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1、第 40 卷 第 8 期： 2429-2439 高电压技术 Vol.40, No.8: 2429-2439 2014 年 8 月 31 日 High Voltage Engineering August 31, 2014 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.08.025 柔性直流输电技术的现状及应用前景分析 马为民，吴方劼 ，杨一鸣，张 涛 （国网北京经济技术研究院，北京 100000） 摘 要 ：柔性直流输电技术发展至今已经逐步走向成熟，尤其是在欧美地区，已经建成了数十条不同技术路线的 柔性直流输电工程，积累了大量的工程经验。而在我国，该技术多年来一直处于理
2、论研究阶段，最近几年才刚刚 开始大量兴建示范工程。为给我国柔性直流技术的普及和工程应用提供参考，总结了国内外柔性直流输电的典型 工程及技术应用现状。梳理了柔性直流输电的原理、结构和技术特点，系统总结了该技术的演化发展和工程应用 经验，分析了柔性直流特有的独立控制有功无功功率，无换相失败问题等优点，提出了受电压源型换流器元件制 造水平及其拓扑结构的限制导致柔性直流输送容量小、成本高、故障承受能力较弱等问题。结合我国能源发展战 略和电网发展中遇到的问题，对柔性直流输电技术的应用领域以及未来电网的发展方向提出了一些具有积极意义 的设想和建议。 关键词 ：柔性直流输电；交直流联网；分布式电源；可再生能
3、源；大城市电网；弱系统供电；孤岛供电 Flexible HVDC Transmission Technologys Today and Tomorrow MA Weimin, WU Fangjie, YANG Yiming, ZHANG Tao (State Power Economic Research Institute, Beijing 100000, China) Abstract： The flexible HVDC transmission technology gradually matures currently, especially in the developed cou
4、ntries, where dozens of flexible HVDC projects with different technical routes have been built and a lot of experience in engi- neering is gathered. Meanwhile in China, the technology has been studied for a long time, and a number of demonstration projects are constructed or in construction only fro
5、m the recent years. Therefore to provide reference for promoting and applying the flexible HVDC technology in China, we summarized some typical engineering projects and the application status of the technology. This work includes reviewing the principle, structure and technical characteristics of HV
6、DC flexible transmission, summarizing the technologys and engineering experience, analyzing the technologys pros such as the independent control of active and reactive power, commutation failure free, etc., and cons including small capacity, high cost and poor tolerance of faults due to the incapabi
