柔性直流输电技术的发展与展望

第32卷第5期

・62・

力建设

、,01.32,NO.5

2011年5月ElectricPowerConstruction

May,2011

中图分类号.-TM721.1文标志码:A文章编号:1000.7229{2011)05.0062.05

柔性直流输电技术的发展与展望

胡航海,李敬如,杨卫红,李红军

(国网北京经济技术研究院,北京市,100052)

The

Development

andProspectofHVDCFlexibleTechnology

HUHanghai,LIJingru,YANGWeihong,LI(State

PowerEconomicResearch

Hongjun

Institute,Bejing100052,China)

ABSTRACT:With

theincreasinglydifficultyof

currerlt

power

灵活的控制方式和理想的运行特性也有助于提高交流电网电能质量”I。

目前,我国对常规高压直流输电技术的研究相对深入和成熟,在国内多个直流工程中进行了广泛实践,并建设了世界上电压等级最高的+800kV特高压直流工程。而关于柔性直流输电技术的研究还处于起步阶段,仅在风电场接入方面开始实践研究,缺乏成熟的工程经验,其他领域的应用也尚属空白。我国正在大力开发清洁新能源,城市电网也将面临供电能力不足、短路电流超标、直流负荷增长等问题。因此,研究柔性直流输电技术对我国电网建设具有重大的意义。

鲥dconstructionandtherapiddevelopmentofrenewableenergy

sources,distributedgenerationandsmartHVDCflexibletechnologyprovidesfor

powergridtechnology,

tO

newapproach

makeup

conventional

on

HVDCorHVACtransmission

technology.

flexible

of

Based

this,thefeaturesis

and

economiesofHVDC

technologysummarized.Following

theintroduction

practicalapplicationsabroadandinrequirementapplicationanalyzed

on

accordancewiththeactual

in

China,the

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of

energy

sonrces

andpower

flexible

perspectives

ofHVDC

sources

technology

renewableenergy

development,distributed

area

generatorconnectionpowersupplyforisolated

andurban

power

popularizing

network.Furthermore,thesuggestionsforstudying

thenewtechnologyisprovided.

flexible

and

KEYWORDS:HVDC

sources;distributeddistributionnetwork

technology;renewableenergy

power

grid;urban

柔性直流输电技术特点

柔性直流输电技术是在可关断器件组成的电压

generation;smart

源换流器和交联聚乙烯电缆出现之后,采用脉宽调制控制技术而发展起来的,可以将直流输电的经济应用功率范围降低到几十MW陆"。目前,实际运行的柔性直流输电工程电压最高达到±150kV,输送功率达到400MW41。柔性直流输电技术的系统原理口1如图1所示。

柔性直流输电技术的特点主要表现在:

(1)电流能够自关断,可以工作在无源逆变方式,不需要外加的换相电压,受端系统可以是无源网络,能够向小容量系统或不含旋转电机的系统供电,使远

直流输电线

摘要:在当前电网建设日益困难以及可再生能源、分布式电源、电网智能化技术迅速发展的新形势下,柔性直流输电技术为弥补传统高压交直流输电技术的不足提供了新的途径。分析了柔性直流输电技术特点与经济性,并对围外柔性直流输电技术的应用情况进行了介绍。结合国内能源及电网的发展特点和需求,对柔性直流输电技术在可再牛能源开发、分布式电源接入、孤立地区或小规模送电以及城市电网供电等领域的应用前景进行了展望,提出了柔性直流输电技术的研究和推广建议。

关键词:柔性直流输电技术;可再生能源;分布式电源;智能电网;城市电网

doi:10.3969/j.issn.1000-7229.2011.05.015

0引言

柔性直流输电技术采用基于可关断器件的电压源换流器,具有关断电流的能力,应用脉宽调制技术进行无源逆变,对受端系统的容量没有要求,解决了常规直流输电向无交流电源的负荷点送电的难题,其

