直流輸電技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用

常規(guī)HVDC 技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用

超高壓直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離大容量輸電、異步聯(lián)網(wǎng)、海底電纜送電等方面具有優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛應(yīng)用。而特高壓直流輸電更可以有效節(jié)省輸電走廊，降低系統(tǒng)損耗，提高送電經(jīng)濟(jì)性，它為我國(guó)解決能源分布不均、優(yōu)化資源配置提供了有效途徑。截至2009 年，我國(guó)已建成7 個(gè)超高壓直流輸電工程和2 個(gè)直流背靠背工程，直流輸電線路總長(zhǎng)度達(dá)7 085 km，輸送容量近20 GW，線路總長(zhǎng)度和輸送容量均居世界第一。預(yù)計(jì)到2020 年，我國(guó)將建成“強(qiáng)交強(qiáng)直”的特高壓混合電網(wǎng)和堅(jiān)強(qiáng)的送、受端電網(wǎng)，預(yù)計(jì)直流工程達(dá)50 項(xiàng)，其中規(guī)劃建設(shè)30 多個(gè)特高壓工程，包括5 個(gè)±1 000 kV 的直流工程。

2007 年底，向家壩至上海±800 kV/6 400 MW 特高壓直流示范工程開工建設(shè)，這是世界上第一條基于6 英寸晶閘管閥的特高壓直流工程。目前正在調(diào)試的靈寶II 擴(kuò)建工程是世界上首次開展基于6 英寸晶閘管提升至4.5 kA 換流閥的工程實(shí)踐，為超/特高壓直流輸送進(jìn)一步提升容量作好了技術(shù)儲(chǔ)備。

2009 年初，±660 kV 寧東—山東直流工程啟動(dòng)，其單閥的耐壓水平創(chuàng)直流輸電工程之最，單閥串連晶閘管級(jí)的數(shù)量創(chuàng)工程之最，而1 000 kV/5 kA 的特高壓直流工程的可行性也在研究之中。±800 kV 及以上特高壓直流換流閥接線方式均采用雙12 脈動(dòng)換流閥構(gòu)成，如圖1 所示。500 及660 kV 工程采用單12 脈動(dòng)換流閥構(gòu)成。未來(lái)我國(guó)直流系統(tǒng)將形成125，500，660，800，1 000 kV 的電壓等級(jí)序列，形成額定電流3，3.5，4，4.5，5 kA 的電流等級(jí)序列。

圖1 特高壓直流換流站基本接線方式

超大容量直流輸電的成功條件之一是受端有強(qiáng)大的交流系統(tǒng)，提供足夠的短路電流(換相電流)，而受端負(fù)荷過大將直接影響直流系統(tǒng)的穩(wěn)定，受端系統(tǒng)接受能力的研究是今后的重要課題。

柔性直流技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用

20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來(lái)的柔性直流輸電技術(shù)以電壓源換流器(voltage source converter，VSC)和可關(guān)斷電力電子器件絕緣柵雙極晶體管(insulategate bipolar transistor，IGBT)為核心，是新一代更為靈活、環(huán)保的直流輸電技術(shù)，其固有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將在降低城市配電網(wǎng)短路電流、解決可再生能源并網(wǎng)難題、海島供電及向能源緊缺和特殊地區(qū)的供電等領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。

柔性直流輸電系統(tǒng)的換流器采用自換相方式，可四象限運(yùn)行且有功、無(wú)功功率獨(dú)立控制；有利于構(gòu)成既能方便控制潮流又有較高可靠性的并聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)；用于聯(lián)網(wǎng)時(shí)不增加系統(tǒng)的短路容量；各換流站可相互獨(dú)立地控制，換流站之間無(wú)需通信。這些獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使其在分布式發(fā)電接入、孤立負(fù)荷和偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、城市電網(wǎng)聯(lián)接等領(lǐng)域都可發(fā)揮積極作用。

