柔性直流輸電技術及其發(fā)展分析

1、能源環(huán)境 柔性直流輸電技術及其發(fā)展分析 崔 巍 廣東省電力設計研究院 廣東廣州 5 10 6 6 3【 摘 要】本文簡要介紹了 柔性直流輸電原理， 總結了 柔性直流輸 電 技 術的特點、 應 用范圍、 現 在的發(fā)展狀況 以及其未來的發(fā)展前景?！?關鍵詞】柔性直流輸電； 發(fā)展 引 言 柔性直流輸電技術對于提高交流系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性 、 增加系統(tǒng) 的動態(tài)無功儲備、 改善交流系統(tǒng)電能質量， 解決非線性負荷、 沖擊性 負荷所帶來的問題， 具有較強

2、的技術優(yōu)勢， 也是智能電網建設中解決 大 容量、 間歇式 新能 源發(fā) 電并 網的 重要 技 術手段 。目前 世 界 上儀 ABB 公 司擁 有 商 業(yè) 運 行 的 工 程 。雖然 西 門 子 、A RE V A 等跨國公司一直沒有『 日 J 斷在該領域的技術研究， 但迄今為止 在世界范圍內運行的工程仍被AB B 一家公司所壟斷。1 ． 柔性直流輸電技術的原理 柔性直流輸電采用電壓源型換流器和P WM技術。 由調制波與三 行 J 載波比較

3、產生的觸發(fā)脈沖， 使V S CF 橋臂的開關管高頻開通和關 斷 ， 則橋 臂 中點電壓U C 在兩 個 固定 電_ I 孟+ Ud 和 一 U d 之 1 日 J 快 速切 換 ，U C 冉經過 電抗 器濾波 后則 為網側的 交流 電壓U S 。進 一 步分析可知 ， 在假設換流電抗器無損耗 且忽 略諧 波分 量 時， 換流器平 【 l 交流電網之間傳輸的有功功率為P ， 無功功率為Q 。 有功 功率的傳輸主要取決于6， 無功功率的傳輸

4、 主要取決于UC 。 因此通 過對6 的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小， 通 過摔制Uc 就可以控~ O v s c 發(fā) 或者吸收的無功功率。 從系統(tǒng)角度來 看， V S C 可以看成是 一 個無轉動慣量的電動機或發(fā)電機， 幾乎可以瞬 時災現有功功率和無功功率的獨立調節(jié)， 實現四象限運行。2 ． 柔性直流輸電技術的特點 柔性直流輸電技 術是 當今世界電力電子技 術應用領域的制高 點， 是基于可關斷電力電子器件I G B

5、 T( 絕緣柵雙極晶體管) 組成 的電 源換流器所構成的新一代直流輸電術。該技術可以在進行精確有功功率控制的同時對無功功率進行控 制 ， 可為 交流 系統(tǒng) 提供 電壓 支撐 ， 控 制更 加 靈活 。 柔性 直流 換 流 站可 工 作在 尤源換 流 的 方式 下， 不需 要 外加 的換 相電壓 ， 可用十 弱系統(tǒng) 或 源系統(tǒng)供電。 此9 1 、 ， 柔性直流輸 電技術基本不需要濾波和無功補 償裝置， 其換流站占地面積較同等容量的常規(guī)直流

6、換流站要小。柔悱直流輸 電是以電壓源換流器為核心的新一代直流輸 電技 術，采用最先進的電壓源型換流器和全控器件， 是常規(guī)直流輸電技 術 的換代 升級 。與傳統(tǒng) 的直 流輸 電不 同， 是 一種采 用基于 電壓源 換流 器、 吖． f 守 關斷器件和脈寬調制 ( P WM技術) 的新一代直流輸 電技術。它可以瞬間實現有功和無功的獨立解耦控制， 能向無源網絡供 電， 具有良好的電網故障后的快速恢復控制能力， 可以作為系統(tǒng)恢復 電源。 仟傳輸