7、lity of manufacturing voltage source converter components and the technologys topology constraints. According to Chinas energy development strategy and some problems that we en- countered in the power grid development, we presented some ideas and suggestions for the application and development of HV
8、DC flexible transmission technology. Key words： flexible HVDC; AC and DC network composed; distributed generator; renewable energy; metropolitan power network; week system power supply; isolated island power supply 0 引言 采用电压源换流器 (voltage sourced converter, VSC)的直流输电技术 ABB 公司称之 为 HVDC Light， Siemens
9、公司将其注册为 HVDC Plus，在我 国目前被称为 Flexible HVDC“ 柔性直流输电 ” 。 柔 性直流输电 ” 一词严格来说并不十分准确，因为传 统 采 用 电 流 源 换 流 器 (line commutated converter, LCC)的直 流输 电功能 也十 分丰富 ，运 行也非 常灵 活。为叙述方便，本文仍暂且使用 “柔性直流输电 ”。 柔性直流输电技术利用 IGBT 元件的可关断特性， 能够分别对有功和无功功率进行独立控制，实现换 流器的 4 象限运行 1-4。相对于传统意义上基于晶闸 管的 HVDC 输电系统，柔性直流输电运行方式更灵 活、系统的可控性更好，可
10、以向弱交流系统甚至无 源系统送电，非常适合弱系统或孤岛供电、可再生 能源等分布式发电并网、异步交流电网互联以及城 市电网供电等领域。另外，电压源换流器产生的谐 波含量小，不必专门配置滤波器，大大节省占地面 积，在城市、海岛、海上平台中使用具有很大优势。 常规高压直流输电技术的研究和应用在我国 已非常深入和成熟，有多个直流工程的广泛实践， I i u 2430 高电压技术 2014, 40(8) 并建设了世界上电压等级最高、输送容量最大的 800 kV 特高压直流工程。而关于柔性直流输电技 术的研究正处于技术不断改进，工程应用不断增长 的高速发展期，除了试验性质的南汇工程，近期新 建的舟山工程、
11、南澳工程已经进入工程调试和试运 行阶段，厦门工程、鲁西工程也已经开始公开招标。 这些工程逐步向大容量、多端、双极、背靠背等多 个直流输电研究方向开展实践和探索，在不久的将 来可以成为地方电网总体规划布局的一部分。但是 新建的工程运行时间较短，运行经验还稍显不足。 未来，随着电力电子技术的进步和发展，柔性 直流输电在解决远距离，大容量输电，新能源分布 式电源接入，以及特大型交直流混合电网面临的诸 多问题时都将展现出其特有的优势。作为新一代直 流输电技术，柔性直流输电为电网输电方式的变革 和构建未来电网提供了有效的解决方案 5-7。 本文介绍柔性直流输电技术的现状及应用前 景分析。 1 柔性直流输