图1柔性直流输电技术的系统原理图

SystemschematicaiagramofHVDCflexibletcehuology

万方数据

第5期胡航海等:柔性直流输电技术的发展与展望・63・

距离的孤立负荷直流送电成为可能。

(2)控制灵活方便。正常运行时,可以同时且独立地控制有功功率和无功功率,不仅不需要交流侧提供无功功率,而且能够起到静态同步补偿器的作用。如果容量允许,那么系统还可以向故障系统提供有功功率和无功功率的紧急支援,提高系统的功角稳定性和电压稳定性。

(3)系统在潮流反转时,直流电流方向反转而直流电压极性不变。这个特点有利于构成潮流控制方便且可靠性高的并联多端直流系统,克服了常规多端直流系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。

(4)采用脉宽调制控制技术,开关频率相对较高,经过高通滤波后就可得到所需交流电压,不需要变压器,简化了换流站的结构。其相关设备可以采用模块化设计,工程建设周期大为缩短,正常维护工作量大大减少,有利于实现无人值班或少人值守,提高生产

效掣粥1。

柔性直流输电技术的关键点是换流器的电路及控制、保护等系统设计。换流器的电路拓扑结构与工程电压等级、电力电子器件数量、开关频率、损耗、开关调制方式和系统可控性等因素密切相关。理想的大容量换流器主回路拓扑结构应该不仅能够降低电力电子器件直接串联数目、器件开关频率、简化系统主电路拓扑结构,而且还能有效降低控制保护系统和主电路的复杂性、器件的开关损耗。另外,还需要确定合理的控制系统设计,有效抑制换流装置的过电压和过电流问题,以保证系统在故障条件下的不间断运行能力。

直流输电的经济性

交直流输电技术的经济性论证由来已久。直流

换流站的设备比交流变电站复杂,除了换流变压器,还需要价格昂贵的可控硅换流器、调节装置、平波电抗器、滤波及其他附属设备,因此换流站的投资高于等容量的交流变电站。但对于相同的输送功率,直流线路在导线、金具、绝缘子等方面一般要比交流线路减少约1/3,且杆塔荷重减轻,节省了钢材并减少了线路走廊宽度和占地面积,故在单位长度造价上,直流架空线路较交流架空线路经济。同时考虑直流输电技术在电能损耗以及输电能力方面的优势,采用直流输电在远距离大容量送电方面有较大的经济性。

根据工程建设经验,当输送距离超过600~

700

km时,直流架空线路较交流架空线路经济:而交

万方数据

直流电压作用下电缆击穿机理不同,在相同电压等级下,直流电缆的绝缘要求低于交流电缆,因此造价上直流电缆线路比交流电缆线路相对节省,所以当输送距离超过40~50km时直流电缆线路较交流电缆线路经济19~01。

2.2柔性直流输电的经济性

柔性直流输电系统对辅助设备的需求较少,换流站可以建得相对紧凑。资料表明1个功率为20Mw、电压低于30kV的柔性直流换流站占地面积不到

250

m2,1个250MW的柔性直流换流站占地面积约

为3000

m2Illl,估算其占地面积为12~15m2/MW。而1个3

000

Mw的_+500kV直流换流站占地面积约为

33

m2/MW。可见,柔性直流换流站占地面积不到常

规高压直流换流站的一半,大大减少建设成本和占地面积。根据国家电网公司典型设计方案,110l(V交流全户内变电站占地面积为15 ̄20m2/MVA,35kv交流全户内变电站占地面积为25m2/MvA,可见相对于交流变电站,柔性直流换流站在节约占地方面也有一定的优势。另外,柔性直流输电采用的直流电缆比交流架空线路所需的走廊宽度要小,而且输送的容量大于交流电缆。因此,在土地资源日益稀缺,电站及线路建设环境日益严峻的情况下,柔性直流输电具有较大的经济和社会效益。

如果单纯从设备成本和建设成本而言,目前柔性直流输电技术应用还相对昂贵。国外研究表明,综合考虑线路、换流站的投资以及损耗等,当输送距离超过35--45km时采用柔性直流输电技术对于城市电网进行送电才能优于交流输电技术。而目前利用电缆对城市电网进行供电的距离一般都不超过20kmt“1,