為了貫徹可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，我國(guó)正在大力推廣風(fēng)力發(fā)電，目前全國(guó)已累計(jì)建成100 多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量已超過10 GW，10 GW 級(jí)風(fēng)電基地建設(shè)也已全面啟動(dòng)。大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)目前存在許多難以解決的問題，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成了一定影響。柔性直流輸電是解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題的一個(gè)重要手段。

近年來(lái)，我國(guó)電力需求和裝機(jī)增長(zhǎng)十分迅速，因而各區(qū)域電網(wǎng)間互聯(lián)的需求日益增強(qiáng)。電網(wǎng)間互聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)在于電能的互濟(jì)和動(dòng)態(tài)有功功率的支援，但同時(shí)又會(huì)造成電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定下降及短路電流超標(biāo)等問題，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題是我國(guó)近年來(lái)各大電網(wǎng)普遍出現(xiàn)的新問題，是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的瓶頸，而短路電流超標(biāo)隨著城市負(fù)荷的增長(zhǎng)已成為特大型城市電網(wǎng)的特殊問題。柔性直流輸電系統(tǒng)在解決大區(qū)域電網(wǎng)與周邊弱電網(wǎng)互聯(lián)、非同步電網(wǎng)互聯(lián)等問題方面有著其特殊的優(yōu)勢(shì)，可以在很大程度上解決目前區(qū)域互聯(lián)面臨的種種問題，符合智能化電網(wǎng)的發(fā)展要求。

國(guó)際上關(guān)于柔性直流輸電的研究，無(wú)論在工程實(shí)用化方面還是在基礎(chǔ)理論方面都已比較深入。ABB 公司已投運(yùn)的9 個(gè)柔性直流輸電工程均運(yùn)行正常并取得了良好的效益。國(guó)內(nèi)關(guān)于柔性直流輸電技術(shù)的研究起步較晚，國(guó)家電網(wǎng)公司于2006 年5月制定了《柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架》，全面啟動(dòng)了該技術(shù)的系統(tǒng)研究。2008 年8 月，國(guó)家電網(wǎng)公司開始開展柔性直流關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程實(shí)施，工程容量為20 MVA，電壓等級(jí)為±30 kV，計(jì)劃于2010 年在上海南匯風(fēng)電場(chǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行，完成我國(guó)首個(gè)柔性直流輸電系統(tǒng)的工程示范。圖2 為該示范工程的電氣主接線圖，表2 為VSC-HVDC 換流器主要技術(shù)參數(shù)。目前我國(guó)規(guī)劃中的柔性直流輸電項(xiàng)目還包括：舟山傳統(tǒng)高壓直流輸電改造工程，預(yù)計(jì)容量為100 MW，額定直流電壓為±100 kV，采用海底電纜作為傳輸線路；臺(tái)灣金門島供電，預(yù)計(jì)容量200 MW，額定電壓±150 kV，建成后將每年減少臺(tái)灣電網(wǎng)10 億臺(tái)幣左右的虧損；大連電網(wǎng)預(yù)計(jì)將在2011 年開始興建柔性直流輸電用于城市聯(lián)網(wǎng)示范工程，額定功率為500 MW，直流電壓±250 kV，建成投運(yùn)后將成為世界范圍內(nèi)電壓和功率等級(jí)最高的柔性直流輸電工程。

圖2 為該示范工程的電氣主接線圖

表2 為VSC-HVDC 換流器主要技術(shù)參數(shù)

直流輸電技術(shù)在智能電網(wǎng)的發(fā)展方向

基于我國(guó)直流輸電的發(fā)展水平和規(guī)劃，充分考慮我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的要求，我國(guó)未來(lái)直流輸電技術(shù)的研究重點(diǎn)包括：1）±1 000 kV 直流工程關(guān)鍵技術(shù)研究；2）智能化直流輸電系統(tǒng)研究；3）三級(jí)直流輸電技術(shù)研究；4）多端直流輸電系統(tǒng)研究；5）高壓大容量柔性直流輸電技術(shù)研究；6）大規(guī)模分布式電源系統(tǒng)采用柔性直流接入系統(tǒng)技術(shù)研究；7）電容換相換流器關(guān)鍵技術(shù)研究。