12、电技术及发展 1.1 概述 20 世纪 90 年代后期，以 ABB、 Siemens 为代 表的跨国企业研究并发展了柔性直流输电技术，并 在多个领域得到了广泛应用。最早的柔性直流输电 采用 2 电平拓扑，通过脉宽调制的方式进行换流， 靠并联在极线两端的电容器稳定电压和滤波，这种 方式的优点在于电路结构简单，电容器少，缺点在 于若开关频率较低则输出波形畸变较大，而开关频 率较高则换流器损耗较大。另外 2 电平换流器为提 高容量需采用大量 IGBT 器件直接串联，必须配置 均压电路以保证每个开关器件承受相同电压，开关 触发的同步性也是个难题。 ABB 公司开发的集成型 的 IGBT 器件，能够一定
13、程度上解决同步触发问题， 但是只有 ABB 自身掌握该技术，造价昂贵，应用 也不是很普及。之后还出现过 3 电平的换流器结构， 但也与 2 电平结构存在类似问题，没有得到广泛应 用。自 2000 年以来， Siemens 公司开发出模块化多 电平柔性直流输电技术，通过将原并联在极线两端 的电容器分解到每个 IGBT 子模块和子模块的级联 来解决电压的问题。其中每个子模块由 2 个 (或多 个 )IGBT 开关器件、直流电容等元件构成。通过子 模块之间的串联，来提高每个桥臂的电压耐受水平， 同时可通 过器 件 (或桥臂 )的并联来 提高 换流器 的容 量，具有较好的扩展性。这种拓扑结构不需要子模
14、 块的同步触发，开关频率低，损耗小，较好地解决 了柔性直流输电的容量限制，成为了目前柔性直流 输电技术的主流。此后， ABB 又开发了 IGBT 串联 和多模块混合式的柔性直流输电技术，它综合了两 种换流器技术的优势，也具有较好的应用前景 8-10。 1.2 换流器原理 1.2.1 2 电平结构 2 电平电压源换流器的主电路结构如图 1 所示。 共有 3 对桥臂，每个桥臂由 1 组可关断 IGBT 器件 及与之反并联的续流二极管构成。 n0 为直流侧中性 点， Udc 表示直流侧电压，上、下两直流电容电压 均为 Udc/2，其中， Gi(i=1, 2, , 6)分别表示 6 个桥 臂上的 IG
15、BT 器件； VDi(i=1, 2, , 6)分别为 6 个桥 臂晶体管； dc 为直流侧电流； a、 ib、 ic 为交流侧电流。 Rdc 表示开关损耗等效电阻；电压源换流器交流侧通 过阻抗负载与交流电源相连， N 为负载侧中性点。 以 a 相为例，电阻 Ra 包括外接电抗器中的电阻以及 交流电源的内阻；电感 La 包括外接电抗器的电感、变 压器漏感以及交流电源的内部电感。直流侧电压与功 率开关器件的开关状态决定了电压源换流器的输出。 通常电压源换流器可以采用的 PWM 调制策略 有许多种，在实际中使用较多和较广的是正弦脉宽 调制，对于 PWM，图 1 中 a、 b、 c 三相的 PWM 控
16、 制公用一个三角波载波 uc ，三相调制信号 ura 、 rb 和 urc 的相位依次相差 120，各相功率开关器件的控制 规律相同。现以 a 相为例来说明，当 ura uc 时，给 上桥臂晶体管 G1 开通信号，给下桥臂晶体管 G4 以关断信号，则 a 相相对于直流侧中性点 n0 的输出 电压 uan Udc 2 ；当 ura uc 时，给 G4 开通信号， 给 G1 关断信号， uan Udc 2 。 G1 和 G4 的驱动信 号始终是互补的，当给 G1(G4)施加开通信号时， 图 1 开关型 (2 电平 )电压源换流器拓扑 Fig.1 Switch type (two levels) v
17、oltage source converter topology 马为民，吴方劼，杨一鸣，等：柔性直流输电技术的现状及应用前景分析 2431 G1(G4)的导通状态主要由感性负载中原来电流的 大小和方向来决定，可能是 G1(G4)导通，也可能是 通过二极管 VD1(VD4)续流。 2 电平电压源换流器采用 SPWM 调制时，相关 电压波形如图 2 所示。 1.2.2 子模块多电平结构 模 块 化 多 电 平 电 压 源 换 流 器 (modular mul- ti-level converter, MMC)的主电路结构如图 3 所示， 其基本的电路单元称为子模块 (sub modular, S