因此,柔性直流输电需要降低大约50%的成本才能体

现其经济性。

针对特大型城市短路电流超标、电压支撑能力不足的问题,ABB公司研究利用柔性直流输电技术解

决的经济性。通过对比DⅥ呵ACⅥ己(一种新型短路

电流限制器)方案与柔性直流输电技术方案,发现2种方案效果类似,虽然柔性直流输电的成本要贵50%左右,但如果综合考虑柔性直流输电在环境、土地等方面的节约效益,以及其引入带来的系统潮流优化控制、系统稳定等效益,柔性直流输电技术依然占有一定的优越性“31。

国外关于海上风电场电能输送实践经验表明,随着输送距离和输送容量的增长,直流输电的经济性越是突显。当输送容量小于300MW时,建议使用交流输电;当输送容量超过300MW或输送距离超过250km时,建议使用柔性直流输电:当输送容

2柔性直流输电技术的经济性

2.1

・64・电力量超过500Mw时,建议使用常规高压直流输电”叼。

由于柔性直流输电大部分成本在于半导体器件。从长远看,随着大功率电力电子器件成本的不断降低以及换流站模块化设计的完善,柔性直流输电成本将迅速下降,将具有良好的经济性和明显优势。

2.3柔性直流输电技术国外应用情况

国际上关于柔性直流输电技术的研究相对重视,无论是在基础理论方面还是在工程实用化方面都已经比较深入。从1997年Hellsjon工程作为第一个柔性直流输电工业试验工程建成投运以来,柔性直流输电技术在世界范围内得到了推广和应用,建成或在建工程超过lO个。这些工程主要应用于系统互联、海上风电场输电、风电联网以及海上作业供电等,而在孤远地区供电如海岛等,以及城市电网等方面目前还没有实际应用。我国柔性直流输电技术研究还刚刚起步,开始在上海研究建设用于风电场接入的示范工程。

表1柔性直流输电技术应用工程情况

Tab.1

Pracfical

pf面ects讹HVDCfle菇ble

technology

工程名称国家耘瓣MW7戡孑褴用途

3我国对柔性直流输电技术的需求

3.1可再生能源开发

在能源清洁化的新趋势下,风能、太阳能等可再生能源开发已经成为全球关注的重点。我国有着极其丰富的风能资源,实际可开发量达230GW,主要分布在东南沿海及其岛屿、西北、华北和东北地区。除了少数风能就地消纳外,大部分风能都需要并入主网,实现远距离输送。但由于可再生能源发电具有波动性和间歇性的特点,大规模并网将给系统调峰调频、运行调度、功率预测、供电质量等带来巨大挑战,目前可再生能源的并网接入方案还不够理想,采用常规的交直流输电技术并网还不够经济。而利用柔性直流输电具有环保、效率高、对电网干扰小的优点,为

万方数据

建设

第32卷

实现可再生能源的可靠接入提供了一种可行的技术选择。

3.2城市电网发展

随着城市社会经济的高速发展,城市电网作为主要负荷中心,负荷密度越来越高,用电负荷量、质的需求不断增加,以交流输电为主的城市电网电能输送面临越来越大的困难和挑战。

(1)环境保护和有限的土地资源严重制约了大容量电源的建设。对于大型城市,从外地输入大量电力的必然趋势使得城市电网对区域大电网的依赖性大大增强,电网安全稳定运行的压力越来越大。

(2)现代的城市线路走廊资源日益紧张,架空送电线路走廊匮乏,增加了对地下电缆等新型输电方式的迫切性。

(3)随着城市用电负荷和供电容量的增加,动态无功不足,短路电流超标日益成为大型城市电网的重要问题,如上海500kV短路电流即将达到63kA,对系统中的开关设备及其他网络元件的安全运行造成了极大的威胁。

(4)城市负荷对于供电可靠性以及电能质量的要求越来越高。谐波污染、电压间断、电压波形闪变等问题使一些敏感设备如工业过程控制装置、电子系统等失灵,往往造成巨大的经济损失。

