輸電技術的發展經歷了從直流到交流,再到交直流共存的技術演變。隨著電力電子技術的進步,柔性直流作為新一代直流輸電技術,可使當前交直流輸電技術面臨的諸多問題迎刃而解,為輸電方式變革和構建未來電網提供了一個嶄新的解決方案。

它實際上是通過控制電壓源換流器中全控型電力電子器件的開通和關斷,改變輸出電壓的相角和幅值,可實現對交流側有功功率和無功功率的控制,達到功率輸送和穩定電網等目的。國際大電網會議(CIGRE)和美國電氣與電子工程于2004年將其正式命名為“VSC-HVDC”(voltagesourcedconverterbasedhighvoltagedirectioncurrent)。ABB,Siemens和Alstom公司則分別將該項輸電技術命名為HVDCLight,HVDCPlus和HVDCMaxSine,在中國則通常稱之為柔性直流輸電(HVDCFlexible)。

模塊化多電平換流器(modularmulti-levelconverter,MMC)技術的提出和應用,是柔性直流輸電工程技術發展史上的一個重要里程碑,提升了柔性直流輸電工程的運行效益,極大地促進了柔性直流輸電技術的發展及工程推廣應用。

1、柔性直流輸電系統主接線

采用兩電平、三電平換流器的柔性直流輸電系統一般采用在直流側中性點的接地方式,而模塊化多電平柔性直流輸電系統則一般采用交流側接地方式。無論是采用直流側中性點接地的兩電平、三電平換流器還是采用交流側接地的模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統均為單極對稱系統。正常運行時接地不會有工作電流流過,不需要設置專門的接地極,而當直流線路或換流器發生故障后,整個系統將不能繼續運行。此外,通過大地或金屬回線還可構成單極不對稱結構,類似于傳統高壓直流輸電系統的一極。在相同系統參數下,相比于單極對稱系統,單極不對稱系統換流閥所耐受的電壓水平是單極對稱系統的2倍,且直流側的不對稱還將造成換流器交流側電壓水平的提升。

為了提升柔性直流輸電系統的功率容量和電壓等級,滿足特高壓、遠距離大功率輸送的要求,單極換流站內換流器還可以由若干容量較小換流器單元串并聯組合構成。如圖1所示,兩個單極不對稱系統串聯還可以構成與傳統高壓直流輸電類似的雙極對稱系統。

　　圖1典型兩端柔性直流輸電系統

采用雙極系統的變壓器需要承受由于直流電壓不對稱造成的變壓器直流偏置電壓,與常規直流變壓器不同的是,此時變壓器不需要承受換流站產生的諧波分量。目前柔性直流輸電系統采用單極結構的最主要原因在于柔性直流輸電工程為了降低直流側故障的發生率,大都采用電纜作為傳輸回路。這樣,采用單個換流器的可靠性相對更高一些,而且降低了工程成本。

對于多端柔性直流輸電系統,系統連接方式一般為并聯形式,以保證換流器工作在相同的直流電壓水平。并聯型多端柔性直流網絡又可分為星形和環形兩種基本結構。其他復雜結構都可以看成這兩種結構的擴展和組合。圖2分別為4種拓撲結構。

　　圖2多端直流輸電系統典型接線方式

并聯式的換流站之間以同等級直流電壓運行,功率分配通過改變各換流站的電流來實現;串聯式的換流站之間以同等級直流電流運行,功率分配通過改變直流電壓來實現;既有并聯又有串聯的混合式則增加了多端直流接線方式的靈活性。與串聯式相比,并聯式具有更小的線路損耗、更大的調節范圍、更易實現的絕緣配合、更靈活的擴建方式以及突出的經濟性,因此目前已運行的多端直流輸電工程均采用并聯式接線方式。

2、柔性直流輸電換流器技術

根據橋臂的等效特性,柔性直流輸電的換流器技術可以分為可控開關型和可控電源型兩類。可控開關型換流器的換流橋臂等效為可控開關,通過適當的脈寬調制技術控制橋臂的開通與關斷,將直流側電壓投遞到交流側。可控電源型換流器儲能電容分散于各橋臂中,其換流橋臂等效為可控電壓源,通過改變橋臂的等效電壓,間接改變交流側輸出電壓。

模塊化多電平換流器是可控電源型換流器的典型代表。橋臂的等效輸出電壓是通過改變投入橋臂內的串聯子模塊個數來實現的。如圖3所示,根據子模塊所采用的類型,又可分為半橋型、全橋型以及鉗位雙子模塊型等多種形式。此外,級聯兩電平換流器(cascadedtwolevel,CTL)由半橋電路級聯而成,其本質上也屬于可控電源型換流器。

