柔性直流輸電技術在電力系統中的應用

朱勁松

柔性直流輸電技術在電力系統中的應用

朱勁松

(國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024)

柔性直流輸電技術是指通過IGBT、IEGT等全控型器件對有功功率和無功功率進行獨立控制，應用該技術對現有電網系統進行改造不僅可以全面增加電網系統輸電的靈活性，還能在一定程度上緩解由于輸電線路空間過小導致輸電性能差的問題。通過分析和總結柔性直流輸電技術的特點，針對其在新能源發電并網、城市商業區電力增容、特殊地區高壓輸電等領域的應用進行了探討，以期為電網建設工作提供一定的參考。

柔性直流；輸電技術；電力系統；應用

1　柔性直流輸電概述

柔性直流輸電又被稱為輕型直流輸電或是新型直流輸電，為了促進該技術規范與發展，相關部門將其統一命名為柔性直流輸電技術。柔性直流輸電技術是指通過IGBT、IEGT等全控型器件對有功功率和無功功率進行獨立控制，并利用電壓源換流器的高壓直流進行輸電，柔性直流輸電結構如圖1所示。相較于傳統的輸電技術，柔性直流輸電技術的功能性更強，能應用在如孤島供電、有功功率以及無功功率控制等方面，可以滿足更多場合的用電需求[1]。以孤島供電工程為例，若采用傳統供電方式實現孤島供電，就必須在島上設置類似于發電機組的電源，而采用柔性直流輸電技術進行供電，只要在島上設置啟動電源就可以直接進行輸電。此外，與傳統輸電技術相比，應用柔性直流輸電技術具備長距離輸電能力的優勢，可有效降低電力網絡在運行中的損耗。

圖1　柔性直流輸電系統結構

2　柔性直流技術的特點

2.1　技術原理

柔性直流輸電特指基于電壓源換流器進行高壓直流輸電，是一種以電壓源型換流器、自關斷器件以及脈寬調制技術為基礎的新型輸電技術。它與相控換向技術的電流源換流器型高壓直流輸電技術最大區別是在實際應用過程當中所采用的換流器為電壓源換流器，并利用可關斷器件以及高頻調制技術對換流器出口電壓扶持的有效調節來維持與系統電壓之間的差，進而實現對輸出有功功率以及無功功率的精確化控制。利用該項技術可以保障兩個不同的交流電網之間有功功率傳輸的效率。此外，通過兩端換流站還可以獨立調節無功功率，從而對其關聯的交流電網給予無功支撐[2]。

2.2　技術特點

(1)可以對有功功率以及無功功率進行獨立控制。采用柔性直流輸電技術能保持電網系統各環節電壓的穩定，并且能合理調節有功潮流；能保障有功功率在傳輸的過程當中不會發生太大的波動，并且可以根據輸電任務的具體需求對無功功率進行合理化調節，降低電網系統在輸電過程中出現故障的概率[3]。

(2)相較于其他輸電技術，采用柔性直流輸電技術進行潮流反轉操作更為便利。采用常規直流輸電技術進行功率反轉操作時，為了保證操作過程的安全性以及合理性，需要將換流站停止運行并及時改變電壓的極性，此外還需要現場工作人員對濾波器以及無功補償設備的投切情況進行及時判斷。而采用柔性直流輸電技術進行潮流反轉操作時，只需要將電流的方向合理轉變即可改變直流電壓的電極性，無需進行其他任何操作。

(3)當發生停電事故時，采用柔性直流輸電技術能直接向無源電網進行供電操作，可以在最短的時間內使電網恢復供電。

3　柔性直流輸電在電力系統中的應用

3.1　風電電網工程

隨著我國社會經濟的不斷發展，工農業生產和居民日常用電需求都在迅速擴大。為了填補傳統的化石能源發電不足造成的電力缺口，風能、太陽能、潮汐能等各類新能源發電產業的規模日益壯大，而風能發電由于具有儲量豐富、風向規律、低碳環保等一系列優勢，在新能源發電產業中最具發展潛力。風電資源受容量以及傳輸距離的限制，采用傳統的高壓直流輸電技術不符合遠距離輸電的技術要求，而采用柔性直流輸電技術則擁有傳統高壓直流輸電技術無法比擬的優勢。將風電資源通過柔性直流輸電技術并入到電網中，可以有效解決電網不穩定的問題，全面提高風電機組抵御電網故障擾動的能力，降低風電機組在輸電時發生停機的概率，進而提高電網運行的穩定性能。此外，采用柔性直流輸電技術還可以改善接入的電網系統阻尼特性，并能大幅提高風電機組對風速的適應能力[4]。