7、能量的同時， 還能靈活地調節(jié)與之相連的交流系統(tǒng)電 。 具有可控性較好、 運行方式 靈活、 適用場合多等顯著優(yōu)點。 從用 途 I ： 石， 它 可以 很好 地 適應 干可 再 生 能源 并 網、 分布式 發(fā) 電并 網、 孤 島供電、 城市電網供電等領域。3 ． 柔性直流輸電技術可應用范圍 ( 1 ) 連接分散的小型發(fā)電 如中小型的水電廠 風電場 ( 含海 L 風電場) 、 潮汐電站、 太陽能電站等， 利用柔性直流輸電與主網實 現 互聯(lián)是充

8、分利用可再生能源的最佳方式， 有利于保護環(huán)境。( 2 ) 不同額定頻率或者相同頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運行。模塊化結構以及電纜線路使柔性直流輸電對場地和環(huán)境的要求大為 降低 ， 換 流站 的投資 大大 下降 。( 3 ) 構建城 市直流 輸 配電網 。( 4 ) 向偏遠地區(qū)供電。 偏遠地區(qū)一般遠離電網， 負荷輕而且 日 負 荷波動火， 經濟因素以及線路輸送能力低是限制架設交流輸電線路 1 3 2發(fā)展的主要因素。 采用柔性直流輸電進行供電

9、， 町解決這些『 口 J 題 。( 5 ) 海上供電。( 6 ) 提高配電網電能質量。 柔性直流輸 電系統(tǒng)可以獨立快速地 控制有功和無功 ， 且能夠使交流系統(tǒng)的電壓保持不變、 它使系統(tǒng)的電 壓和電流較容易地滿足電能質量的相關標準。4 ． 柔性直流輸電技術的發(fā)展 隨著風電等間歇式可再生能源在電網中比重的加大， 其隨機性、間歇性和不可控性等特點對電網的安全可靠運行帶來巨大挑戰(zhàn) 。 柔 性直流輸電可以極大地提升風電場并網的安全性和可靠性 ，

10、是國際 上公認的最具有技術優(yōu)勢的風電場并網手段， 特別是對于遠距離的 海上風電場來說 ， 使用柔性直流輸電并網是 目前唯 一 一 可選的有效 方 案。另外， 柔性 直流輸電技 術在孤 島及海上平臺供電、 大型城市供 電、 多端直流組網、 電力市場交易等領域也都有顯著的技術優(yōu)勢。 隨 著電網未來繼續(xù)朝著智能化、 節(jié)約化、 環(huán)保化發(fā)展， 柔性直流輸電技 術必將成為未來電力領域的 一個重要發(fā)展方向， 具有極其廣闊的市場 應用前景。 ”據悉，

11、1 9 9 7 年世界上第一條柔性 直流輸 電工程投入工業(yè) 試驗運營， 目前投入運營的已經有l(wèi) 1 條。 大部分應用于風力發(fā)電、 電 力交易、 電網互聯(lián)、 海上鉆井平臺等領域。 隨著世界范圍內對于町再 生能源的應用越來越廣泛， 規(guī)模越來越大， 目前已有1 0 0 0 ~瓦的柔性 直流 風 電場 并 網工程 開 始設 計， 而 2 0 0 0 ~ g 瓦級 柔性 直 流 輸 電的 概 念 設計也已經提出。目前， 歐洲多個國家都已經規(guī)劃和建

12、設了大量的海 上風電場， 其容量都在數百兆瓦等級 ， 并且其中已經有部分使用了柔 性 直流 輸 電進行系統(tǒng)接 入 。我 國開展 柔性直 流 輸 電技 術研 究 的時 問相 對較 晚 ， 在 初 期階 段 主要集中住大專院校所開展的部分理論性研究。 2 0 0 6 年5 月， 國家電 網組 織 編制 _ 『柔性 直 流輸 電 系統(tǒng) 關 鍵技 術研 究 框架 》， 由此 啟動 了我國在柔性直流輸電關鍵技術領域的全面研究。目 前， 我國已規(guī)劃

