柔性直流输电

第1章绪论 1.1直流输电发展概况 电力技术的发展从直流电开始，早期电能由直流电源送往直流负荷，发电、输电和配电均为直流，如1882年在德国建成的2kV/1.5kW/57km向慕尼黑国际展览会的送电工程[1]。当时的技术条件下，直流电升降压难度大，为提高输电效率，需通过直流发电机串联等复杂方式实现远距离直流输电，如1889年在法国通过直流发电机串联实现的125kV/20MW/230km的毛梯埃斯到里昂直流输电工程。随着三相交流发电机、电动机与变压器的迅速发展，交流电的升降压可通过变压器方便、经济地实现，交流电在发电、输电和用电领域迅速占据主导地位。 20世纪以来，随着世界范围内经济的快速增长，实施远距离、大容量的电能输送，成为优化资源配置、解决能源与电力负荷逆向分布的客观要求，也是将欠发达地区的资源优势变为经济优势，促进区域经济共同发展的重要措施。由于交流输电方式电压、电流的交变特性，随着输电距离的增加，输电容量提升受稳定极限等限制，同时在异步电网互联以及中远距离电缆送电应用场景，交流方式均面临较大的技术挑战且经济性显著下降。直流输电在上述场景下具有交流方式不可替代的优势，随着交流与直流之间的电力变换技术（即换流技术）与装备的突破性进展，直流输电在世界范围内获得迅速发展。根据不同阶段换流技术与装备的特点，直流输电的发展可划分为以下三个时期[1]。 1.1.1汞弧阀换流时期（1954～1972年） 汞弧阀在阳极和阴极（水银）之间布置有栅极，在阳极加有正电压时，由栅极触发，触发后，阳极至阴极导通，电流过零时熄灭，汞弧阀照片如图1-1（a）所示。汞弧阀换流时期采用电网换相换流器，1954年投运的瑞典Gotland I期工程是世界上**个完全商业化的直流输电工程，其六脉动换流单元如图1-1（b）所示。 1954～1972年，世界范围内共建设11项汞弧阀高压直流输电工程，单阀*高电压超过150kV、电流超过1800A。高压汞弧阀的成功研制使远距离大容量直流输电成为现实，但仍主要存在以下问题，限制了直流输电技术的进一步发展： （1）汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵； （2）逆弧故障率高、可靠性低； （3）运行维护不方便、成本高； （4）容量受限。 1.1.2晶闸管阀换流时期（1972年至今） 1957年，通用电气公司开发出世界首款晶闸管产品，为直流输电换流技术与装备的变革提供了重要基础。晶闸管基于功率半导体技术，包含阳极、阴极和门极，其导通关断条件如下[4]： （1）在阳极与阴极之间施加正向电压且外加门极触发电流的情况下晶闸管导通，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性； （2）晶闸管导通后，由于内部的正反馈效应，即使撤除门极电流，仍可维持晶闸管的导通状态； （3）如需关断晶闸管，需在阳极与阴极之间施加反向电压，并迫使阳极电流下降至正反馈效应无法维持，才可恢复晶闸管正向阻断能力。 晶闸管仅可通过门极触发电流控制导通，无法通过撤除门极电流关断，因此称为半控型器件，图1-2给出了晶闸管[5]、阀组件、晶闸管换流阀[6]的照片。晶闸管阀换流时期仍采用电网换相换流器，1970年起瑞典Gotland Ⅰ期工程中的部分汞弧阀被替换为晶闸管换流阀，世界范围内晶闸管换流阀首次投入商业运行。1972年加拿大伊尔河±80kV/320MW背靠背直流输电工程投运，为世界上首*完全采用晶闸管换流的直流输电工程，晶闸管换流阀采用空气冷却方式。1978年加拿大纳尔逊河Ⅱ期工程投运，电压等级和容量为±250kV/900MW，晶闸管换流阀首次采用水冷方式。 由于晶闸管换流阀不存在逆弧问题、可靠性更高，制造、试验、运行、维护等均比汞弧阀简单，且同一时期内远距离输电、电网互联等需求进一步增加，在1972～1997年直流输电迅速发展，世界范围内新建成直流输电系统约90项，为1954～1972年新建数量的9倍。 20世纪80年代，立足“西电东送”客观需求，中国开始建设直流输电工程，1987年舟山直流输电工程投入试运行，电压等级和容量为±100kV/50MW；1989～2002年，葛上、天广等直流输电工程陆续建成投运；2004年，国家发展和改革委员会以贵广Ⅱ回直流输电工程作为±500kV直流输电工程国产化依托项目，2007年工程投运，全面实现直流输电系统设计、换流站设备成套设计、直流输电工程设计自主化和设备制造自主化，综合自主化率达到70%以上；2009～2010年，云广、向上两项±800kV特高压直流输电工程投运，世界范围内首次将直流输电电压等级提升至±800kV、容量提升至6400MW；2019年准东—皖南±1100kV/12000MW特高压直流输电工程投运，电压等级和容量均为世界之*，中国直流输电技术发展实现了由跟跑到并跑再到领跑的转变。 由于晶闸管固有的半控器件特性，需要依赖电网进行换相，且开关频率低，在工程实践中存在以下问题，限制了多回直流集中馈入负荷中心、可再生能源大规模接入等新形势下直流输电的进一步发展： （1）有功/无功功率耦合，无法独立控制； （2）需配置大量滤波器，以满足入网谐波与无功功率要求，占地面积大； （3）阀厅噪声大； （4）存在换相失败风险，换流器接入系统需要较强的电网支撑，以保证系统可靠运行，对可再生能源发电接入能力相对较差； （5）多回直流密集馈入的受端电网面临安全稳定问题。 1.1.3全控阀/电压源换流时期 20世纪80年代，绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）问世，该器件为金属氧化物-半导体场效应晶体管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）和双极型晶体管结合的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，通过门极电压可主动开通/关断IGBT，阻断电压高、驱动功率小、开关速度快、导通压降低[7]。