18、M)， 各相桥臂均是通过具有相同结构的多个子模块和一 个桥臂电抗器 Lq 串联组成，这种形式的换流器的输 出电压就是由多个子模块的电压级联组成，通过开 关器件接入或旁路各个桥臂的子模块，改变桥臂上 工作子模块的数量，进一步可以灵活改变换流器输 出的电压和功率。 图 3 中 Idc 为直流侧电流； Udc 为直流侧电流； ia、 ib、 ic 为交流侧电流。 iSM 为流过每个子模块的电 流，也是桥臂电流。 N0 为系统中性点。 图 4 为换流器中子模块的结构示意图。图中 iSM 为子模块电流， uSM 为子模块电压， UC0 为子模块电 容两端的电压。子模块由 2 个 IGBT 开关器件 T1
19、、 T2 和与之反并联的二极管 D1、 D2 以及 1 个直流储 能电容 C0 构成。这种拓扑结构不像 2 电平换流器需 要在极线两端并联直流稳压电容器。正常运行情况 下，当 T1 开通、 T2 关断，子模块输出电压 uSM 为 储能电容电压；当 T2 开通、 T1 关断时， uSM 为零。 子模块闭锁状态下， T1、 T2 均关断。 由于 MMC 自身所具有的 “ 模块化 ” 特点，可 以方便地构成自己需要多电平阶梯波输出。当子模 块数量较少时，可以看到明显的阶梯波锯齿，但是 当子模块数量较多时，波形品质明显变好，研究表 明当子模块电平数量超过 100 时，输出波形几乎已 经没有什么谐波，而
20、目前实际工程中往往达到 200300 个以上的子模块规模。图 5 为 11 电平模块 化多电平电压源换流器的波形示意图。 图 5 中 ua0 表示图 3 中 A 点对中性点 N0 的电压。 模块化多电平换流器的构造便于工业实际生 产，相比于传统的 2 电平与箝位型多电平换流器模 块化多电平电压源换流器允许使用在工业应用上较 成熟的标准部件。这种结构本身具有较强的故障保 护能力，一旦 1 台子模块出现故障，就可以马上通 过旁路开关将其旁路掉，通过冗余的子模块取代之， 检修也特别方便。模块化多电平换流器并不需要脉 图 2 三相 2 电平 VSC 采用 SPWM 调制时的相应电压波形 Fig.2 T
21、hree-phase two level VSC using SPWM modulation, voltage waveform 图 3 可控电源型 (模块化多电平 )电压源换流器拓扑 Fig.3 Controllable power source type (modular multilevel) voltage source converter topology 宽调制，可以极大的降低开关频率，同时，还能保 证优秀的波形品质及较低的谐波含量。 1.3 系统结构及主接线 柔性直流输电系统主要包括电压源换流器、换 相电感 (可能由相电抗器、联结变压器或它们的组合 来提供 )、交流开关设备、直流
22、电容 (可能包含在换 2432 高电压技术 2014, 40(8) 图 4 模块化多电平换流器子模块结构示意图 Fig.4 Schematic structure of modular multilevel converter module 流阀子模块中 )、直流开关设备、测量系统、控制与 保护装置等。根据不同的工程需要，可能还会包括 输电线路、交 /直流滤波器、平波电抗器、共模抑制 电抗器等设备。 换流站是柔性直流输电系统最主要的部分，根 据其运行状态可以分为整流站和逆变站，两者的结 构可以相同，也可以不同。目前常见的柔性直流换 流站主接线方案主要包括单极对称接线方案和双极 对称接线方案两种
23、，两种主接线方案分别如图 6 和 图 7 所示。图中 TM 为联结变压器， Ls 为直流电抗 器， SM 为模块化 IGBT 换流阀。 单极对称接线方案是目前柔性直流输电系统 中最常见的接线方案，这种接线方案采用一个 6 脉 动桥结构，在交流侧或直流侧采用合适的接地装置 钳制住中性点电位，两条直流极线的电位为对称的 正负电位。 对于该接线方案，定义联结变压器网侧为交流 网络区，联结变压器阀侧到桥臂电抗器为联结区， 桥臂电抗器到直流母线区域为阀侧直流区。 这种接线方案结构简单，在正常运行时，对联 结变压器阀侧来说承受的是正常的交流电压，设备 制造容易。 由于目前没有可以开断大电流的直流断路器，