13、存 甘肅酒泉、 新疆哈密、 河北、 吉林、 內蒙 占東部 、 內蒙古西部 、 汀蘇、?東等地建設8 個千萬千瓦級風 電場。 柔性直流輸電是 國際公認的最 具 有技術優(yōu)勢的風電場并 網方案， 也是海上風電并網的唯 方式，町以大幅改善大規(guī)模風 電場并網的性能， 保障新能源發(fā)電的迅速發(fā) 展。據了解， ~ ~ 2 0 1 5 年， 保守估計世界范圍內柔性直流輸電 程的市 場規(guī)模將達到千億元以上。 隨著新能源的快速 發(fā)展， 我國對柔性直 流輸 電

14、技術也呈現出強勁的市場需求。 我國未來五年的市場規(guī)模將 在4 0 0 { L 元 左右。在 2 0 2 0 年 前， 僅風 電發(fā) 電方面我 國就 計劃 興建6 個百 萬 干瓦級 的 超大型風電場。 柔性直流輸 電是國際公認的最具有技術優(yōu)勢的風電 場并網方案， 也是海上風 電并網的唯一方式， 可以大幅改善夫規(guī)模風 電場并網的性能， 對于大容量風電場的可靠并網、 保障新能源發(fā)電的 迅 速 發(fā)展 ， 都具 有 重要 的意 義 。此外， 對于大

15、型城市供電、 城市配電、 島嶼和鉆井平臺供電等應 用領 域 ， 柔性 直流輸 電技 術也 有很好 的應 用前景 。5 ． 結 論 ( 1 ) 柔性直流輸 電技術具 有可控性較好、 運行方式靈活、 遁川 場合 多等 顯著優(yōu) 點 。( 2 ) 柔性直流輸電技術可應用于連接分散的小型發(fā)電J： 不同 額定頻率或者相同頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運行、 構建城 市直流 輸配電網、 向偏遠地區(qū)供、 海 上供電、 提高配電網電能質量和電力市 場模式下的應

16、用等方面。( 3 ) 隨 著 電力電子 技 術 的發(fā)展 ， 柔性 直 流輸 電技 術將 會更廣泛 的應用于新能源并網、 城市電網等方面。能源環(huán)境 柔性直流輸電技術及其發(fā)展分析 崔 巍 廣東省電力設計研究院 廣東廣州 5 10 6 6 3【 摘 要】本文簡要介紹了 柔性直流輸電原理， 總結了 柔性直流輸 電 技 術的特點、 應 用范圍、 現 在的發(fā)展狀況 以及其未來的發(fā)展前景。【 關鍵詞】柔性直流輸電； 發(fā)展 引 言 柔性直流輸電技術對于

17、提高交流系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性 、 增加系統(tǒng) 的動態(tài)無功儲備、 改善交流系統(tǒng)電能質量， 解決非線性負荷、 沖擊性 負荷所帶來的問題， 具有較強的技術優(yōu)勢， 也是智能電網建設中解決 大 容量、 間歇式 新能 源發(fā) 電并 網的 重要 技 術手段 。目前 世 界 上儀 ABB 公 司擁 有 商 業(yè) 運 行 的 工 程 。雖然 西 門 子 、A RE V A 等跨國公司一直沒有『 日 J 斷在該領域的技術研究， 但迄今為止 在世界范圍內運行的工程仍被

18、AB B 一家公司所壟斷。1 ． 柔性直流輸電技術的原理 柔性直流輸電采用電壓源型換流器和P WM技術。 由調制波與三 行 J 載波比較產生的觸發(fā)脈沖， 使V S CF 橋臂的開關管高頻開通和關 斷 ， 則橋 臂 中點電壓U C 在兩 個 固定 電_ I 孟+ Ud 和 一 U d 之 1 日 J 快 速切 換 ，U C 冉經過 電抗 器濾波 后則 為網側的 交流 電壓U S 。進 一 步分析可知 ， 在假設換流電抗器無損耗 且忽 略諧