3.2　非同步電網并聯

就當前電力工程的實際使用情況而言，將柔性直流輸電技術合理應用在跨區遠距離高壓輸電工程中，可以有效滿足非同步電網的并聯需求，全面提高電力系統的穩定性，滿足各類電網的用電需求。

3.3　向孤立電網供電

海上石油鉆井平臺在進行開采作業時，各類機械設備的運行需要大量電力支撐。此類項目一般位置特殊，供電距離較長，很難通過搭建傳統的交流高壓輸電網的方式進行供電，而采用柔性直流輸電技術進行輸電可以完美解決長距離輸電的技術難題，為類似海上石油鉆井平臺之類的孤立電網提供更為高效的能源。

3.4　城市中心區的應用

隨著我國城市化率不斷提高，城市建設的步伐也隨之不斷加快，用于建設城市電網交流輸電走廊的空間變得越來越少，需要投入的成本也越來越高，制約了城市電力系統的發展。相較于架空交流線路來說，架設直流電纜具備占用空間小、輸電量大等優勢，采用柔性直流輸電技術對城市輸電網進行改造，可以在一定程度上解決城市電網系統存在的短路電流問題，還能對電力系統中產生的潮流涌動進行合理化控制，全面提高城市電網運行的穩定性。

3.5　改善電能質量

電爐煉鋼等高負荷用電行業在生產中所產生的非線性負荷、沖擊負荷、不對稱負荷都會導致電網系統中的電壓發生一定程度的波動，嚴重時甚至會對整個電網系統造成干擾，影響到電網中其他戶用的正常用電。采用柔性直流技術改造高負荷用電單位的輸電線路，可以合理化控制全網有功功率以及無功功率，使電網系統的電壓維持在合理的范圍內，確保全網用戶都能安全、正常用電[5]。

4　柔性直流輸電技術發展

柔性直流輸電系統的調制技術發展隨著換流器技術的發展而不斷更新，調制技術也由最初的 PWM 調制逐漸發展到最新的階梯波調制，如圖2所示。

圖2　柔性直流輸電調制技術發展

5　結語

柔性直流輸電技術的大規模應用可以有效提高電網輸電質量，降低輸電線路運行時發生電壓下降現象的概率，還能精確控制電網運行時的無功功率和有功功率，有效提高電網運行的可靠性和穩定性。

[1] 張和陽.模塊化多電平換流器在柔性直流輸電技術中的應用[J].中阿科技論壇(中英文),2021(9):104-107.

[2] 王斌.柔性直流輸電技術對大電網弱交流斷面輸電能力的影響[J].無線互聯科技,2021,18(11):110-111.

[3] 蔡暉,彭竹弈,祁萬春,等.背靠背柔性直流輸電技術在中心城區電網中的應用研究[J].電力電容器與無功補償, 2021,42(2):79-84.

[4] 劉耀,吳佳瑋,肖晉宇,等.有源型柔性直流輸電技術在全球能源互聯網背景下的應用研究[J].全球能源互聯網, 2020,3(2):107-116.

[5] 孔冠荀.柔性直流輸電系統顯式模型預測低復雜度控制技術研究[D].吉林:東北電力大學,2019.

Application of the flexible high voltage direct current technology in power system

ZHU Jinsong

(State Grid Jiangsu Electric Power Co., LTD. Nanjing, Jiangsu 210024, China)

The flexible high voltage direct current(HVDC) technology is independent control of active power and reactive power through IGBT, IEGT, and other fully controlled devices. The application of this technology to the transformation of the existing power grid system can not only increase the flexibility of the power grid system but also alleviate the problem of poor transmission performance caused by too small a transmission line space to a certain extent. This paper analyzes and summarizes the characteristics of flexible HVDC technology, and discusses its application in grid connection of new energy power generation, power capacity increase in the urban business district, and high voltage transmission in special areas. This study is expected to provide some reference for the construction of a power grid.

flexible direct current; transmission technology; power system; application

TM721

A

2096–8736(2022)06–0053–03

朱勁松(1988—)，男，江蘇泰州人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為電力系統規劃、柔性輸電技術。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立