　　圖3模塊化多電平子模塊拓撲

當其橋臂中的子模塊超過一定數量時,換流器輸出波形為近似正弦的階梯波,無需加裝濾波裝置。與兩電平換流器相比,模塊化多電平突出優勢表現在:①模塊化設計,易于電壓等級的提升和容量的升級;②器件的開關頻率和開關應力顯著降低;③輸出電壓諧波含量和總電壓畸變率大大減少,交流側無需濾波裝置。

相比于兩電平換流器,模塊化多電平換流器的不足主要在于:①由于每個橋臂中串聯的子模塊數量較多,因此閥控系統在每個周期內所需處理的數據量非常大,對控制系統要求很高;②分布式儲能電容增加子模塊電容電壓的均衡控制;③各橋臂間能量分配不均,將破壞子模塊內部的穩定性,導致電流波形發生畸變。

在目前投入工程應用的換流器技術中,無論是兩電平還是半橋型模塊化多電平換流器,均存在一個突出問題,即無法在直流故障下實現交直流系統的隔離。但全橋式和鉗位雙子模塊型模塊化多電平換流器,由于可以使橋臂等效輸出電壓為負,在直流電壓急劇降低時,仍然可以支撐交流電壓,從而實現對交流側短路電流的抑制作用。

3、柔性直流輸電控制與保護

柔性直流控制保護系統是系統能夠正常運行的核心,用于實現系統正常運行的控制功能和故障下的保護功能。控制保護系統包括換流站級控制保護系統和換流閥級控制保護系統。

但與常規直流輸電不同的是,柔性直流輸電中的閥級控制保護系統遠為復雜。尤其是在模塊化多電平柔性直流輸電系統中,換流站級控制器(簡稱極控或者站控)只承擔一部分控制和保護功能,對閥體的控制保護更多依賴閥級控制器完成。包括根據換流站級控制信號的要求產生換流閥子模塊的控制信號,進行數據處理和匯總,以及實現換流閥的保護等功能(如圖4所示)。因此,柔性直流控制保護系統通常需要實現納秒級的高速同步控制,以滿足柔性直流輸電控制系統高實時性的要求。

　　圖4站控及閥控系統

柔性直流換流站級控制系統除實現系統的正常啟動、停運操作外,還包括穩態的功率控制和調節,其功率控制器包括有功類功率控制器和無功類功率控制器,有功類控制器包括有功功率控制和直流電壓控制;無功類控制器包括無功功率控制和交流電壓控制。一般來說,雙端柔性直流系統的正常運行需要一站控制直流電壓,另一端控制有功功率,而兩站的無功調節相互獨立,可以自由選擇控制無功還是交流電壓。在控制策略上,無論采用兩電平還是模塊化多電平換流器技術,其交流側具有類似的等效數學模型,因此均可采用相同的站級控制策略。在眾多的站級控制策略中,直接電流矢量控制策略以較高的電流響應速度和精確的電流控制效果已成為電壓源型換流器的主流控制技術。

模塊化多電平換流器與常規直流輸電和兩電平柔性直流輸電控制系統的區別主要在閥級。柔性直流輸電中的閥基控制器(valvebasecontroller,VBC)是實現站級控制系統與底層子模塊控制的中間接口,用于實現閥臂的控制、保護、監測及與站控系統以及換流閥的通信,同時實現子模塊電容電壓平衡功能以及環流控制功能,這是保證模塊化多電平柔性直流系統正常運行的關鍵。由于高壓大容量系統的閥臂往往由數百個子模塊組成,為保證各個子模塊之間的電壓平衡,VBC對子模塊數據的處理速度要求極高,往往在100μs以下,這種大規模子模塊的高速控制平衡技術,對閥控設計提出了很大的挑戰。同時,模塊化多電平技術所特有的環流現象會引起換流閥電流應力以及損耗水平的上升,嚴重時會造成系統失穩無法運行,因此環流控制策略的設計也成為閥控中的關鍵環節。

柔性直流輸電保護系統的主要功能是保護輸電系統中所有設備的安全正常運行,在故障工況下,能夠迅速切除系統中故障或不正常的運行設備,以保證剩余健全系統的安全運行。高壓直流輸電系統的保護配置需滿足可靠性、靈敏性、選擇性、快速性、可控性、安全性和可維修性等原則。基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統其故障特性與兩電平換流器系統保護策略兩者主要的區別在于具體的保護分區和保護算法設計。但總體而言在保護總體配置上相差不大。

4、柔性直流輸電工程的應用

鑒于柔性直流輸電技術特點,由其構成的系統廣泛應用于可再生能源接入、孤島供電、城市供電、電網互聯等領域。

采用柔性直流輸電技術來進行風電、太陽能等功率輸出波動較大的可再生能源接入,可以緩解由可再生能源輸出功率波動引起的電壓波動,改善電能質量。當交流系統發生短路故障時,柔性直流輸電系統能夠有效地隔離故障,保證風電場的穩定運行。據CIGRE測算,在距離大陸60km以上的海上風電場,柔性直流輸電系統是唯一技術上可實現、經濟上可接受的解決方案。

