【文章內(nèi)容簡介】 遠離主網(wǎng)，如中小型水電廠、風電場（含海上風電場）、潮汐電站、太陽能電站等，由于其運營成本很高以及交流線路輸送能力偏低等原因使采用交流互聯(lián)方案在經(jīng)濟和技術(shù)上均難以滿足要求，利用 VSC HVDC 與交流大電網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)是充分利用可 再生能源的最佳方式，有利于保護環(huán)境。 Gotland 工程是世界上第一個商業(yè)化運行的VSC HVDC 工程。該系統(tǒng)為風力發(fā)電提供電壓支持且采用地下電纜輸送電能，環(huán)境影響很小。 Tai Bog 工程是第一個用于風力發(fā)電的 VSC HVDC 示范工程，它有效地解決了風力發(fā)電所致無功功率和電壓問題。 （ 2）不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運行和電力交易。 通過VSC HVDC 可以實現(xiàn)不同頻率的電網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)筑地區(qū)電力供應(yīng)商之間交換電力的技術(shù)平臺，從而增加系統(tǒng)的運行靈活性和可靠性。如澳大利亞的 Direct Link 工程和 Murray 10 Link 工程都是用于異步聯(lián)網(wǎng)、電力交易同時滿足環(huán)境的要求。同樣，美國的 Cross Sound Cable 工程將紐約長島和 New England 電網(wǎng)實現(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)，該工程將 VSC HVDC 的直流電壓和直流電流等級都提高到了一個新的水平，而且該工程于 2021 年 8 月在美國東北部電網(wǎng)的黑起動過程中發(fā)揮了十分積極的作用，反映了 VSC HVDC 具有很強的電網(wǎng)恢復控制能力。 （ 3）海上鉆井平臺供電 遠離陸地電網(wǎng)的海上負荷如：海島或海上石油鉆井平臺等負荷，通?？坎裼突蛱烊粴鈦戆l(fā)電 ，不但發(fā)電成本高、供電可靠性難以保證，而且破壞環(huán)境。用 VSC HVDC 后，這些問題都能得以解決，同時還可將多余電能（ 如用石油鉆井產(chǎn)生的天然氣發(fā)電）反送給系統(tǒng)。挪威投運的 Troll A 工程，就是用于向海上天然氣鉆井平臺上的用電設(shè)備供電。該工程采用 VSC HVDC 技術(shù)除了考慮到長距離海底電纜輸電和環(huán)境保護要求外，還考慮到鉆井平臺上的同步電動機需要變頻（ 0～ 63 HZ）調(diào)速、運行電壓在 0～ 56 KV 范圍內(nèi)變化、以及換流器空間和重量等限制因素。 （ 4）構(gòu)筑城市直流輸配電網(wǎng)和提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量。由于大 中城市的空中輸電走廊限制，原有架空配電網(wǎng)絡(luò)已不能滿足電力增容的要求，合理的方法是采用電纜輸電。而直流電纜不僅比交流電纜占有空間小，且能輸送更多的有功。另外， VSC HVDC 系統(tǒng)具有的有功和無功獨立調(diào)節(jié)能力，使系統(tǒng)在輸送有功的同時能夠保持兩側(cè)交流系統(tǒng)的電壓恒定，從而提高電能質(zhì)量。因此 VSC HVDC 技術(shù)是城市供電和增容的最佳途徑。 （ 5）向偏遠地區(qū)供電。偏遠地區(qū)一般遠離電網(wǎng)，負荷輕而且日負荷波動大，經(jīng)濟因素及線路輸送能力低是限制架設(shè)交流輸電線路發(fā)展的主要因素，制約了偏遠地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提 高。采用柔性直流輸電技術(shù)進行供電，可使電纜線路單位輸送功率提高，線路維護工作量減少，并提高供電可靠性。 代表性工程應(yīng)用 柔性直流輸電是解決風電并網(wǎng)的有效途徑之一，應(yīng)用于風電場并網(wǎng)的柔性直流輸電工程有哥特蘭 (Gotland)工程、泰伯格 (Tai Bog)工程和在建的瑙德 (Nord E． ON1)工程．