柔性直流输电的发展前景

徐晓辉

徐晓辉

国网江西广丰县供电有限责任公司江西广丰334600

[摘要]柔性直流技术的快速进步，推动了其在风电并网、电网互联等场合的广泛应用，而市场的发展又反过来推动了技术水平的提升。从目前国内外应用需求上看，未来柔性直流技术的主要发展方向将包括：高压大容量柔性直流技术、直流电网技术及架空线柔性直流输电技术等。

关键字：柔性直流输电技术前景

高压大容量柔性直流输电技术大型风电场群?城市负荷?电网互联等应用场合对柔性直流输电输送容量提出更高要求?目前世界上最高等级柔性直流输电工程为1000MW/±320kV,而在未来3~5年,1200MW/±400kV及以上等级的工程也将很快得到实施?从技术上来看,目前柔性直流输电系统未来电压等级和容量的提升,主要受到XLPE电缆的电压等级和现有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件发展水平的限制?而此前工程中所采用单个换流器方式,也限制了系统容量的提升?因此未来柔性直流的容量水平提升,将主要集中于更高电压等级XLPE电缆?新型大容量电力电子器件以及新的系统拓扑应用等方面?

一?高压大容量柔性直流技术

(一)XLPE电缆技术

在电缆的选择上,更大容量的柔性直流输电工程目前还可以考虑采用MI电缆?这种电缆有更高的电压等级,但造价相对要高,难以大范围推广,因此未来仍然需要在XLPE电缆方面取得突破?在XLPE电缆方面,目前面临的主要难点是电缆绝缘材料的电荷分布和制造工艺,以及电缆接头的设计和加工?世界上的主要电缆厂家,均在此方面投入了较大的研发力度?目前±500kV的XLPE电缆已经处于试验阶段,有望在近2~3年内能够得到工程应用?而随着未来工程等级的继续提升,更高电压等级的XLPE电缆也可能会出现?根据预测,在未来5年内,XLPE直流电缆的电压和容量等级将可以提升至600kV/2GW?而在未来10年左右的时间内,直流电缆的电压和容量等级将会达到750kV/3GW以上?

(二)电力电子器件技术

提高IGBT器件的容量,需要解决由于电压电流提升给IGBT芯片制造及封装带来的难题?要在保证产品可靠性的同时大幅提升产品生产工艺,所面临的难度极高?目前国内外的主要器件生产厂家针对高压大电流等级的IGBT器件都正在开展研发,有望在未来几年内投入商业使用?同时,在器件的应用过程中还要解决新型IGBT的驱动设计?电流关断过冲抑制?快速保护设计等一系列技术难点,这需要进行认真的设计及长期的测试验证?基于这种器件构成的换流器和系统,将直接可以使现有的工程容量提升数倍至数十倍,这将对柔性直流输电的发展带来革命性的改变?但是由于SiC等材料的质量和工艺控制等方面目前还存在较多难题,因此目前还只停留在小容量的样品和产品阶段,在短期内还无法真正投入大容量的工程应用?预计在未来20年,SiC等器件可以在电力系统中取得一定规模的示范性应用?

(三)组合式系统拓扑技术

由于电缆和器件开发的周期都较长,近期内的工程如果需要提升容量可以采用两种方案?一是采用换流器组合的形式;二是采用全桥式子模块构成的换流器,利用其负电平输出提升交流电压水平,从而提升系统容量?但这两种方案都将导致系统造价增加?多个换流器组合的基本方法包括串联?并联或串并联等,这与常规直流输电中所使用的多换流器方案基本相同?如果由这个串并联单元再组合成双极系统,则系统参数将可达到±640kV/5120MW?

二?多端直流及直流电网技术

随着可再生能源的继续发展,以及现有电网技术升级等方面的需求,柔性直流输电未来的发展将会继续集中在风电场的组网和集中送出?区域电网的互联?城市中心负荷的电力输送等方面?这些应用场合在很多情况下需要实现多电源输入和多落点的供电,这就需要采用多端直流甚至直流电网技术?

(一)直流电网的未来发展趋势

针对直流电网的发展,欧洲2008年提出了基于高压直流输电技术来构建新一代输电网络的“超级电网”计划,基于高压直流输电来建立广域的智能输电网络,实现广域范围内的可再生分布式电源的功率波动抑制,以及可再生能源的大规模高效接入?保障电网的安全稳定运行?提升供电质量并促进可再生能源与电力系统的协调发展等目标?以英国为例,英国国家电网在东海岸和北海区域规划了数十个大型海上风电场,以及近50条柔性直流输电工程,构成柔性直流输电网络,并通过直流网络和挪威等国相联,以在大范围内平衡可再生能源的波动?

(二)直流电网技术与装备发展

应该看到,目前直流电网还处于起始发展阶段,还有很多关键性问题需要解决?如直流电网系统和设备的标准化,直流电网核心设备研制,直流电网控制技术,直流电网广域测量及故障检测技术,直流电网保护技术,直流电网安全可靠性评估技术等?从目前的技术发展来看,直流电网要真正实现应用还需要重点解决以下问题?一是要解决直流线路故障的故障隔离问题,其主要研发方向是新的换流器拓扑?二是要研制适用于直流系统的直流断路器?

三是要解决不同电压等级直流电网联结问题,主要解决方案为研发合适的直流变压器?针对直流变压器,国内外还未有相关的产品推出,各个研究单位和产业公司均在研究和概念设计阶段,预计成熟产品的推出还需要一定时间?

三?长距离离架空线柔性直流输电技术

柔性直流输电技术在架空线作为传输线路的应用情况同样有着广泛的应用前景?采用架空线传输不仅可以通过提升电压等级提升系统容量,还可以有效降低线路投资,节省造价?而中国地域辽阔,各地发电和用电资源配置严重不平衡,因此长距离架空线输电在国内电力发展过程中有着不可替代的作用?采用架空线传输系统,需要解决线路暂时性故障所需要的故障清除能力,其解决方案除了研制相应电压等级的直流断路器以外,还可以通过研制可以清除直流故障的新型换流器拓扑来解决,这与直流电网技术的需求相同?同时,在架空线传输系统中,通过采用送端常规直流,受端柔性直流进行工程建设或者将常规直流逆变站改造为柔性直流换流站?在节省造价的同时,解决由于系统故障造成的换相失败,也是柔性直流在架空线系统应用中的一种重要发展方向?

4总结和展望

全球应对气候变化要求的日益提升及能源供给安全形势的日趋严峻,迫切需要构建更为智能?清洁?高效?可靠的输电网络,这也已经成为世界各国电力行业发展的共同目标?柔性直流技术以其有功无功独立调节?无源供电能力以及易于构建直流电网等特点,越来越受到人们的关注?同时,可关断器件?直流电缆等设备技术水平的不断提高,有效提升了柔性直流的输送容量,使柔性直流输电成为电网可采用的主要输电方式之一?可以预见,随着未来可再生能源接入和电网升级改造等需求,世界范围内的柔性直流输电应用将会获得日益广阔的发展?

参考文献

[1]国家电网公司.国家电网公司促进清洁能源发展综合研究报告[R].北京:国家电网公司,2009.

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[3]汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京:中国电力出版社,

[4]丁冠军,丁明,汤广福.VSC-HVDC主电路拓扑及其调制策略分析与比较[J]电力系统自动化,2009,[5]丁冠军,汤广福,丁明.新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略[J]中国电机工程学报,2009,[6]丁冠军,丁明,汤广福,等.应用于VSC-HVDC输电系统中的新型混合脉宽调制技术