24、这种接线方案在发生直流侧短路故障后只能整体退 出运行，故障恢复较慢。单极对称接线方案适合于 直流线路采用电缆线路，发生短路故障的概率低， 能够保证运行可靠性。该接线方案在海峡间的输电， 风电传输等领域得到了广泛的应用。 图 5 模块化多电平换流器波形示意图 Fig.5 Modular multilevel converter waveform diagram 图 6 柔性直流输电单极对称接线方案 Fig.6 Flexible HVDC single polar symmetrical wiring scheme 目前世界上绝大多数柔性直流工程均是采用 该接线方式，在我国刚刚建成的舟山多端柔直和
25、南 澳柔直项目也是采用该接线方式。 双极对称接线方案在目前柔性直流输电系统 不算常见，这种接线方案采用 2 个 6 脉动桥结构， 分别组成正极和负极，两极可以独立运行，中间采 用金属回线或接地极形成返回电流通路。 目前国际上唯一采用该接线方案的柔性直流 输电工程是 ABB 公司承建的连接纳米比亚和赞比 亚的卡普里维工程 10，后文将有详细介绍。而我国 刚刚完成设计并进入工程建设阶段的厦门柔性直流 输电工程也是采用的该结构。电压等级 320 kV， 双极额定输送有功功率 1 000 MW。随着单个柔性 直流工程输送容量的不断提升以及用户对于于柔性 直流输电可靠性的要求越来越高，这种方式双极对 称
26、的接线方案必将是未来发展的主流。 这种接线方案的特点是可靠性较单极对称接 的 。这种方案是由浙江大学提出，预计会在南网 保证受端系统的电压稳定和电能质量 。 马为民，吴方劼，杨一鸣，等：柔性直流输电技术的现状及应用前景分析 2433 线高，当一极故障时，另外一极可以继续运行，不 会导致功率断续。因此这种接线方案可以采用架空 线作为直流输送线路，不受电缆制造水平的限制， 直流侧可以选用较高的电压等级，输送容量较大。 双极对称运行的换流站，有一定的故障恢复能 力。一旦检测到直流线路故障，比如受到雷击而发 生短路时，立刻闭锁换流器阀，然后跳开两侧的交 流断路器以切断流经换流器阀二极管中的故障电 流，
27、然后断开交流滤波器以抑制交流电压上升，然 后断开直流侧开关 DCBP 以消除直流侧残余电流并 使故障弧道去游离。之后，两侧交流断路器和交流 滤波器开关重新闭合，解锁换流器阀并使换流器按 STATCOM 模式运行。最后，重新合上直流侧开关 并使直流线路重新带功率。从检测到故障直到直流 线路重新恢复全功率送电耗时约 1.5 s。这个时间对 于故障自清除来说还是较长，不能算是真正的故障 自清除能力。 另外双极对称接线方案下，每一极的交流侧联 结区在正常运行时都要承受一个带直流偏置的交流 电压，直流偏置电压的大小为直流极线电压的一半。 这种工况的要求提高了变压器及联结区相关设备的 制造难度。 除了这些
28、常用的接线方案，许多研究机构也提 出了一些颇具发展前景的接线方案。比如 LCC+MMC 混合式 HVDC 双极系统主接线方案， 这种方案结合两种直流输电的优点，既可以解决纯 LCC 直流受端换相失败的问题，又改善了纯柔性直 流输电系统的直流侧故障自清除问题。对于这种混 合式双极系统，整流站采用传统的 LCC(line com- muted convertor)型换流器，逆变站采用常规 MMC 型换流器，但为了具有直流侧故障自清除的能力， 在 MMC 的直流侧出口串联了一个电流单向导通的 二极管阀，以使直流线路故障时， MMC 不能向故 障点馈入电流，从而达到直流侧故障自清除的目 7 建设一条试
29、验线路，其接线方案如图 8 所示。 这种 LCC 加二极管阀加 MMC 构成的混合式直 流输电技术的主要优点： 整流站采用传统电流源 型 LCC 换流器，技术成熟可靠，设备成本低，运行 损耗小； 逆变站采用子模块多电平 MMC 型换流 器，可以解决受端系统由多直流馈入引起的同时换 相失败问题； 可以能够为受端系统提供无功支撑， 7 图 7 柔性直流输电双极对称接线方案 Fig.7 Flexible HVDC single bipolar symmetrical wiring scheme 图 8 LCC+MMC 混合式 HVDC 双极系统接线方案 Fig.8 Flexible HVDC LCC