虽然交流电缆输电解决了城市电网面临的一些问题,但是其潮流难以控制、短路电流超标等问题使其局限性日益凸显。为了确保城市电网持续发展,需要研究运行灵活、可控性高的新型输电技术,针对性地解决城市电网电源支撑弱、无功电压支撑能力不足等关键问题。3.3智能电网发展

随着科技的进步和城市化、信息化水平的提高,智能楼宇、智能社区、智能城市相继出现,电动汽车、智能家电等也将推广应用,电网智能化成为未来电网的必然趋势。这对现有的输、配、用电方式提出了新的挑战。利用交流对电动汽车充电装置供电需要进行AC.DC转换,不可避免地造成电能损失,同时充电产生的谐波也对电网形成不利影响。在现有的交流电供电模式下,以IT设备为基础的智能家电的广泛使用同样面临AC.DC转换造成的巨大损失,也不利于实现太阳能等分布式电源的就地供应。同时,分布式电源的大量接入将改变现有配电网结构和潮流分布,会引起谐波、三相电压不平衡等电能质量问题,对交流配电网的无功平衡、电压调节、控制等技术都提出了挑战,因此需要研究利用柔性直流输电技术灵活的潮流控制等优势,实现分布式电源与主网的协调运行。

第5期胡航海等:柔性直流输电技术的发展与展望・65・

4柔性直流输电技术应用领域展望

4.1

有助实现可再生能源并网

我国风电资源丰富,如张家口地处内蒙古高原

与华北平原的交界处,域内风能资源可开发量超过

10

GW,具备建设世界级大型风电场的良好条件。而

另外一些风能资源丰富地区如东南沿海岛屿、西北地区等经济落后,交通不便,处于电网末端,要经过长距离输电才能并网。地理条件、发电规模和风力发电特点的制约使得利用现有交流输电技术将这些“孤岛”电源与电网连接困难较大,而且会对电网产生不利的影响,如可能引起谐振等。因此,对于容量、距离等满足不了传统高压交直流输电经济可行性要求的风电场,利用柔性直流输电并网、对负荷中心进行供电具有明媪的技术优势,如换流站可以自行换相,不需要借助外部电压源或同步调相机等来支持电能传输;柔性直流输电技术可以独立控制有功和无功,缓解风电场输出功率波动引起的电压波动问题,改善电能质

量:当主网交流系统发生短路时,可以有效地隔离故

障,保障风电场盼稳定运行,并提供“黑启动”能力,帮助系统恢复。鉴于这些优势,我国目前正在上海南汇风电场研究建设实施柔性直流输电技术并网示范工程,积累了重要的研究经验。4.2便于实现分布式电源接入

随着储能技术的日益成熟,采用太阳能等分布式电源实现家庭供电的智能楼宇、社区将相继出现,利用柔性直流输电技术搭建微电网,一方面将过剩的分布式电源接入主网,一方面在分布式电源不足的情况下进行补充供电,既实现分布式电源的充分利用,又保障电网兼容各类电源和用户接入与退出的能力,满足用户多元化需求,实现电网和用户的供电安全可靠。目前日本在这方面进行了大量研究,开发了交直流混合配电盘实现直流供电。我国高科技家电的普及和日益扩大的智能化需求为柔性直流输电技术提供了一个广阔的空间。

另外,海上发电等一些小规模电源,装机容量小、供电质量不高。采用交流输电进行并网在经济、技术上都难以满足要求。利用柔性直流输电技术实现接入一方面可以保证这些地区的供电稳定,另一方面可以充分利用这些分布式电源,避免能源浪费或环境污染,如海上采油平台不再需要燃烧多余气体,而可以转换成电能传输到电网中。

4.3便于实现偏远孤立地区的供电

我国一些偏远地区,如新疆、西藏的无电地区等远离电网,负荷轻而且日负荷波动大,其输电距离和

万方数据

输电容量尚不能很好满足传统高压交直流输电的经济性要求,地区与交流主网连接在技术、经济上都难以实施。沿海岛屿、天然气井或原油井以及钻井平台等负荷供电也只能依靠就地电厂(火电厂),且往往是柴油发电机。柔性有流输电技术不但可以通过直流电缆将交流主网中高效电厂(如坑口电厂或水电厂)的能源传输到偏远地区或孤岛负荷,促进地区经济发展,而且彻底消除就地电厂的污染和噪声问题,环保效益巨大。

