直流輸電技術(shù)在智能電網(wǎng)的應用

常規(guī)HVDC 技術(shù)在智能電網(wǎng)的應用

超高壓直流輸電技術(shù)在遠距離大容量輸電、異步聯(lián)網(wǎng)、海底電纜送電等方面具有優(yōu)勢，因而得到了廣泛應用。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)濟性，它為我國解決能源分布不均、優(yōu)化資源配置提供了有效途徑。截至2009 年，我國已建成7 個超高壓直流輸電工程和2 個直流背靠背工程，直流輸電線路總長度達7 085 km，輸送容量近20 GW，線路總長度和輸送容量均居世界第一。預計到2020 年，我國將建成“強交強直”的特高壓混合電網(wǎng)和堅強的送、受端電網(wǎng)，預計直流工程達50 項，其中規(guī)劃建設30 多個特高壓工程，包括5 個±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，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 換流閥的工程實踐，為超/特高壓直流輸送進一步提升容量作好了技術(shù)儲備。

2009 年初，±660 kV 寧東—山東直流工程啟動，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 脈動換流閥構(gòu)成，如圖1 所示。500 及660 kV 工程采用單12 脈動換流閥構(gòu)成。未來我國直流系統(tǒng)將形成125，500，660，800，1 000 kV 的電壓等級序列，形成額定電流3，3.5，4，4.5，5 kA 的電流等級序列。

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大的交流系統(tǒng)，提供足夠的短路電流(換相電流)，而受端負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)的應用

20 世紀90 年代發(fā)展起來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，可四象限運行且有功、無功功率獨立控制；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)時不增加系統(tǒng)的短路容量；各換流站可相互獨立地控制，換流站之間無需通信。這些獨特的技術(shù)優(yōu)勢使其在分布式發(fā)電接入、孤立負荷和偏遠地區(qū)供電、城市電網(wǎng)聯(lián)接等領域都可發(fā)揮積極作用。

為了貫徹可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，我國正在大力推廣風力發(fā)電，目前全國已累計建成100 多個風電場，裝機容量已超過10 GW，10 GW 級風電基地建設也已全面啟動。大規(guī)模風力發(fā)電并網(wǎng)目前存在許多難以解決的問題，對電網(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)模風電并網(wǎng)問題的一個重要手段。

近年來，我國電力需求和裝機增長十分迅速，因而各區(qū)域電網(wǎng)間互聯(lián)的需求日益增強。電網(wǎng)間互聯(lián)的優(yōu)點在于電能的互濟和動態(tài)有功功率的支援，但同時又會造成電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定下降及短路電流超標等問題，動態(tài)穩(wěn)定問題是我國近年來各大電網(wǎng)普遍出現(xiàn)的新問題，是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的瓶頸，而短路電流超標隨著城市負荷的增長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，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。

國際上關(guān)于柔性直流輸電的研究，無論在工程實用化方面還是在基礎理論方面都已比較深入。ABB 公司已投運的9 個柔性直流輸電工程均運行正常并取得了良好的效益。國內(nèi)關(guān)于柔性直流輸電技術(shù)的研究起步較晚，國家電網(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》，全面啟動了該技術(shù)的系統(tǒng)研究。2008 年8 月，國家電網(wǎng)公司開始開展柔性直流關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程實施，工程容量為20 MVA，電壓等級為±30 kV，計劃于2010 年在上海南匯風電場掛網(wǎng)運行，完成我國首個柔性直流輸電系統(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)。目前我國規(guī)劃中的柔性直流輸電項目還包括：舟山傳統(tǒng)高壓直流輸電改造工程，預計容量為100 MW，額定直流電壓為±100 kV，采用海底電纜作為傳輸線路；臺灣金門島供電，預計容量200 MW，額定電壓±150 kV，建成后將每年減少臺灣電網(wǎng)10 億臺幣左右的虧損；大連電網(wǎng)預計將在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，建成投運后將成為世界范圍內(nèi)電壓和功率等級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

基于我國直流輸電的發(fā)展水平和規(guī)劃，充分考慮我國智能電網(wǎng)建設的要求，我國未來直流輸電技術(shù)的研究重點包括：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。