新型直流輸電技術--HVDC LIGHT的應用與展望

2 輕型直流輸電的技術特點

HVDC Light 采用可關斷型電力電子器件和PWM技術，較之傳統直流輸電，技術特點如下[10]。

1)正常運行時，VSC 可以同時而且獨立地控制有功功率和無功功率,甚至可以使功率因數為1，這種調節能夠快速完成，控制靈活方便。而傳統HVDC中控制量只有觸發角，不可能單獨控制有功功率或無功功率。另外，VSC不僅不需要交流側提供無功功率而且能夠起到STATCOM的作用，動態補償交流母線的無功功率，穩定交流母線電壓。這意味著故障時，如果VSC 容量允許，那么HVDC Light系統既可向故障系統提供有功功率的緊急支援，又可提供無功功率緊急支援，從而能提高系統的功角穩定性和系統的電壓穩定性。

2)VSC電流能夠自關斷，可以工作在無源逆變方式，所以不需要外加的換相電壓，受端系統可以是無源網絡，克服了傳統HVDC 受端必須是有源網絡的根本缺陷，使利用HVDC為遠距離的孤立負荷送電成為可能。

3)潮流反轉時，直流電流方向反轉而直流電壓極性不變，與傳統HVDC恰好相反。這個特點有利于構成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的并聯多端直流系統，克服了傳統多端HVDC系統并聯連接時潮流控制不便、串聯連接時又影響可靠性的缺點。

4)由于VSC 交流側電流可以被控制，所以不會增加系統的短路功率。這意味著增加新的HVDCLight線路后，交流系統的保護整定基本不須改變。

5)模塊化設計使HVDC Light 的設計、生產、安裝和調試周期大大縮短。同時，VSC 采用PWM技術，開關頻率相對較高，經過高通濾波后就可得到所需交流電壓，可以不用變壓器，從而簡化了變流站的結構，并使所需濾波裝置的容量也大大減小。換流站的占地面積僅為同容量下傳統直流輸電的20%。采用新型(XLPE)直流電纜，可以直接安裝在現有交流電纜管內，并使輸送容量提高約50%。

6)變流站間的通訊不是必需的，每個站可以獨立控制，易于實現無人值守。而且HVDC Light在電網故障后快速恢復控制能力良好。

3 應用與實例

3.1 清潔能源接入系統

受環境條件限制，清潔能源發電一般裝機容量小、供電質量不高且遠離主網，如中小型水電廠、風電場、潮汐電站、太陽能電站等，由于其運營成本很高及交流線路輸送能力偏低等原因使采用交流互聯方案在經濟和技術上均難以滿足要求，利用HVDCLight與交流大電網實現互聯是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保護環境[11] [12]。

丹麥Tjaereborg 發電工程是世界上第一個用于示范的風力發電的輕型直流輸電工程。工程的目的是進行較小規模的試驗并展示這項新技術的應用，這項新型技術將用于連接容量>100 MW 且離海岸>50 km的大規模風電場。這項工程于1999年3月發布并開工，于2000 年12月移交業主用于展示和試驗。Tjaereborg風電場由4臺不同型號的風力發電機組成，總裝機容量為6.5 MW，如圖5 所示。采用直流電纜與現有交流電纜并行鋪設，可以工作在直流電纜單獨運行，交流電纜單獨運行和交直流電纜并行運行三種方式。Tjaereborg工程的建成和成功投運，為解決風力發電接入所導致的無功功率和電壓穩定問題提供了參考，也為各國的風電場建設提供了借鑒。

3.2 非同步電網互聯

地區電網之間的互聯是電網未來的發展方向，不僅可以增加系統運行的靈活性和可靠性，而且對電力市場的發展也有著重要的意義。澳大利亞的Directlink 工程和Murraylink 工程都是用于異步聯網、電力交易，同時滿足環境的要求。另外，美國的Cross Sound Cable工程將紐約長島和New England電網實現非同步聯網，該工程將HVDC Light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2003 年8 月在美國東北部電網的黑起動過程中發揮了十分積極的作用，反映了HVDC Light具有很強的電網恢復控制能力。

圖6 為2000 年投運的澳大利亞的Directlink 工程。它將新南威爾士(NewSouthWales)電網和昆士蘭(Queens Land)電網連接起來，緩解了昆士蘭供電系統的部分壓力。Directlink 工程的每個變流站額定容量195 MV·A，由3個獨立的65 MV·A的變流器組成，利用59km長的線路走廊，共用XLPE電纜354km。