哥特蘭工程不僅將哥特蘭島的電能輸送到瑞典本土，而且提供了風電場的動態(tài)無功功率支撐，解決了潮流波動、電壓閃變和頻率不穩(wěn)定的問題，有效地改善了電能質(zhì)量 。 柔性直流輸電不局限于兩端系統(tǒng)必須有足 夠的短路容量，而且在中等容量的互聯(lián)系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)點．代表工程是克勞斯一桑德互聯(lián) (Cross sound cable)工程，它連接了康涅狄格州的紐黑文 (New Haven)換流站和紐約長島的肖雷漢姆 (Shoreham)換流站， 11 為二者之間提供了雙向功率傳輸?shù)哪芰?。 伊斯特互聯(lián) (Est link)工程第一次將波羅的海地區(qū)的電力系統(tǒng)和歐洲電力系統(tǒng)進行了互聯(lián) (2 個電網(wǎng)的頻率不同 )，提高了波羅的海和芬蘭電網(wǎng)之間供電的可靠性；增加了電力市場中供電商的數(shù)量 。 挪威泰瑞爾 (Troll A)柔性直流工程是世 界上第一個從大陸向海上平臺提供電能的柔性直流系統(tǒng)．該工程從挪威的科爾斯奈斯 (Coles ness)換流站向泰瑞爾海上天然氣鉆井平臺上的變速同步電機進行供電，使得同步電動機的頻率可以在 42～ 63Hz、運行電壓在 0～ 56KV 之間的范圍變化 。 傳斯貝爾聯(lián)絡(luò) (Trans Bay Cable)工程是應(yīng)用于城市供電的柔性直流工程．該工程為東灣和舊金山之間提供了一個電力傳輸和分配的手段，以滿足舊金山的城市供電需求，并且改善了互聯(lián)地區(qū)電網(wǎng)的安全性和可靠性 。 我國對柔性直流輸電技術(shù)的需求 （ 1） 可再生能源 開發(fā) 在能源清潔化的新趨勢下，風能、太陽能等可再生能源開發(fā)已經(jīng)成為全球關(guān)注的重點。我國有著極其豐富的風能資源，實際可開發(fā)量達 230 GW，主要分布在東南沿海及其島嶼、西北、華北和東北地區(qū)。除了少數(shù)風能就地消納外，大部分風能都需要并入主網(wǎng)，實現(xiàn)遠距離輸送。但由于可再生能源發(fā)電具有波動性和間歇性的特點，大規(guī)模并網(wǎng)將給系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、運行調(diào)度、功率預測、供電質(zhì)量等帶來巨大挑戰(zhàn)，目前可再生能源的并網(wǎng)接入方案還不夠理想，采用常規(guī)的交直流輸電技術(shù)并網(wǎng)還不夠經(jīng)濟。而利用柔性直流輸電具有環(huán)保、效率高、對電網(wǎng)干擾小的優(yōu)點，為實 現(xiàn)可再生能源的可靠接入提供了一種可行的技術(shù)選擇。 近年來我國高度重視柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，并于 2021 年啟動了“柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程”項目，以“上海南匯風電場柔性直流輸電示范工程”等為代表的重大工程項目標志中我國在開發(fā)柔性直流輸電技術(shù)方面所取得的重大突破。 （ 2） 城市電網(wǎng)發(fā)展 隨著城市社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市電網(wǎng)作為主要負荷中心，負荷密度越來越高，用電負荷量、質(zhì)的需求不斷增加，以交流輸電為主的城市電網(wǎng)電能輸送面臨越來越大的困難和挑戰(zhàn)。 ①環(huán)境保護和有限的土地資源嚴重制約了大容量 電源的建設(shè)。對于大型城市，從外 12 地輸入大量電力的必然趨勢使得城市電網(wǎng)對區(qū)域大電網(wǎng)的依賴性大大增強，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的壓力越來越大。 ②現(xiàn)代的城市線路走廊資源日益緊張，架空送電線路走廊匱乏，增加了對地下電纜等新型輸電方式的迫切性。 ③隨著城市用電負荷和供電容量的增加，動態(tài)無功不足，短路電流超標日益成為大型城市電網(wǎng)的重要問題，如上海 500 KV 短路電流即將達到 63KA，對系統(tǒng)中的開關(guān)設(shè)備及其他網(wǎng)絡(luò)元件的安全運行造成了極大的威脅。 ④城市負荷對于供電可靠性以及電能質(zhì)量的要求越來越高。諧波污染 、電壓間斷、電壓波形閃變等問題使一些敏感設(shè)備如工業(yè)過程控制裝置、電子系統(tǒng)等失靈，往往造成巨大的經(jīng)濟損失。雖然交流電纜輸電解決了城市電網(wǎng)面臨的一些問題，但是其潮流難以控制、短路電流超標等問題使其局限性日益凸顯。為了確保城市電網(wǎng)持續(xù)發(fā)展，需要研究運行靈活、可控性高的新型輸電技術(shù)，針對性地解決城市電網(wǎng)電源支撐弱、無功電壓支撐能力不足等關(guān)鍵問題。 （ 3） 智能電網(wǎng)發(fā)展 隨著科技的進步和城市化、信息化水平的提高，智能樓宇、智能社區(qū)、智能城市相繼出現(xiàn)，電動汽車、智能家電也將推廣應(yīng)用，電網(wǎng)智能化成為未來電網(wǎng)的必然趨勢 。這對現(xiàn)有的輸、配、用電方式提出了新的挑戰(zhàn)。利用交流對電動汽車充電裝置供電需要進行 AC/DC 轉(zhuǎn)換，不可避免地造成電能損失，同時充電產(chǎn)生的諧波也對電網(wǎng)形成不利影響。在現(xiàn)有的交流電供電模式下，以 IT 設(shè)備為基礎(chǔ)的智能家電的廣泛使用同樣面臨 AC/DC轉(zhuǎn)換造成的巨大損失，也不利于實現(xiàn)太陽能等分布式電源的就地供應(yīng)。同時，分布式電源的大量接入將改變現(xiàn)有配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和潮流分布，會引起諧波、三相電壓不平衡等電能質(zhì)量問題，對交流配電網(wǎng)的無功平衡、電壓調(diào)節(jié)、控制等技術(shù)都提出了挑戰(zhàn)，因此需要研究利用柔性直流輸電技術(shù)靈活的潮流控制等優(yōu) 勢，實現(xiàn)分布式電源與主網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行。 13 第 2 章 幾種新型輸電技術(shù)的對比 半波長輸電 半波長交流輸電（ HWACT， half wavelength AC transmission）是指輸電的電氣距離接近 1 個工頻半波，即 3000 km（ 50Hz）或 2600km（ 60Hz）的超遠距離的三相交流輸電。 HWACT 的概念于 1940 年由前蘇聯(lián)專家首次提出，后因沒有工程需求以及一些關(guān)鍵技術(shù)當時無法解決而未能在工程中得到應(yīng)用。在幅員廣闊的國家， HWACT 是一種很有吸引力的 輸電方案。巴西為把亞馬孫河流域的大水電送到負荷中心 , 曾經(jīng)研究過 HWACT，而且被認為是非常有競爭力的。韓國也曾經(jīng)研究過用 HWACT 將西伯利亞的水電送到韓國。最近全球應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，超遠距離大功率送電又提上日程，因而 HWACT 再次受到關(guān)注。 半波長交流輸電技術(shù) 具有以下 特點 ： （ 1）無需安裝無功補償裝置 中等距離的超 /特高壓交流輸電，無功調(diào)節(jié)是一個重要的技術(shù)關(guān)鍵問題?？蛰d線路末端電壓隨著線路長度的增加而增加，在最不利的條件下，可升高到電源電壓的 20 倍以上。安裝大量的無功補償裝置是必不可少的。而 空載 HWACT 線路沿線電壓的變化規(guī)律與此截然不同：空載線路兩端電壓相等，而中間點（ 1/4 波長處）電壓為零。也就是說，空載線路末端電壓與帶負荷時的電壓接近，基本上不需要安裝無功補償裝置。 （ 2）全線無需設(shè)中間開關(guān)站 中等距離的超 /特高壓交流輸電，因無功補償?shù)男枰?，全線需分段并設(shè)開關(guān)站；而HWACT 線路無需無功補償，因而中途不需要設(shè)開關(guān)站，可以實現(xiàn)真正的點對點輸電，減少了下一級電網(wǎng)的分流。實際輸 電能力很強 ,1 回特高壓 HWACT 可以輸送 8GW 左右的電力。 （ 3）過電壓水平不高 一般的概念是：線路 越長過電壓越不易控制。但這個概念不適用于 HWACT。