术指标超过了800 kV 复奉系统单台换流变容量，而实际上660 kV 处的 Y/Y 换流变压器的雷电过电压和操作冲击过电压要求水平接近 800 kV 换流变压器。考虑运输条件限制情况下，660 kV 换流变压器设计方案采用了单相三柱带旁柱的结构。网侧引线、调压引线及有载调压开关均采用外置方式，油箱采用特殊加强方式。换流变压器本体运输采用侧承载方式。换流变压器采用粗细调的调压方式，从而使调压线圈的最大合成电流较正反调降低约 20%，有效降低了调压引线合成电流，进而也大大降低了最小分接头时的损耗。
5 控制保护系统
控制保护系统是直流输电的核心，直到 20 世纪 80 年代，控制保护部分还是基于模拟电路技术实现。计算机技术的发展使软件程序化控制成为可能，1980 年巴拉圭和巴西联网的 Acaray 背靠背工程最先使用了西门子公司开发的 SIMATICS5-110A系统硬件，实现了直流控制保护系统计算机软件程控。计算机技术发展日新月异，控制保护主机中CPU 的运算处理能力不断增强，外围 I/O 板卡的硬件水平也不断增强。直流控制保护硬件的发展趋势主要有：
1）硬件平台化。
平台化的硬件设计（包括控制保护主机及外围I/O 板卡）可以稳定硬件质量、保证持续改进、减少维护复杂度、增强系统可靠性、提高系统经济性。同时，平台化的硬件检修替换方便，便于硬件备品的储存管理，这对于现场运行非常重要。平台化的硬件系统可分为嵌入式技术路线（西门子的 SIMADYN、WINTDC，南瑞继保 PCS-9550）和工控机技术路线（ABB 的 MACH2、DCC800，南瑞继保 PCS-9500）2 类。
嵌入式技术路线的特点在硬件上主要体现在各部分都集成在若干主板上，对震动、灰尘多等恶劣环境的适应能力要好；在软件上主要体现在其嵌入式操作系统与外围系统完整地结合在一起，不易受到额外的因素影响，如操作系统的自身不稳定性和冗余的附带功能所引起的不良因素。工控机技术路线各外围板块都是通过PCI总线由插卡式连结在一起，对于恶劣环境的适应能力不够好，这是 PC 机的一个通病，但随着硬件技术的不断发展，该问题已有了很大改进。64 位精简指令集计算机（reduced instruction set computer，RISC）在工业中的应用逐渐成熟，不依靠数字信号处理器（digital signal processor，DSP）就能够实现高速实时浮点运算，基于该技术研制的直流输电控制保护设备具有计算速度高、响应时间短、外围总线接口方便、电磁兼容性好、无旋转散热设备等优势，是未来控保设备发展的可取方向。
2）软件设计模块化。
直流输电控制保护程序逻辑复杂，为了方便程序开发和阅读，主流的直流控制保护设备厂家均采用了模块化软件设计理念，如 ABB 技术路线的Hidraw，西门子技术路线的 StrucG 等。开发模块化、图形化的开发环境，将复杂的代码编写转变为图形化功能块的拖放，大大提高了效率，也降低了一线运维人员了解软件的难度。
3）现场总线技术通用化。
直流控制保护设备通信速度不断提高：现代直流控制保护系统普遍采用成熟的现场总线技术，具有良好的系统开放性、互操作性、抗干扰性，方便实现现场设备的智能化与功能自治性，通用的技术标准方便在各种环境及不同传输介质中的应用，如ABB 技术路线采用的 CAN（controller area network）、时分多路复用（time division multiplex，TDM）总线，Siemens 技术路线采用的 Profibus 总线均具有上述优点。现场总线的发展与计算处理器的发展水平相关，随着主处理器计算水平的提高，类似总线缓冲、总线分离等处理方式均可以摒弃。如西门子Win-TDC 采用的符合 VMEbus 标准的 64 位总线，总线速度大幅提高，不再有 L–bus 和 C–bus 的区别，也不再需要专用的缓冲通信模板和高速 I/O 模块，由此而来的系统简化势必将提高控制保护系统的运行可靠性。
4）出口逻辑可靠性提高措施。
为了进一步提高直流输电保护系统动作的选择性，常规直流站保护出口前切换系统的拒动概率比特高压要大。特高压直流保护出口采用三取二策略，3 套保护都运行时，能很好地防止误动和拒动。当有 1 套保护退出运行时，三取二逻辑和之前的二取一逻辑相似。实际上为了进一步提高非电量保护动作可靠性，完全独立的 3 个跳闸回路被证明是有意义的。
6 直流集控技术
随着跨区特高压交直流输电工程建设力度的加大，跨区输电容量与运行维护人员数量不断增加。有必要以智能化为基础，以集控化为手段，实现多个换流站的集约化管理和智能化控制，建立简洁高效、智能化、集约化、有力支撑智能电网的跨区电网运维新格局。同时，集控技术的发展使得多直流馈入区域的阻尼协调、无功平衡、有功支援等系统级的控制成为可能。集控中心模式有以下2 种：
1）站级局域网延伸模式。
该模式的实质是换流站自动化系统的站级局域网（local area network，LAN）的网线加长，从换流站延伸至集控中心，在集控中心集中所有受控站的运行人员工作站（operation work station，OWS）。该模式不需要对换流站的实时监控系统增加远动通信设备，不需对换流站自动化系统的软件做任何修改，只需增加站级 LAN 与光纤通道之间的光电转换设备即可。该模式的优点是实施简单、费用较低、风险小；缺点是未能把各换流站的监控功能真正融合在一起，无法实现多馈入直流协调控制、紧急功率协调控制等系统层控制功能。
2）分层分布模式。
基于分层分布结构的集控中心模式通过远动通信方式采集受控换流站监控信息，利用信息分流、功能分布等技术，实现分层分布式的换流站集控中心。该方案的优点是方便受控换流站接入集控中心，扩展性较强，可以实现系统层协调控制；缺点是实施复杂、费用较高、集控站与受控站之间的划分相对固定、集控站之间达到互为备用的目标较为困难。
目前国网运行分公司负责运维的银东直流系统已按第 1 种方式成功实现了集控，实际运行结果表明，实现集控后大大减轻了受端换流站人员监盘压力，提高了人员利用效率。
7 结论
直流输电发展到今天，在一次和二次设备层面均有了长足进步，其发展方向是在保证系统运行可靠的情况下不断提高运行电压、增大输送功率、降低系统损耗、发挥其快速可控性以提高电力系统的稳定性。一次设备发展的关键是在制造和运输限制条件下提高设备的绝缘耐压水平，提高通流能力，研究合理的主电路拓扑，提高直流输电系统动态性能。二次设备发展的技术趋势是不断提高设备可靠性，提高控制性能指标，提高协调控制能力。通过功能的合理集成、有序分布方便人机交互，不断提高直流输电运行的集约化水平。
参考文献：
[1]杨汾艳，徐政．直流系统采用电容换相换流器技术的特性研究[J]．中国电机工程学报，2008，28（7）：91-97．
[2] Sood V K．高压直流输电与柔性交流输电控制装置—静止换流器在电力系统中的应用[M]．徐政译．北京：机械工业出版社，2005：39-50．
论文作者:朱东松,卢双秀
论文发表刊物:《电力设备》2015年5期供稿
论文发表时间:2015/12/22
标签：系统论文; 技术论文; 晶闸管论文; 电压论文; 柔性论文; 拓扑论文; 容量论文; 《电力设备》2015年5期供稿论文;