柔性直流输电，多场景应用发展潜力大

知识点：常规直流输电

电力传输方式改变，混合电网成为发展趋势

●满足大容量长距离输电需求，高压直流输电蓬勃发展

电力发展初期，直流输电作为最初的输电方式将电能从电源侧输送到用电侧。但是由于不能直接给直流电升压，输电距离受到较大限制，在输送容量增长和输电距离增加的情况下，线路损耗较大，无法满足需求。随着19世纪80年代末三相交流发电机和交流变压器的发明，交流电可以通过电磁感应很方便地进行升压和降压，从而可以以更小的电流进行电能的传输，减小输电损耗，交流输电开始普遍代替直流输电，并且获得快速发展，如今的电力系统建立在交流输电的基础之上。

随着电网建设范围的扩大，由于交流输电需要电网同步，传输距离受限。同时，交流输电需要大量无功补偿设备，长距离输电损耗较大且系统较为复杂，因此在长距离大容量电力传输中的局限性在实践中愈发突出。20世纪50年代以后，全球电力需求大幅增长，电力系统规模迅速扩大，输电容量和输电距离进一步增加，直流输电重新受到重视。随着电力电子技术的发展，尤其是大功率换流器的研制成功，为高压直流输电突破了技术上的阻碍，促进了高压直流输电的发展。

高压直流输电系统中，电能从一侧的交流电网导出，在换流站通过换流阀转换成直流，通过架空线或电缆传送到受端，直流电在受端换流站转换成交流送入受端交流电网。直流输电的核心设备集中于换流站设备，包括换流阀、控制保护系统、换流变压器、交流滤波器和无功补偿设备、直流滤波器、平波电抗器等。其中，换流阀是高压直流输电的核心设备。

直流输电具有交流输电不可取代的优点：由于直流输电的输送容量不受同步运行稳定性的限制，理论上直流输电没有容量的限制；同时，直流线路不存在对地电容，沿线电压分布均匀，因此不需要无功补偿装置；通过直流输电系统连接的两端交流系统可以异步运行，不需要解决电网同步问题。自从1954年第一条商业化的高压直流输电线路在瑞典建成以来，世界各国已建成多条高压直流输电项目，主要集中在欧洲、美洲和中国。

●直流输电存在无功功率和换相失败问题，柔直可作为其升级替代品

传统的直流输电技术采用汞弧阀换流器，而汞弧阀换流器所用的晶闸管属于半控型的元件，没有自关断的能力，换相过程仍需借助外部的交流电压来完成，因此只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败，从而导致直流系统的输电通道中断，甚至导致电网崩溃。换流器运行时要产生大量低频谐波，需要较多的滤波装备且滤除较为困难。同时，换流器需吸收大量无功功率，需要建设大量与其相匹配的无功补偿装置。在占地方面，直流换流站占地面积大、投资大。

20世纪90年代以后，电力电子技术逐渐发展成熟，出现了具有可关断能力的新型半导体器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）等，此类新型全控型器件逐渐取代传统半控型晶闸管应用于直流输电领域中，直流输电技术迎来重大变革，柔性直流输电(VSC-HVDC)技术应运而生。柔性直流输电系统换流站的主要设备包括电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护系统，以及一些辅助系统等。

从世界范围内看，国外柔性直流输电起步较早，瑞典于1997年便建成了最早的柔性直流输电实验性工程。我国柔性直流输电工程起步较晚，但起点高，受重视程度高，发展快，已建立多条在运柔性直流输电项目，积累了丰富的实际经验。目前，柔性直流输电朝着大容量、远距离以及直流组网方向发展。

应用场景丰富，柔直发展空间巨大

●分布式能源并网，提高电能质量和系统稳定性

在分布式能源并网方面，目前柔性直流输电是分布式电源接入最友好的方式。柔性直流输电可以将来自多个站点的风能、太阳能等清洁能源，通过大容量、长距离的输电线路将电能传输至负荷中心。柔性直流输电具有进行动态无功补偿的能力，能够提高系统的电压稳定性，从而提升供电的电能质量，提高并网时的暂态稳定性，且多条柔性直流可以独立运行。此外柔性直流输电的直流电缆采用XLPE材质，电气性能极佳，环境影响较小。

发展分布式发电是《电力发展“十三五”规划(2016-2020年)中的重要内容之一，“十三五”期间，风电开发按照“集中开发与分散开发并举，就近消纳”的原则，光伏建设按照“分散开发，就近消纳”的原则，全面推进分布式光伏的建设。预计“十三五”期间风电新增投产0.79亿千瓦以上，太阳能发电新增投产0.68亿千瓦以上，因此将会有大量新增分布式能源接入电网。同时《规划》明确指出大力推进分布式气电建设，在“十三五”期间，全国气电新增投产5000万千瓦。由《规划》可以看出，未来几年我国分布式发电规模将进一步扩大，对柔性直流输电的潜在需求也将得到进一步释放，柔性直流输电在分布式电源并网中的应用潜力巨大。

●大型城市柔性直流供电，提高城市供电可靠性

在大型城市供电方面，柔性直流输电最大的优势是能够实现故障隔离。由于城市负荷密度很高，若都采用交流电网，则会产生很大的短路容量，当主干线路短路时，很可能超过短路电流的限制。若建设若干采用柔性直流输电技术的主干线路，则可以将一个大电网分隔成若干个小电网，其中一侧的交流网络发生短路故障时，直流线路另一侧的交流网络不会通过直流线路提供短路电流，从而实现了故障隔离，大大减小了输配电网络的短路容量。由于城市电网的停电损失巨大，其带来的潜在可靠性效益将会非常可观。

