柔性直流输电是风电并网的最佳输电方案
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【摘 要】本文通过对国内外电力系统的超高压直流、特高压直流、背靠背直流输电、柔性（轻型）直流输电状况介绍及提出风电并网存在的系统稳定问题，指出了不同直流电压等级的输电解决了不同角度的稳定问题。“柔性”直流输电是采用先进的电压源换流器VSC技术，解决了风力并网和系统稳定问题。“柔性”直流输电是风电并网消纳的最佳输电方式，并解决了孤岛供电问题。柔性直流输电是智能电网发展的必然。
【关键词】柔性直流输电；超高压直流；特高压直流；风电并网；稳定问题；孤岛供电
柔性（轻型）直流输电是目前公认的风电并网消纳的最佳输电方式。国外研究较早，全世界第一条柔性直流输电工程投运是1997年瑞典中部开始商业运营，到现在已有十来年历史。我国1987年6月开始试验研究，2006年开始商业研究，我国第一条柔性直流输电投运是2011年上海南汇柔性直流输电工程投入商业运营。
柔性直流输电是采用先进的电压源换流器VSC技术，即由体积小、重量轻、效率的高、性能好的优良绝缘栅双极型晶体管IGBT，或由先进的可关断晶闸管作为逆变器全控型器件GTO组成的电压源换流器，其工作电压比晶闸管低，不会换相失败，开关频率高，，适合于较低电压，较小功率的直流输电。受端系统无需提供外部交流电网电压作为换相电压，无需补偿大量的无功功率，其无功功率可控。
1.电力系统输电概况
1.1目前国外电网发展概况
全世界有几大电网：欧洲电网（频率50Hz，最高电压1000kV）；美加电网（频率为60赫兹，美国AEP研究的是1500kV，美国的BPA研究的是1100kV，后者研究的最高电压1200kV）；独联体电网（前苏联电网频率50赫兹，最高电压是1150kV）；日本电网（关东的东京电力是50Hz，关西的大阪电力是60Hz，最高电压是1000kV）。
1997年柔性直流输电有在瑞典的中部投运，采用IGBT技术，输电容量3MW，电压±110kV，输送距离10km。到目前全世界已建了11个工程，分布在瑞典、澳大利亚、挪威、丹麦、美国等国家。2002年8月美国建成了最大柔性直流输送工程，输送容量为330MW，±150kV，输送距离40km。
目前世界上电网的发展为两大趋势：其一是统一或联合的特高压电网；其二是分布发电与交互式供电的分散智能电网。
1.2目前我国电力系统输电概况
目前我国电能传输形式有交流和直流输电形式。从电压高低来分主要有交流高压输电（35kV～220kV）、超高压输电（330kV～500kV）和特高压输电（1000kV）。直流输电有柔性直流（±30kV ～±200kV）、超高压直流（±500kV）和特高压直流输电（±800kV）。
1.2.1柔性直流输电状况
试验性柔性直流输电有我国自己制造的，主要用于向舟山群岛供电的1987年12月舟山投入的第一项跨海直流输电试验工程，额定电压100kV，额定输送功率50MW。有我国自己制造的小功率跨海直流输电，主要用于向上海嵊泗岛宝钢矿石码头供电的2003年试验工程正式投入运行的嵊泗直流输电工程，额定直流电压±50 kV，额定输送功率双极60MW，采用双极海水回路。
商业运行的柔性直流输电有2011年上海南汇柔性直流输电工程，额定电压±30kV，额定输出电流0.3kA，额定输出功率18MVA的。2013年南方电网的南澳风电场多端（四端）柔性直流输电工程，额定电压±160kV，三个换流站的容量分别是5万千瓦、10万千瓦和20万千瓦。在建的有舟山工程多端（五端）柔性直流输电工程，额定电压±200kV。国网还计划在上海将建设一座接纳海上风电的换流站。我国国家电网公司是继ABB、西门子之后全球第三家掌握柔性直流输电的技术的公司。
1.2.2超高压直流输电状况
（见表1）
1.2.3特高压直流输电状况
2010年5月云南――广东第一回特高压直流输电工程，输电额定电压±800kV，额定电流3.125kA，额定输送功率5000MW，全长1450km。
2011年向家坝――上海特高压直流输电工程，输电额定电压±800kV，额定电流4kA，额定输送功率6400MW，全长2034km。
2012年8月银屏――苏南（四川西昌――江苏苏南）特高压直流输电工程，输电额定电压±800kV，额定电流4kA，额定输送功率6400MW，全长2093km。
2. 背靠背直流输电
直流输电形式分直流单极输电，一般为负极；直流同极输电，一般也为负极；直流双极输电，我国采用此直流输电形式；非同期联络线，即所谓的背靠背输电。
我国背靠背直流输电有2005年7月灵宝（西北电网东侧330kV――华中电网西侧220kV）背靠背直流输电，输电额定电压±120kV，额定电流3kA，额定输送功率360MW。灵宝换流站站址位于三门峡市。
2012年1月1日，中俄直流联网黑河背靠背换流站500kV工程投入试运行。中俄直流背靠背联网工程于2007.7.26开工，2008年8月停滞，2011年5月恢复重建。黑河换流站工程是中俄直流背靠背联网工程的重要组成部分，该换流站与俄罗斯远东电网500千伏阿穆尔变电站和黑龙江电网500千伏兴福变电站相连接。