4.4城市电网增容与直流供电

由于土地资源的限制和城市电网建设环境要求的日益苛刻,利用交流架空线路增加城市电网输送容量的代价越来越昂贵。而采用地埋式直流电缆进行输电,既可以回避线路走廊问题,又能够有效控制短路容量,提高输送容量,因此柔性直流输电技术将成为城市电网增容的可靠方式。国外研究表明,把传统的高压交流线路改造成直流线路能够大幅度提高输送容量。以115

kV、70

km的交流架空线路为例,将

其改成+100kV的双极式柔性直流输电供电后,线路输送容量可提高1倍,达到200MW”1。

利用柔性直流输电技术对城市电网进行供电,一方面可以快速控制系统的有功和无功,解决电压闪变问题,改善供电的电能质量,防止敏感设备因电能质量问题造成的经济损失;另一方面可以灵活控制交流侧的电流,控制电网的短路容量,解决城市电网短路电流超标的问题,保证城市电网的供电安全。另外随着城市电网中电动汽车充电装置、IT设备用电等直流负荷不断增长,利用柔性直流输电技术进行供电,可以有效避免交直流转换效率问题,降低谐波等对电网系统的危害,产生巨大的经济和社会效益,符合节能、环保、智能的发展趋势。

5结论及建议

柔性直流输电技术作为一种利用可关断换流器件进行换流的新型输电技术,为解决新形势下电网及电能输送暴露出来的问题提供了一种新的途径。

(1)柔性直流输电具有新的特点和优势。柔性直流输电能够独立控制有功、无功等,具有良好的控制灵活性。换流器为无源逆变,因此对受端系统没有要求,能够实现小容量系统和远距离孤立系统供电。对辅助设备的需求不高,能够实现模块化设计和安装。方便工程实施建设。

(2)柔性直流输电技术具有一定的经济效益。柔性直流输电辅助设备少,换流站占地面积小,采用直流电缆输电,既保证足够的输送容量,又能回避线路

・66・

电力走廊问题,节约土地资源,经济效益良好。目前在工程应用中虽然建设成本和设备成本较高,但随着大功率电力电子器件的发展,换流器件成本降低,柔性直流输电技术的经济性会日益凸显。

(3)柔性直流输电技术具有广泛的应用空间。缘于独特的技术优势,柔性直流输电技术具有广泛的应用空间,在可再生能源并网、分布式电源接入以及偏

远孤立地区进行供电、城市电网增容与供电等方面都

将发挥出卓有成效的作用。柔性直流输电技术将有

助于充分利用分布式电源,保证电网系统稳定,提高

系统控制灵活性,改善电能质量,实现电网可靠供电。

(4)开展深入的技术经济分析。目前关于柔性直流输电技术的经济性研究主要在国外开展,与我国的生产水平和物价水平具有一定的差异,应结合我国具体设备的生产能力、设备价格以及电力工程建设费用情况等,研究柔性直流输电技术用于城市电网改造、清洁能源接入等方面的经济性和社会效益,论证该技术在我国的可行性和必要性,确定其经济适用范围。

(5)建立研究试点和工程试点,结合我国电网结构和能源分布的特点,研究适用的柔性直流输电拓扑结构和运行控制方法;建立物理系统模型,研究柔性直流输电技术应用对系统的影响和运行特性,以及相关的保护策略;结合技术经济分析研究成果,针对不同应用领域选择合适的范围或区域进行工程试点,为技术成熟应用奠定基础。

(6)建立相关标准规范,指导柔性直流输电技术在实际工程中的实践,积累运行经验和数据,促进该技术在我国的推广应用。

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收稿日期:2010-11-18修回日期:2011-03.25

作者简介:

胡航海(1985),男,硕士,工程师,从事配电网技术与智能电网技术研究,E-mail:huhanghai@chinasperi.sgec.tom.cn。

(编辑:蒋毅恒)


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