采用柔性直流輸電技術向海島、海上鉆井平臺等孤島負荷供電時,可以充分發揮柔性直流系統可以自換相的技術優勢。同時,直流線路在投資、運行費用、長距離傳輸不需要添加補償設備等方面相對于交流線路具有優勢。

采用柔性直流輸電技術向城市中心供電,不僅可以快速控制有功功率和無功功率,解決電壓閃變等電能質量問題;還能夠提供系統阻尼,提高系統穩定性,并在嚴重故障時提供“黑啟動功能”。另外,柔性直流輸電采用地埋式直流電纜,無交變電磁場、無油污染,可以在無電磁干擾及不影響城市市容的情況下,完成城市電網的增容改造,滿足城市中心負荷的需求和環保節能的要求。

采用柔性直流輸電技術實現電網互聯,不僅可以完成電網間功率交換的功能,而且還可以憑借其快速獨立調節無功功率、“黑啟動”、不提供短路電流等技術特性,解決大規模電網中的動態穩定性、電網黑啟動以及短路電流超標等問題。而且,柔性直流換流站占地面積較同等容量的常規直流換流站小,因此可以在更靠近負荷中心的位置建設換流站。

在歐洲、美洲、亞洲、大洋洲、非洲很多國家都有柔性直流輸電工程投運,其中有用于風電接入、有用于電網互聯、有用于大型城市供電、有用于海上鉆井平臺供電。

2006年開始,國內相關研究單位及時把握住了技術發展的趨勢,與西門子公司幾乎同步開展了基于MMC的柔性直流輸電工程技術研究。在基礎理論研究、關鍵技術攻關、核心設備研制、試驗能力建設、工程系統集成等方面取得了一系列的自主創新成果,并于2011年7月在上海南匯投運了中國首條柔性直流輸電示范工程,使中國在柔性直流輸電技術與工程應用領域實現了飛躍式發展。

上海南匯柔性直流輸電示范工程采用模塊化多電平換流器結構,其容量為20MW,直流電壓為±30kV,輸送長度約為8km,南匯風電場通過該工程接入上海電網。

為了滿足大連市區南部經濟發展對電力需求的增加,避免自然災害對市區供電產生的嚴重影響,消除電網的安全隱患,2012年大連市計劃建設一個聯接北部主網和市區南部港東地區的柔性直流輸電工程。依托該工程的先期研究,開發成功了世界上首套1000MW/±320kV換流閥及閥基控制器,并通過了DNVKEMA的見證試驗。這標志著中國在柔性直流輸電換流閥領域已經達到世界最高水平。同時建成了世界上規模最大的400電平動模平臺,該平臺有效驗證了大連閥控系統設計和各種功能的正確性。在工程設計的基礎上,中國掌握了一整套高壓大容量柔性直流系統成套設計技術、換流站施工技術以及系統運行維護技術,為中國柔性直流技術的進一步推廣奠定了良好的基礎。

在廣東南澳風電基地,2013年底投運一個三端柔性直流輸電工程。因為南澳島周圍安裝了大量風力發電機,為實現可靠的風電接入,首先將兩個風電場分別通過110kV變電站接入兩端換流站,在匯總后通過柔性直流輸電系統將電能輸送到汕頭電網。南澳工程的直流電壓等級為±160kV,輸送額定功率為200MW。

為提高舟山電網的供電可靠性和運行靈活性,并考慮對舟山諸島豐富風力資源的消納,國家電網公司在浙江舟山建設了一個5端柔性直流輸電工程。該工程于2014年6月投運,包含5個換流站,系統總容量1000MW,其中最大的換流站容量為400MW,直流電壓等級為±200kV。該工程是目前世界上端數最多的柔性直流輸電工程,可滿足舟山地區負荷增長需求,形成北部諸島供電的第二電源,提高供電可靠性;提供動態無功補償能力,提高舟山電網電能質量;緩解舟山群島風電場并網難題,提高電網調度運行的靈活性。工程的建設和實施,也將為未來實現海島供電、可再生能源并網、多端直流輸電系統乃至直流電網構建等應用,提供技術和工程上的良好借鑒。

5、結語

柔性直流技術以其有功無功獨立調節、無源供電能力以及易于構建直流電網等特點，越來越受到人們的關注。同時，可關斷器件、直流電纜等設備技術水平的不斷提高，有效增強了柔性直流的輸送容量水平，使柔性直流輸電成為電網可采用的主要輸電方式之一。可以預見，隨著未來可再生能源接入和電網改造升級等需求，世界范圍內的柔性直流輸電應用將會獲得日益廣闊的發展。