30、+MMC Mixed wiring scheme 但是由于增加的二极管也必须承担相当于直 流极母线的反向恢复电压，因此工程上要实现该二 极管的功能，其体积与送端换流阀类似，也必须要 2434 高电压技术 2014, 40(8) 建造一个与传统直流相类似的阀厅，经济上并不 占优。 目前，我国正在新建的鲁西背靠背直流输电工 程将有望采用该接线方案进行实验性运行。 1.4 国内外柔直工程简介 目前，世界范围内欧洲、大洋洲、美洲、亚洲、 非洲 16 个国家均有柔性直流输电工程投运或在建。 其中，已投运工程经历了从 2 电平到 3 电平又回到 2 电平、模块化多电平的技术发展路线，在建柔性 直流输电工程
31、几乎全部为模块化多电平拓扑。本节 介绍几个国内外典型直流工程，并对当前世界上的 柔性直流工程进行了分类梳理。 1.4.1 国外柔性直流输电工程 1）赫尔斯扬实验性工程 1997 年投入运行的赫尔斯扬实验性工程是世 界上第 1 个采 用 电压源换 流 器进行的 直 流输电工 程。该实验性工程的有功功率和电压等级为 3 MW/10 kV，这个工程连接了瑞典中部的赫尔斯扬 和哥狄斯摩 2 个换流站，输电距离 10 km。工程于 1997 年 3 月开始试运行，随后进行的各项现场试验 表明，此系统运行稳定，各项性能都达到预期效果。 该工程将赫尔斯扬的电能输送到哥狄斯摩处 的交流系统，或者直接对哥狄斯摩
32、处的独立负荷供 电。在后一种情况下，相当于柔性直流输电系统向 无源负荷供电，此时负荷的电压和频率均由柔性直 流输电的控制系统决定。由于柔性直流输电系统的 换流器是可以 4 象限运行的，因此具有较大的运行 灵活性。并且由于具有无功补偿的能力，因此可以 很好地抑制相连交流系统的电压波动。 此工程是世界上首次实现了柔性直流输电技 术的工程化应用，第 1 次将可关断器件阀的技术引 入了直流输电领域，开创了直流输电技术的一个新 时代。柔性直流输电系统的出现，使得直流输电系 统的经济容量降低到了几十 MW 的等级。同时，新 型换流器技术的应用，为交流输电系统电能质量的 提高和传统输电线路的改造提供了一种新
33、的思路。 2）卡普里维联网工程 为了从赞比亚购买电力资源，纳米比亚电力公 司打算将其东北部电网和中部电网进行连接。由于 这是两个非常弱的系统，并且传输的距离较长 (将近 1 000 km)，所以选择使用了柔性直流输电系统，以 增强两个弱系统的稳定性，并借此可以和电力价格 较昂贵的南非地区进行电力交易。工程于 2010 年投 入运行。根据实际情况，工程建设一个直流电压为 350 kV 的柔性直流输电系统，其额定有功功率为 300 MW，连接了卡普里维地区靠近纳米比亚边界 的赞比西河换流站和西南部 970 km 之外的中部地 区的鲁斯换流站。此工程的输电线路为一条 970 km 的直流架空线，这条
34、线路使用了现有的从鲁斯到奥 斯的 400 kV 的交流架空线路并进行升级改造，使之 延长到赞比西河新建的变电站。 工程的建成不仅将东北部的卡普里维和纳米 比亚的中部电网进行了连接，还将使纳米比亚、赞 比亚、津巴布韦、刚果、莫桑比克和南非的系统互 联成一个电网。不仅可以使得南部非洲电价昂贵的 地区进行电力交易，还可以更有效地利用地区间的 发电资源，包括可再生能源。此工程将柔性直流输 电系统的直流侧电压提升到 350 kV，并且是世界上 第 1 个使用架空线路进行传输的商业化柔性直流输 电系统。同时，此工程有功功率在下一阶段还将通 过增加一个传输极来升级到 600 MW。 3）传斯贝尔电缆工程 传
35、斯贝尔柔性直流工程是联结匹兹堡市的匹 兹堡换流站和旧金山的波特雷罗换流站，线路采用 一条经过旧金山湾区海底的高压直流电缆，全长 88 km。工程于 2010 年投入运行。工程建立的初衷是 为东湾和旧金山之间提供一个电力传输和分配的手 段，以满足旧金山日益增长的的城市供电需求目前 由于旧金山其他电源接入点的建立，该换流站的主 要职能是电力传输更多的转向调峰调频。由于柔性 直流输电系统能够提供电压支撑能力和降低系统损 耗的特点，该工程有效地改善了互联的两个地区电 网的安全性和可靠性。 旧金山市的大部分电力供应都来自圣弗朗西 斯科半岛的南部，主要依赖于旧金山湾区南部的交 流网络。在此工程完成之后，电
