高壓輸電技術的發展評述

李遠景

摘要： 高壓直流輸電相比交流輸電在增強系統的可靠性、限制電路系統的短路容量、完成系統的非同步聯網等方面具備顯著的優勢。結合近年來高壓直流技術的發展，綜述了目前應用的主要方面，并對未來的研究方向進行了分析。

Abstract: Compared with alternating current transmission, high voltage direct current transmission (HVDC) has significant advantages in strengthening the reliability of the system， limiting short circuit capacity of the circuit system and completing the non-synchronous networking. Combined with the development of high voltage direct current technology in recent years， the main application aspects are reviewed and future research directions are analyzed.

關鍵詞： 高壓直流輸電；發展與應用；研究展望

Key words: high voltage direct current transmission；development and application；research prospects

中圖分類號：TM862文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2014）23-0068-02

0引言

上世紀五十年代，世界上第一條高壓直流輸電線路在瑞典的本土與果特蘭島之間建設完成，這是最早的一條傳統意義上的高壓直流輸電系統（HVDC）。至此，傳統的HVDC在輸電領域得到快速發展，其技術在海底電纜輸電系統、大功率遠距離輸電系統、不同或相同額定頻率的交流輸電系統等場合被廣泛應用[1]。

以電壓源換流器型直流輸電（VSC-HVDC）的高壓直流輸電模式成為新一代的HVDC輸電技術，它用全控型和可關斷器件組建成電壓源換流器（VSC）并以脈寬調制（PWM）控制技術作為新一代HVDC輸電技術的基礎[2]。在換流器中半控型晶閘管被全控型器件所代替，使得新一代的HVDC輸電技術具備同時控制其傳輸的有功和無功功率的能力，同時可以完成對交流無源網絡進行供電的要求?？v觀近年各國在高壓直流輸電技術的發展，VSC-HVDC輸電工程項目的建設方興未艾。查閱大量文獻和相關報道不難發現，VSC-HVDC輸電工程項目的關鍵技術只被少數人掌握屬于商業秘密，看到的相關項目基本有幾個外國公司所承建。為了突破VSC-HVDC關鍵技術瓶頸的束縛，加快新技術在我國電網中的研究和應用，國家電網不失時機地將VSC-HVDC技術列入了《國家電網公司“十一五”科技發展規劃》，以此激發國內廣大科研工作者對VSC-HVDC相關基礎理論、關鍵技術以及工程項目應用的關注和研究。研究和推廣VSC-HVDC相關關鍵技術不僅能夠滿足我國持續增長的能源需求以及能源的清潔高效利用，同時有利于提高我國整體電網的技術含量以及推進我國直流輸電設計在世界輸電項目市場的競爭力。

1交流電網的異步或者同步互聯

伴隨VSC-HVDC系統中換流站容量與電壓等級的不斷提升，現在運行的VSC-HVDC系統中直流電壓可以達到300kV，其最大的輸送容量可以達到1000MW[3]。目前在建設中的非洲納米比亞（Namibia）Caprivi Link工程[1]將采用長距離架空線路技術，這也是歷史上首次在VSC-HVDC商業工程中使用，其線路長度970km。相對于電纜線路而言，將架空線路的方法應用于遠距離輸電線路系統具有明顯的經濟優勢。在建的Trans Bay Cable工程應用此方面可以將工程容量達到400MW。