出于对城市景观及节约土地，提高供电可靠性等多方面考虑，城市配电网越来越多地选择地下输电方式，近年来大规模的城网改造为电缆供电带来巨大需求。架空线入地是城市发展的趋势。与交流电缆相比，直流输电的电缆单位截面积传输功率是交流电缆的1.5倍以上，且不会造成电磁环境污染，方便维护。而相较于常规直流输电，采用柔性直流输电技术，无需投入额外的补偿装置；换流站的设计非常紧凑且占地面积很小。其主要设备能够先期在工厂中组装完毕，并预先做完各种试验。

一个65MW的换流站仅占800平方米。一个250MW的换流站将占地3000平方米，占地面积仅为同等容量下传统直流输电换流站的20%，由于直流输电不存在供电半径的问题，中心城区甚至可以不建设变电站，从而节约城市用地，带来的经济效益显著。目前国外成熟城市电缆化率达80-90%，我国部分城市也在电缆化率方面取得优秀成果，例如深圳的电缆化率达到90%，但整体来说，至2016年全国平均城市电缆化率仅10%左右。随着大城市的用地愈发紧张，对配电损耗要求越来越高，柔性直流输电在大型城市供电方面具有巨大的潜力。

●交流电网背靠背工程，动态调节系统有功和无功功率

背靠背直流输电系统是指输电线路长度为零的两端直流输电系统，其整流侧和逆变侧均在同一个换流站内，在同一处完成交-直-交的转换。这种类型的直流输电主要用于连接两个非同步运行的交流电力系统，实现电网的解列。

采用常规高压直流输电进行两端交流系统的连接存在诸多缺陷，例如常规高压直流输电不仅不能独立调节无功功率，反而需要大量的无功功率作支撑，因此对交流电网的变化比较敏感。另一方面，常规直流输电可能存在换相失败的问题。随着交流电网的送点距离越来越远，交直流混合运行的电网结构日趋复杂，发生多回直流同时闭锁或相继闭锁故障的风险加大。采用柔性直流输电可以有效避免上述问题，较常规直流输电，柔性直流输电可以独立控制有功功率和无功功率，能够提供更高的电能质量，换流站的占地面积也更小。2016年8月29日，鲁西背靠背直流工程柔性直流单元建成投运，采用常规直流和柔性直流相结合的方式。工程为柔性直流输电在交流电网背靠背的应用指明了方向，实践证明，采用柔性直流输电的交流电网背靠背工程可有效化解交直流功率转移引起的电网稳定性问题，大幅度提高电网主网架的供电可靠性。

●孤岛系统供电，同时方便多余电能反馈系统

在对无源系统和含有分布式电源的孤岛系统的供电方面，柔性直流输电具有明显优势。由于常规高压直流输电不能向无源系统供电，对于诸如没有电源的海岛，常规直流输电方式无法正常运行。相较于在海岛上采用昂贵的柴油或者天然气发电，利用柔直输电的成本优势明显。而对于具有分布式电源的孤岛系统，为了提升孤岛供电的可靠性，以及考虑更好地容纳风能、太阳能等分布式能源的接入，需要采用直流，甚至是多端直流技术。由于直流输电不存在电压电流的相角问题，各个换流站所连的交流系统可以不同步，适用于构建多个分布式发电并网的多端输电网络。与常规直流不同，当电力潮流向相反方向流动时，柔性直流输电的电压极性并不改变，因此对线路的绝缘要求较低，不需要机械开关的操作，只需对换流器进行控制，可以方便地改变功率的传输方向，实现能量的双向流动，方便分布式能源的多余电量反馈给配网系统。同时，相较于传统直流输电，当直流线路故障时，每个换流站均可以提供无功功率的支撑，从而提升整个系统的稳定性水平。我国舟山建立了5端直流输电工程，工程验证了多端柔性直流输电能够提升舟山电网的供电可靠性和运行灵活性。

●海上风电并网，提高系统建设经济性

柔性直流输电技术是实现海上风电并网最友好的方式。在风电场大规模集中并网方面，柔性直流输电具有诸多优势。风电场以直流形式接入电网，可以实现电源和电网之间的隔离，防止一侧故障传递到另一侧；可以防止出现系统电压振荡，功角失稳及风电场失速；柔性直流输电可以精确控制有功功率和无功功率，提高并网系统的稳定性，大幅增加风机的低电压穿越能力，提高并网系统的稳定性，同时避免风场无功补偿装置的投资；同时，柔性直流输电可以实现多端直流输电系统，提高风电场的风能利用率，减少线路走廊的施工环节，易于对风电场进行扩充。实践证明，在传输相同容量的功率时，常规高压直流比柔性直流方案占地面积大很多，而在传输较小容量的电力时，常规直流的单位造价较高。因此，海上风电并网采用柔性直流输电方案，不仅在技术上具有明显优势，在经济上也表现出一定的竞争力。

我国海上风电发展迅速，2010年上海东海大桥102MW海上风电项目标志着我国海上风电的发展开始启动。根据电力“十二五”和“十三五”规划，2020年我国海上风电有望达到1000MW，海上风电进入规模化发展阶段。因此，柔性直流输电在海上风电并网中的应用前景非常广阔。

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