2012年11月6日东北---华北背靠背扩建直流输电，输电额定电压±500kV，额定电流3kA，额定输送功率1500MW，单级750MW。2008年投入运行时的电压时125kV。
3. “柔性”直流输电解决了风力并网和系统稳定问题
3.1风力发电特点
风力发电的特点是输出功率随风力大小改变而改变，出力是随机的。风电出力风力一般要大于3m/s才能发电，风力过于小，或风力过大，如台风是不可能发电的。由于风力发电特点，风电并网就存在问题。
3.2电力系统运行稳定问题
我国各大电网一般都是交流并网，系统稳定是系统运行安全、优质、经济运行的重要前提。电力系统运行的稳定性标志是系统所有的发电机都要有相同的电角度，则表征稳定的系统运行参数的电压、电流、功率等基本不变。稳定性性问题受到电网结构，电源布局，电压高低，输电距离，输电容量，并网，解列，事故跳闸等诸多因素影响。电力系统的运行稳定问题分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定。
静态稳定性是指正常运行的电力系统受到微小的、瞬时出现但又立即消失的扰动（如：负荷的微小波动，微风吹过输电线路等）后，能恢复到它原有的运行状况能力。暂态稳定性是指正常运行的电力系统受大的、瞬时出现但又立即消失的扰动（如短路故障等）后，能过渡到新的或恢复到它原有的运行状况能力。动态稳定是正常运行的电力系统受到扰动，无论大或小，在自动装置的作用下，能趋于稳定的能力。
3.3“柔性”直流输电解决了风力并网和系统稳定问题
3.3.1“柔性”直流输电技术
“柔性”直流输电换流器主要采用IGBT绝缘栅双极型晶体管组成的电压源换流器（VSC）技术，IGBT绝缘栅双极型晶体管是先进的大功率电力电子器件，它可以依据电网需要，快捷灵活地改变电能输送的大小和方向，来达到更优质的电能质量。
多端柔性直流输电系统模块化多电平（MMC）技术，可灵活接入风能、太阳能、地热能、小水电等多个站点的清洁能源，通过电力传输通道，即通过输电线路到达多个城市的负荷中心。为新能源并网，特别是我国迅速发展的风电并网问题、大型城市供电问题以及孤岛供电问题等提供了一种有效的解决方案。
3.3.2柔性直流输电的优点解决了风力并网和系统稳定问题
风电出力的不稳定就是对系统的不断的扰动，系统能否稳定是关键问题，对系统的稳定性造成威胁。稳定运行一旦被破坏，系统将被解列，将形成大面积停电。
柔性直流输电最大优点是能够快速灵活的调节其输出的有功功率和无功功率，可以独立的控制其输出电压的幅值、相位，它解决了并网对系统稳定威胁问题；它启动时不需要本地电源支撑；柔性直流输电具有良好的电网故障后的快速恢复控制能力，可以作为系统恢复电源。有专家形象地说：“柔性直流输电技术就像在川流不息的江河上建造一个水库，既能接收上游河道的来水，又可以很从容的控制下游水的流量。”
柔性直流输电技术应用，对新能源风力发电场这间歇式电源并网的问题得到了解决，大幅改善大规模风电场并网性能，保障了新能源发电尤其是风力发电的迅速发展。经过十几年的国内外运行经验表明，柔性直流输电技术是国际公认的最具有技术优势的风电场并网方案。可见柔性直流输电技术肯定是海上风电并网的唯一的最佳的方式，也是海上孤岛供电等偏远地区供电的最佳方案。
2013年12月30日国网福建电力的厦门柔性直流输电科技示范工程获厦门市发改委核准批复核准。额度直流电压±320千伏，额度输送容量1000兆瓦，直流线路10.3km，由翔安彭厝换流站、湖里湖边换流站，建成后将极大提高厦门岛内供电能力和供电可靠性。
4.结论
柔性（轻型）直流输电解决了新能源尤其是风电并网系统稳定问题；超高压直流输电解决了大功率远距离输电和系统稳定性问题；特高压直流输电解决了输电线路特别长，输送容量特别大的电能传输问题的系统问题；背靠背直流输电，解决了短距离非同步的联网传输的系统稳定性问题。柔性直流输电是采用先进的电压源换流器VSC技术，是目前公认的风电并网消纳的最佳输电方式，解决了风力发电上网对系统稳定造成的威胁问题。柔性直流输电是智能电网发展的必然。
参考文献：
[1]高压直流输电技术发展状况，中国电力科学研究院，曾南超 中华机械网
[2]宁东-山东±660千伏直流输电工程建成投运2011-03-02，来源：新华网山东频道
[3]上海南汇风电场柔性直流输电工程25日正式投入运行，2011年7月26 上海政务网
[4]世界首个多端柔性直流输电工程建成，南方电网，2013.12.25
[5]俄第三条跨国输电工程竣工 年供电43亿千瓦，2010年12月05日 18：14 来源：中国新闻网
[6]中俄直流联网黑河背靠背换流站工程投入试运行，国家电网公司2012.1.1
[7]中俄直流背靠背联网输电工程进入调试投运阶段2011.11.15，来源：新华网黑龙江频道
[8]中俄直流背靠背联网工程黑河换流站开工，2007-07-27 东北网黑龙江频道
[9]国网福建电力：厦门柔性直流输电科技示范工程获核准2014-.01.02 来源国家电网公司，国网福建省电力有限公司作者：方朝雄 姜文瑾
[10]电力系统分析（第二版），李梅兰 卢文鹏主编，2010.01