2風力發電等清潔能源并網

隨著能源問題的突出，各國都加大了風力發電在總發電量中的比例，如：丹麥今后30年的海上風電場發電量將占全國總發電量的40—50%，預計電容量達到4000MW[1]。風電場的并網對電力系統的影響已經成為當前急需解決的問題。海上相對陸地來說其平均風速更大，所能提供的電能更多些，這樣在海上建設風電場比在陸地上更具吸引力，目前有許多國家將建立海上風電場作為目標和發展方向。對于近海小型風電場來說通過三相交流系統將其接入電網是最佳有效的經濟聯網方式，而當遇到大型遠離海岸的風電場時選取VSC-HVDC輸電技術才是更加有效的聯網方法。采用VSC-HVDC技術可以有效解決風電場功率波動造成的電壓不穩定以及電能質量不高等問題。1999年，世界上第一個商業化運行的VSC-HVDC輸電工程由ABB公司在瑞典的Gotland島建設并投入使用，該項目選取地下電纜方法實現輸送電能，這樣使得系統對環境造成的影響顯著減小，并且該技術方法可以完成對無功功率、有功功率、電能質量與風電場的電壓支撐等方面的控制。2000年，ABB公司又在丹麥建立了運用VSC-HVDC技術研究風電場并網發電的示范工程[1] ，該工程有效地解決了風力發電造成的無功功率與電壓等問題，其工程的順利建設和投入運營為風電場并網技術的發展和應用提供了經驗和技術支撐。目前ABB公司建設的NordEON工程[1]也將采用VSC-HVDC系統與交流系統聯網。近年我國在這方面也做了大量的研究工作并且取得了可喜的成績，目前正在準備建設上海南匯風電場采用VSC-HVDC技術將風場電能接入交流電網的示范工程。因此，伴隨著此技術的日趨成熟以及造價的降低，其必將在大型風電場并網中得到不斷的推廣應用。

3電力交易

VSC-HVDC技術對系統最小功率以及電流均沒有限制，這樣用戶可以根據需要靈活地確定傳輸的經濟功率和安排運行的方式，并且可以快速、獨立地控制有功和無功功率，同時地區電力供應商間電力市場交易的技術平臺可以被人們方便地構建。ABB于2000年在澳大利亞建設的Direct Link工程[1, 2]，通過3個并列VSC-HVDC系統將New South Wales電網和Queensland電網異步互聯，可以通過New South Wales電網和Queensland電網的電價不同調節功率的傳輸，從而實現電力的交易。在美國康涅狄格州和長島之間經過海底電纜將兩邊的電網連接起來建設了330 MW的工程項目[2]，有效地改善了系統供電的可靠性，同樣這個VSC-HDVC工程項目也被用來進行電力交易，實現了當地電力企業之間的競爭。

4向無源系統或弱交流系統供電

VSC-HVDC之所以適用于向弱交流系統或無源系統供電等場所，是因為VSC換流器能夠在無源逆變狀態運行且不存在換相失敗的問題。除了2005年由挪威ABB公司建設完工的Troll A工程外，目前在建的Vallhan工程[3]也采用VSC-HVDC輸電技術為海上鉆井平臺供電。

5未來發展展望

總的來說，VSC-HVDC技術在構成優質電力園區，構建城市直流輸、配電網絡等方面尚未得到實際應用，但可以預見的是VSC-HVDC技術以其顯著的優點在上述方面將有很大的應用潛力和發展空間。未來城市的發展，空中輸電走廊由于種種原因受到很大的限制，地下電纜走廊將成為今后發展的趨勢和必然之路。為了滿足人們對電能需求量的增加，在采用電纜輸電的方式中直流電纜輸電相對交流電纜輸電更能節省空間、傳輸容量更大。所以，國際上各國關于VSC-HVDC技術的基礎理論與工程化應用研究均取得重大成績和突破，當前其研究熱點主要表現在以下幾個方面：①提高系統輸送容量和電壓等級；②增強系統暫態與穩態的性能；③增強系統可靠性水平；④減少系統成本造價；⑤系統損耗降低的方法與策略。在我國目前尚未有建設和投入使用的VSC-HVDC工程項目，但國內多家科研院所與兩大電網公司在VSC-HVDC技術的關鍵基礎理論與工程化應用方面做了許多基礎性的前瞻工作和準備。

參考文獻：

[1]張靜.VSC-HVDC控制策略研究[D].浙江:浙江大學,2009.

[2]鄭超.基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統數學模型與仿真分析[D]. 北京: 中國電力科學研究院,2006.

[3]Aspuld G., Eriksson K.,Svensson K. DC transmission based on voltage souree converters[C].CIGRE SC14 Colloquium, South

Africa,1997.

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