19、 波分 量 時， 換流器平 【 l 交流電網之間傳輸的有功功率為P ， 無功功率為Q 。 有功 功率的傳輸主要取決于6， 無功功率的傳輸 主要取決于UC 。 因此通 過對6 的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小， 通 過摔制Uc 就可以控~ O v s c 發(fā) 或者吸收的無功功率。 從系統(tǒng)角度來 看， V S C 可以看成是 一 個無轉動慣量的電動機或發(fā)電機， 幾乎可以瞬 時災現有功功率和無功功率的獨立調節(jié)， 實現四象限運

20、行。2 ． 柔性直流輸電技術的特點 柔性直流輸電技 術是 當今世界電力電子技 術應用領域的制高 點， 是基于可關斷電力電子器件I G B T( 絕緣柵雙極晶體管) 組成 的電 源換流器所構成的新一代直流輸電術。該技術可以在進行精確有功功率控制的同時對無功功率進行控 制 ， 可為 交流 系統(tǒng) 提供 電壓 支撐 ， 控 制更 加 靈活 。 柔性 直流 換 流 站可 工 作在 尤源換 流 的 方式 下， 不需 要 外加 的換 相電壓 ， 可用

21、十 弱系統(tǒng) 或 源系統(tǒng)供電。 此9 1 、 ， 柔性直流輸 電技術基本不需要濾波和無功補 償裝置， 其換流站占地面積較同等容量的常規(guī)直流換流站要小。柔悱直流輸 電是以電壓源換流器為核心的新一代直流輸 電技 術，采用最先進的電壓源型換流器和全控器件， 是常規(guī)直流輸電技 術 的換代 升級 。與傳統(tǒng) 的直 流輸 電不 同， 是 一種采 用基于 電壓源 換流 器、 吖． f 守 關斷器件和脈寬調制 ( P WM技術) 的新一代直流輸 電技術。它

22、可以瞬間實現有功和無功的獨立解耦控制， 能向無源網絡供 電， 具有良好的電網故障后的快速恢復控制能力， 可以作為系統(tǒng)恢復 電源。 仟傳輸能量的同時， 還能靈活地調節(jié)與之相連的交流系統(tǒng)電 。 具有可控性較好、 運行方式 靈活、 適用場合多等顯著優(yōu)點。 從用 途 I ： 石， 它 可以 很好 地 適應 干可 再 生 能源 并 網、 分布式 發(fā) 電并 網、 孤 島供電、 城市電網供電等領域。3 ． 柔性直流輸電技術可應用范圍 ( 1 ) 連接

23、分散的小型發(fā)電 如中小型的水電廠 風電場 ( 含海 L 風電場) 、 潮汐電站、 太陽能電站等， 利用柔性直流輸電與主網實 現 互聯(lián)是充分利用可再生能源的最佳方式， 有利于保護環(huán)境。( 2 ) 不同額定頻率或者相同頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運行。模塊化結構以及電纜線路使柔性直流輸電對場地和環(huán)境的要求大為 降低 ， 換 流站 的投資 大大 下降 。( 3 ) 構建城 市直流 輸 配電網 。( 4 ) 向偏遠地區(qū)供電。 偏遠地區(qū)一般遠離電網，

24、 負荷輕而且 日 負 荷波動火， 經濟因素以及線路輸送能力低是限制架設交流輸電線路 1 3 2發(fā)展的主要因素。 采用柔性直流輸電進行供電， 町解決這些『 口 J 題 。( 5 ) 海上供電。( 6 ) 提高配電網電能質量。 柔性直流輸 電系統(tǒng)可以獨立快速地 控制有功和無功 ， 且能夠使交流系統(tǒng)的電壓保持不變、 它使系統(tǒng)的電 壓和電流較容易地滿足電能質量的相關標準。4 ． 柔性直流輸電技術的發(fā)展 隨著風電等間歇式可再生能源在電網中比重的加