36、力可以直接送到旧 金山的中心，增强了城市供电系统的安全性。而且， 由于直流电缆是埋于地下和海底，也不会造成对环 境的污染。 传斯贝尔联络工程和上面所介绍的所有工程 的最大不同之处，在于此工程中首次使用了新型的 模块化多电平换流器，其额定有功功率为 400 MW， 直流侧电压为 200 kV。 1.4.2 国内柔性直流输电工程 1）上海南汇柔性直流输电示范工程 上海南汇柔性直流输电示范工程是我国自主 /MW 400 等级 最大容量 马为民，吴方劼，杨一鸣，等：柔性直流输电技术的现状及应用前景分析 2435 研发和建设的亚洲首条柔性直流输电示范工程，额 定输送有功功率 20 MW，额定电压 30
37、kV， 2011 年 7 月正式投入运行。该工程是我国在大功率电力 电子领域取得的又一重大创新成果。南汇柔性直流 输电工程的主要功能是将上海南汇风电场的电能输 送出来，当时南汇风电场是上海电网已建的规模最 大的风电场。风电场换流站经 150 m 电缆线路连接 风电场变电站 35 kV 交流母线。南汇柔性直流输工 程的两个换流站之间通过直流电缆连接，线路长度 约为 8 km。 上海南汇柔性直流输电示范工程两端换流站 均采用 49 电平的模块化多电平拓扑结构，额定直流 电压为 30 kV。具体工程参数如表 1 所示。 2）舟山多端互联工程 随着舟山群岛新区的建设，各岛屿的开发进程 不断加速，这对舟
38、山电网的供电可靠性和运行灵活 性提出了更高的要求。另外，舟山诸岛拥有丰富的 风力资源，风电的间歇性和波动性也对电网接纳新 能源的能力提出了新的要求。在此情况下，舟山电 网迫切需要发展适用于其自身特点的先进输配电技 术，其地理接线图如图 9 所示。 舟山 5 端直流工程旨在建设世界第 1 条多端柔 性直流工程，同时满足舟山地区负荷增长需求，提 高供电可靠性，形成北部诸岛供电的第 2 电源；提 供动态无功补偿能力，提高电网电能质量；解决可 再生能源并网，提高系统调度运行灵活性 11-12。 其工程基本参数如表 2 所示。 当然，目前世界上投运或待建的柔性直流工程 不仅仅只有前面介绍的几条，经过梳理
39、，已投运柔 性直流工程的技术路线统计如表 3 所示。世界范围 内 32 项已投运或在建的柔性直流输电工程中， 2000 图 9 舟山多端柔性直流输电工程地理接线示意图 Fig.9 Geographical wiring of Zhoushan multi-terminal flexible HVDC 表 1 上海南汇示范工程参数 Table 1 Shanghai Nanhui demonstration project parameters 参 数 数 值 直流电压 /kV 30 直流电流 /A 300 交流电压 /kV 31 交流电流 /A 340 额定有功功率 /MW 20 表 2 舟山多
40、端柔性直流输电工程基本参数 Table 2 Parameters of Zhoushan multi-terminal flexible HVDC 参数 定海换流站 岱山换流站 衢山、泗礁、洋山换流站 容量 /MVA 450 350 120 额定有功功率 300 100 直流电压 /kV 200 200 200 表 3 目前已投运工程总体情况 Table 3 General situation of the operational project 年之前有 5 项工程投运， 2001 2005 年有 3 项工程 投运， 2006 2010 年有 4 项工程投运，计划在 2011 年份 工程 最
41、高电压 数量 总容量 技术 特点 2015 年将有 21 项工程投运，工程数量呈现出快 速增长趋势，具体见图 10。 1997 2000 4 80 kV 195 MVA/180 MW 240 MW PWM 2 电平 2000 2002 3 150 kV 346 MVA/330 MW 566 MW 3 电平 世界上最早应用柔性直流输电的地区集中在 欧洲，目前欧洲也是柔性直流输电项目最多的地区。 2003 2010 4 350 kV (架空线 ) /150 kV 350 MW 768 MW OPWM 2 电平 欧洲多个国家临海，为了开发和利用新能源，建设 和规划了大量的海上风电平台，有功功率在数百