按照巴西學者的仿真計算結(jié)果， HWACT 在各種運行狀態(tài)下的過電壓水平不高于中等距離的輸電線路的水平。根據(jù)我國特高壓試驗示范工程線路的參數(shù)，建立 3000km 長的特高壓線路模型，對合空載線的過電壓做初步分析。在不采取任何限制過電壓的措施的情況下， 2%統(tǒng)計合閘過電壓的最大值出現(xiàn)在線路末端，當無合閘電阻時其電壓最大值為 ；第 14 二大值出現(xiàn)在距離線路首端 400km 處，達到 。過電壓沿線的分布規(guī)律與空載電壓的分布規(guī)律類似。因此在線路首端和末端分別安裝一定參 數(shù)的 MOA 后，估計便可將過電壓限制到標準要求的數(shù)值。 HWACT 的經(jīng)濟性極佳。由于 HWACT 輸電不需要安裝無功補償裝置，全線沒有開關(guān)站，輸電設(shè)備數(shù)量可大大減少，因而造價很低。據(jù)巴西的設(shè)計初步測算， 800KV、 1000KV HWACT輸送單位長度、單位功率的費用分別為 500KV 輸電線路費用的 %和 %。 HWACT的經(jīng)濟性也優(yōu)于直流輸電。一般而言，輸電距離超過臨界距離后， HVDC 比 HVAC 經(jīng)濟。但是，在半波長的這種特定的超遠距離送電的情況下， HWACT 輸電的經(jīng)濟性不僅優(yōu)于中短距離的 HVAC，而且 也優(yōu)于 HVDC。 多相輸電技術(shù)（ MPTS） 在 1972 年法國舉行的第 24 屆國際大電網(wǎng)會議上，美國學者者 H C Barnes 與 L T Bartho1d 首次提出超常規(guī)輸電方案，即采用多于三相輸電線路的輸電方案。此后，多相輸電作為一種提高輸送功率密度的重要方法，引起眾多電力研究者重視。 在 3相輸電系統(tǒng)中引入 3相／多相相互轉(zhuǎn)換的變壓器和多相架空輸電線路，如 4相、6相、 12 相等，每相相差 90176。、 60176?；?30176。，即構(gòu)成了 MPTS。其典型構(gòu)成為 3 相／多相升壓 變壓器、多相輸電線路和多相／ 3相降壓變壓器。如果多條輸電線路采用多相形式，便構(gòu)成了多相輸電網(wǎng)絡(luò)。 多相輸電的研究與工業(yè)試運行，在美國及其他一些國家進行了 20 多年，并取得很有吸引力的結(jié)果。多相輸電線路與三相輸電線路相比具有許多潛在優(yōu)勢 :①導線間距減小，線路緊湊，正序電抗小，可與現(xiàn)有三相系統(tǒng)協(xié)調(diào)、兼容運行；②對高壓斷路器觸頭斷流容量的要求較低；③同等導線截面的條件下，線路輸送功率大幅提高；④相同電壓下，多相輸電的正序電抗 X下降，進一步促使穩(wěn)定極限功率上升；⑤導線表面電場強度較小，架空線路走廊窄等。 特高壓 直流輸電 特高壓直流輸電（ UVHDC）是指 177。 800KV（177。 750KV ）及以上電壓等級的直流輸電及相關(guān)技術(shù)。其基本工作原理為：通過送端換流站將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樘馗邏褐绷麟姾?，將直流電輸送到受端換流站，再由受端換流站將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娝腿胧芏私涣飨到y(tǒng)。特高壓直流輸電具備超大容量、超遠距離、損耗的送電特點，適用于大型發(fā)電基地向遠距 15 離負荷中心輸送電力。 特高壓直流輸電（ UHVDC）方式自身特點 與 1000KV 交流輸電相比 ,177。 800KV 直流輸電兩端直流中間不落點，直接將電力送至大負荷中心，其輸電容量大且距離 遠，線路走廊窄的特點，對于解決我國“西電東送”工程中電能輸送量大、輸電走廊擁擠（環(huán)渤海、長三角珠三角受端、電網(wǎng)密集）、輸送距離遠等突出問題大有裨益。雖然 UHVDC 線路上的有功損耗與輸送功率的比值與特高壓交流輸電相比較大，其輸電穩(wěn)定性取決于受端電網(wǎng)結(jié)構(gòu) ，但在送受關(guān)系明確的情況下，采用特高壓直流輸電，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)清晰、松散?？傊?，建設(shè)特高壓電網(wǎng)，特高壓交、直流輸電兩種輸電