IGBT的全控器件特性，使得直流输电的换流技术发生了根本性变化，由电网换相换流器发展至电压源换流器（voltage source converter，VSC），如图1-3所示。基于电压源换流器的直流输电技术于1990年由加拿大麦吉尔大学的Boon-Tech-Ooi教授等提出，相对基于晶闸管技术的常规直流，彻底消除了换相失败风险，具有有功/无功的独立控制、可再生能源高效接入等显著优势，国内统一命名为柔性直流输电技术[8，9]。 1997年，世界首*采用IGBT电压源换流技术的赫尔斯扬直流输电工程在瑞典投运，采用两电平换流器结构，电压等级和容量为±10kV/3MW，输送距离为10km。2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学的Marquardt等提出适用于直流输电的模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）技术[8]，避免了IGBT器件直接串联，显著降低了高压大容量柔性直流输电技术与装备的制造难度，基于MMC技术的柔性直流输电系统输出谐波含量极小且开关频率低，无须交流滤波器，换流效率高，图1-3（b）给出了基于半桥子模块的MMC拓扑示意。2010年，世界首*MMC高压直流输电工程Trans Bay Cable在美国投运，电压等级和容量提升至±200kV/400MW。自此之后，柔性直流输电在世界范围内迎来了暴发式增长，1997～2009年，共建成柔性直流输电工程9项，截至2021年，该数量已达到54项，主要分布在欧洲和中国，总容量约63GW，其中中国占比约55%。 中国对柔性直流输电技术的发展做出了重要贡献。2011年，上海南汇风电场并网工程投运，电压等级和容量为±30kV/18MW，是我国首*采用MMC技术的柔性直流输电工程；2013～2014年，南澳、舟山多端柔性直流输电工程陆续投运，是世界范围内首批多端柔性直流输电工程，被国际大电网组织列为柔性直流输电里程碑工程；2015～2016年，厦门岛供电、鲁西背靠背柔性直流输电工程陆续投运，在世界范围内首次将柔性直流输电电压提升至±350kV、容量提升至1000MW；2020年，张北±500kV柔性直流电网工程、±800kV乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程（以下简称“昆柳龙直流工程”）投入运行，均为世界首创，代表了柔性直流输电技术的*高水平。 面对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势，2016年12月，我国发布了《能源生产和消费革命战略（2016—2030）》，明确能源革命战略取向以保障安全为出发点，以节约优先为方针，以绿色低碳为方向，以主动创新为动力。电网作为能源革命的重要基础平台，格局必将发生深刻变革，需要积极推进电源结构清洁转型，构建新一代电力系统、源端基地和终端消费综合能源系统，进一步加快输配电新技术研发，建设新型电能和综合能源传输和配给系统[10]。柔性直流输电作为*新一代的直流输电技术，灵活可控、安全可靠，有利于可再生能源的高效、大规模接入与受端负荷中心电网的安全稳定运行，是打造能源互联网的重要技术手段，在能源革命中扮演着重要的角色。同时，能源革命、新型电力系统构建也为柔性直流输电技术的发展带来新挑战，需要在总体技术方案、关键设备、核心元部件、控制保护技术与设计、仿真研究工具等方面取得进一步突破，以适应大规模新能源基地电能送出、周边国家电网互联互通、常规直流输电工程柔性化改造、多直流馈入负荷中心分区组网等电网演进新趋势。本书考虑世界直流输电技术的新发展，结合我国在柔性直流输电科研、设计、工程建设与运行中的经验，主要针对柔性直流输电关键技术与装备、工程应用实践进行介绍，并就柔性直流输电技术未来发展的重要方向进行探讨。 1.2柔性直流输电工程系统构成与特点 柔性直流输电工程根据系统结构可分为两端柔性直流输电系统和多端柔性直流输电系统，这里的“端”指与交流系统连接的端口，通过换流站实现交流与直流之间的电能变换。单端系统无法进行有功功率传输，因此两端系统是结构*简单的柔性直流输电系统，也称为端对端柔性直流输电系统；多端系统与交流系统有三个或三个以上的连接端口，包含三个或三个以上的换流站[1]。 1.2.1两端柔性直流输电系统 图1-4给出了两端柔性直流输电系统构成示意图，为展示方便，柔性直流换流站1和柔性直流换流站2分别选取了两电平/三电平换流器和MMC，实际工程中两端柔性直流换流站通常采用同类换流器。由图1-4可以看出，两端柔性直流输电系统主要由两端柔性直流换流站和直流输电线路三部分构成。根据功率输送需求，柔性直流换流站1和柔性直流换流站2可分别运行于整流和逆变工况，相同输送功率逆变侧柔性直流换流阀的损耗通常大于整流侧[11]。 柔性直流换流站1采用了两电平/三电平换流器，此类换流器交流侧输出电压电平数较少，通常为两电平或三电平，通过脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）方式等效得到正弦波，谐波电压、电流含量相对较大，为满足接入交流系统的谐波要求，通常需要配置交流滤波器，在2010年Trans Bay Cable直流输电工程投运前，柔性直流换流站主要采用此类换流器。柔性直流换流站2采用了MMC，此类换流器交流侧输出电压电平数较多，通过台阶数较高的阶梯波等效得到正弦波，波形质量高，谐波电压、电流含量很小，已满足接入交流系统的谐波要求，通常无须配置交流滤波器，目前新建的柔性直流输电工程主要采用该类换流器。