3.3 環境敏感區域(如城市中心)的應用

通過交流線路向城市中心增加新的輸送容量是昂貴的，并且在某些情況下，新的輸電走廊是難以獲得的。直流電纜比交流架空線所需的空間小，而輸送容量比交流電纜大。另外，HVDC Light系統具有的有功和無功獨立調節能力，使系統在輸送有功的同時能夠保持兩側交流系統的電壓恒定，從而提高電能質量。因此如果城市中心需要更多的電力，很多時候直流電纜是唯一現實的解決方案[13]。

3.4 海上鉆井平臺和海島供電

海上石油鉆井平臺或海島等遠離陸地電網的海上負荷，通?？坎裼突蛱烊粴鈦戆l電，不但發電成本高、供電可靠性難以保證，而且污染環境。應用HVDC Light技術，這些問題都可以得到解決，同時多余電能(如用石油鉆井產生的天然氣發電)還可以反送給系統。挪威投運的Troll 工程，就是用于向海上天然氣鉆井平臺上的用電設備供電。該工程采用HVDC Light技術除了考慮到長距離海底電纜輸電和環境保護要求外，還考慮到鉆井平臺上的同步電動機需要變頻(0～63 Hz)調速、運行電壓在0～56 kV范圍內變化、以及變流器空間和重量等限制因素。

1997年建成的瑞典哥特蘭島直流輸電工程就是應用HVDC Light技術連接遠距離島嶼的一個成功實例。

4 輕型直流輸電在我國的應用前景

4.1 蓬勃發展的風電產業

隨著我國經濟的飛速發展，能源緊缺和環境污染等問題的日益顯著，國家將大力開發和利用可再生清潔能源，可再生清潔能源的發展首推風電。我國有著極其豐富的風能資源，實際可開發量達2.3億kW，主要分布在東南沿海及其島嶼，西北、華北和東北地區。盡管近年來風電增長迅速，但它在全國電力供應中只占0.25%。2005年國家出臺的《可再生能源法》對可再生能源的利用和發展有著積極的促進作用。

根據國家發改委的《可再生能源中長期發展規劃(草案)》，預計到2020年我國的一次能源消費中有16%來自可再生能源;可再生能源發電裝機容量達到137 000 MW，其中包括30 000 MW的風力發電。合理開發和利用風能、太陽能等可再生能源符合我國國情需要，但這些可再生能源一般分散性強、且遠離負荷中心，接入系統后還會影響整個電網的穩定情況。傳統直流輸電技術能夠解決這些問題，卻不是很經濟，而模塊化設計的輕型直流輸電將是個不錯的選擇。

4.2 地區聯網的穩步發展

我國電網正處于高速發展時期，目前已進入從大區性電網向全國性互聯電網過渡的階段。隨著葛-南工程、龍-政工程和三峽向廣州送電工程等多個高壓直流輸電聯網工程的建成和投運，HVDC 的技術優勢已經在異步聯網工程中得到充分體現。跨區輸電聯網工程對于保證電網安全穩定運行，調劑電網電力電量的余缺，實現全國電力資源的優化配置有著重要作用。而HVDC Light作為一種新型的直流輸電技術，憑借其自身的諸多優點，也必將在未來的電網互聯工程中擁有廣泛的應用前景。

4.3 沿海資源開采力度的加大

根據國務院2003年頒布的《全國海洋經濟發展規劃綱要》，我國的海洋石油資源量約240 億t，天然氣資源量14萬億m3，濱海砂礦資源儲量31億t，海洋可再生能源理論蘊藏量達6.3億kW。我國有充足沿海資源，但開采仍然不充分，隨著人們對海洋資源認識的不斷加深，沿海鉆井平臺的不斷建立，輕型直流輸電又將擁有一片良好的發展空間。

5 結語

輕型直流輸電技術作為一種新型的直流輸電技術，憑借其自身的技術特點已經被應用于很多領域中，并逐步顯示出其優越性和經濟價值。隨著高新技術產業快速發展、可再生能源全面開發以及電力市場日益發展和完善，對高品質電能質量和電網運行的靈活性和可靠性要求進一步提高，開展對輕型直流輸電技術的深入研究有著積極作用和深遠的意義。隨著國家新能源政策的貫徹和執行，地區電網互聯的穩步實施與不斷完善，輕型直流輸電技術必將在我國擁有更廣闊的發展空間和應用前景。