42、 MW 左右，距离本岛大约 6070 km，这些风电平台 通过柔性直流输电和海底直流电缆和本岛连接无疑 是最适合的实现手段。目前德国在建的柔性直流输 电项目总有功功率达到 2 600 MW，主要应用于海 2010 2012 2 200 kV 400 MW 420 MW 模块化多 电平 注： PWM 表示脉宽调制 (pulse width moudulation)； OPWM 表示优化脉宽调制 (optimal pulse width moudulation)。 上风电平台接入；英国已经开始规划用于国内电网 输电的柔性直流输电项目，甚至欧洲国家之间的电 2436 高电压技术 2014, 40(8
43、) 力连接也在规划当中。图 11 显示了欧洲地区柔性直 流输电项目的分布情况。 未来柔性直流输电在国际上的规划和发展非 常有前景。英国计划到 2025 年新建柔性直流输电线 路近 50 条，以促进和鼓励清洁能源的发展。美国在 未来 20 年，也有 60 多条柔性直流输电项目在规划 当中 13-16。 柔性直流在我国也非常具有发展潜力，我国同 样拥有广阔的海岸线，目前正大力发展风力发电、 太阳能发电等清洁能源，城市电网也面临短路电流 超标、供电能力不足等问题，柔性直流输电在解决 这些问题中有其独到的优势，借鉴国外柔性直流工 程的先进经验，进一步研究柔性直流输电技术对我 国电网发展具有重要意义。
44、2 柔性直流输电的特点 2.1 优势 柔性直流输电相对于传统基于晶闸管器件的 高压直流输电技术有以下几个方面优势： 1）无 须交流侧 提供 无功功 率， 没有换 相失败 问题。传统高压直流输电技术换流站需要吸收大量 的无功功率，约占输送直流功率的 40%60%，需要 大量的无功功率补偿装置。同时传统直流需要接入 系统具备较强的电压支撑能力，否则容易出现换相 失败。而柔性直流技术则没有这方面的问题。同时 且独立控制有功和无功功率，可向无源网络供电。 2）柔性直流输电技术可以在 4 象限运行，同 时且独立控制有功功率，不仅不需要交流侧提供无 功功率，还能向无源网络供电。在必要时能起到 STATCO
45、M 作用，动态补偿交流母线无功功率，稳 定交流母线电压。如果容量允许甚至可以向故障系 统提供有功功率和无功功率紧急支援，提高系统功 角稳定性。而传统直流输电仅能两象限运行，不能 单独控制有功功率或无功功率。 3）谐 波含量小 ，需 要的滤 波装 置少。 无论是 采用 SPWM 脉宽调制技术的 2 电平拓扑还是采用最 近电平逼近 (NLS)的子模块多电平拓扑结构的柔性 直流输电技术，其开关频率相对于传统直流较高， 产生的谐波比传统小很多，需要的滤波装置容量小， 甚至可以不需要滤波器。 2.2 局限性 由于受到电压源型换流器元件制造水平及其 拓扑结构的限制，柔性直流输电技术在以下几个方 图 10
46、已投运或计划投运柔直工程示意图 Fig.10 Schematic of flexible HVDC in operation and plan to build 图 11 北欧地区柔性直流布局情况 Fig.11 Flexible HVDC distribution of the Nordic region 面具有局限性。 1）输 送容量有 限 。 目前柔 性直 流输电 工程的 输送容量普遍不高，相对于特高压直流输电可以达 到 8 000 MW 以上的输送有功功率，柔性直流输电 目前最高设计输送有功功率为 1 000 MW。其受到 限制的主要原因是一方面是由于受到电压源型换流 器件结温容量限制，单个器件的通流能力普遍不高， 正常运行电流最高只能做到 2 000 A 左右；另一方 面是由于受到直流电缆的电压限制，目前的 XLPE 挤包绝缘直流电缆的最高电压等级为 320 kV，因此 柔性直流换流站的极线电压也受到限制。如果采用 架空线路，电压水平能够提高，但是可靠性却大大 降低；如果采用油纸绝缘电缆则建设成本会大幅提 高，输电距离也会受到影响。