25、大， 其隨機性、間歇性和不可控性等特點對電網的安全可靠運行帶來巨大挑戰(zhàn) 。 柔 性直流輸電可以極大地提升風電場并網的安全性和可靠性 ， 是國際 上公認的最具有技術優(yōu)勢的風電場并網手段， 特別是對于遠距離的 海上風電場來說 ， 使用柔性直流輸電并網是 目前唯 一 一 可選的有效 方 案。另外， 柔性 直流輸電技 術在孤 島及海上平臺供電、 大型城市供 電、 多端直流組網、 電力市場交易等領域也都有顯著的技術優(yōu)勢。 隨 著電網未來繼續(xù)朝著智

26、能化、 節(jié)約化、 環(huán)?；l(fā)展， 柔性直流輸電技 術必將成為未來電力領域的 一個重要發(fā)展方向， 具有極其廣闊的市場 應用前景。 ”據悉， 1 9 9 7 年世界上第一條柔性 直流輸 電工程投入工業(yè) 試驗運營， 目前投入運營的已經有l(wèi) 1 條。 大部分應用于風力發(fā)電、 電 力交易、 電網互聯(lián)、 海上鉆井平臺等領域。 隨著世界范圍內對于町再 生能源的應用越來越廣泛， 規(guī)模越來越大， 目前已有1 0 0 0 ~瓦的柔性 直流 風 電場 并 網工

27、程 開 始設 計， 而 2 0 0 0 ~ g 瓦級 柔性 直 流 輸 電的 概 念 設計也已經提出。目前， 歐洲多個國家都已經規(guī)劃和建設了大量的海 上風電場， 其容量都在數百兆瓦等級 ， 并且其中已經有部分使用了柔 性 直流 輸 電進行系統(tǒng)接 入 。我 國開展 柔性直 流 輸 電技 術研 究 的時 問相 對較 晚 ， 在 初 期階 段 主要集中住大專院校所開展的部分理論性研究。 2 0 0 6 年5 月， 國家電 網組 織 編制 _

28、『柔性 直 流輸 電 系統(tǒng) 關 鍵技 術研 究 框架 》， 由此 啟動 了我國在柔性直流輸電關鍵技術領域的全面研究。目 前， 我國已規(guī)劃存 甘肅酒泉、 新疆哈密、 河北、 吉林、 內蒙 占東部 、 內蒙古西部 、 汀蘇、?東等地建設8 個千萬千瓦級風 電場。 柔性直流輸電是 國際公認的最 具 有技術優(yōu)勢的風電場并 網方案， 也是海上風電并網的唯 方式，町以大幅改善大規(guī)模風 電場并網的性能， 保障新能源發(fā)電的迅速發(fā) 展。據了解， ~ ~

29、2 0 1 5 年， 保守估計世界范圍內柔性直流輸電 程的市 場規(guī)模將達到千億元以上。 隨著新能源的快速 發(fā)展， 我國對柔性直 流輸 電技術也呈現出強勁的市場需求。 我國未來五年的市場規(guī)模將 在4 0 0 { L 元 左右。在 2 0 2 0 年 前， 僅風 電發(fā) 電方面我 國就 計劃 興建6 個百 萬 干瓦級 的 超大型風電場。 柔性直流輸 電是國際公認的最具有技術優(yōu)勢的風電 場并網方案， 也是海上風 電并網的唯一方式， 可以大幅改善

30、夫規(guī)模風 電場并網的性能， 對于大容量風電場的可靠并網、 保障新能源發(fā)電的 迅 速 發(fā)展 ， 都具 有 重要 的意 義 。此外， 對于大型城市供電、 城市配電、 島嶼和鉆井平臺供電等應 用領 域 ， 柔性 直流輸 電技 術也 有很好 的應 用前景 。5 ． 結 論 ( 1 ) 柔性直流輸 電技術具 有可控性較好、 運行方式靈活、 遁川 場合 多等 顯著優(yōu) 點 。( 2 ) 柔性直流輸電技術可應用于連接分散的小型發(fā)電J： 不同 額定頻率或