柔性直流输电技术综述
摘要
柔性直流输电，也称为电压源型换流器高压直流输电，是基于电压源换流器、采用可关断电力电子器件（如IGBT）的新一代直流输电技术，它克服了传统直流输电依赖交流电网、无法向无源网络供电等固有缺陷，以其有功功率和无功功率的独立、快速控制能力，为现代电力系统的灵活运行、新能源并网、异步电网互联等提供了革命性的解决方案，本综述旨在全面梳理柔性直流输电技术的发展脉络、核心技术、应用场景及未来趋势。
引言：从传统直流到柔性直流
传统高压直流输电技术自20世纪50年代问世以来，因其远距离、大容量、低损耗的输电优势，在全球范围内得到了广泛应用，但其核心是基于电网换相换流器,存在以下固有缺陷：
- 依赖交流电网： 换流过程需要交流系统提供换相电压，无法向无源网络（如孤立岛屿、海上平台）供电。
- 消耗无功功率： 换流器在运行时需要从交流系统吸收大量无功功率,需配置昂贵的无功补偿设备。
- 产生谐波： 换流过程会产生特征谐波,需要配置滤波器。
- 换相失败风险： 当交流系统电压降低或发生故障时，容易引发换相失败，导致直流系统闭锁,影响系统稳定性。
为了克服这些缺点，基于可关断器件和脉宽调制技术的柔性直流输电技术应运而生，它标志着直流输电从“依赖电网”的时代迈向了“支撑电网”的新时代。
基本工作原理与系统构成
1 基本工作原理
柔性直流输电的核心是电压源型换流器，与传统直流输电的电流源换流器不同，VSC的直流侧是电容,交流侧通过电抗器与电网连接。
其工作原理可以概括为：
- 脉宽调制： 通过高频开关（如IGBT）的导通与关断，将直流电压调制成一系列宽度不等的脉冲波，这些脉冲波的宽度按照正弦规律变化,从而在交流侧生成一个接近正弦波的PWM波形。
- 矢量控制： 通过先进的控制算法（如dq0解耦控制），可以独立、快速地控制输出交流电压的幅值和相位。
- 控制电压的幅值，即可控制与电网交换的无功功率。
- 控制电压的相位相对于电网电压的偏移量，即可控制与电网交换的有功功率（相位超前为有功从VSC流向电网，相位滞后为有功从电网流向VSC）。
这种解耦控制能力是柔性直流最核心的优势。
2 系统构成
一个典型的柔性直流输电系统主要包括：
- 换流站： 是系统的核心，通常包含两个或多个换流器模块（称为阀厅），通过串联或并联方式以满足不同的电压和容量需求,每个换流阀由成百上千个IGBT串联而成。
- 换流变压器： 用于连接换流器和交流电网,实现电压匹配和电气隔离。
- 换流电抗器： 连接在换流器和变压器之间，用于抑制电流谐波、控制功率传输和限制故障电流。
- 直流电容器： 为VSC提供稳定的直流电压,并作为缓冲吸收无功功率。
- 交流滤波器： 用于滤除PWM过程中产生的高次谐波,保证并网点的电能质量。
- 直流输电线路： 可以是电缆或架空线,用于传输有功功率。
- 控制和保护系统： 是系统的“大脑”，负责实时监测、控制功率的精确传输，以及在故障时快速、可靠地保护设备。
核心技术
柔性直流输电的实现依赖于一系列尖端技术的支撑。
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1 电力电子器件技术：
- 核心器件： 绝缘栅双极型晶体管是当前VSC的核心开关器件，其高频开关能力、高控制精度和自关断特性是实现柔性直流控制的基础。
- 发展趋势： 碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体器件具有更高的耐压、更高频率和更低损耗的特性,是下一代柔性直流技术的重要发展方向。
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2 模块化多电平换流器技术：
- 技术地位： 这是目前柔性直流输电领域最主流、最成熟的拓扑结构，MMC由多个结构相同的子模块串联而成，每个子模块通常是一个“半桥”电路。
- 核心优势：
- 模块化设计： 易于扩展,可根据电压和容量需求灵活配置子模块数量。
- 输出波形质量高： 通过对子模块的精确投切，可以自然地合成接近正弦波的阶梯波,无需或只需很小的交流滤波器。
- 冗余性强： 个别子模块故障时，系统可将其旁路，不影响整体运行,可靠性高。
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3 高压直流电缆技术：
- 应用场景： 柔性直流特别适用于海底电缆输电，现代交联聚乙烯绝缘直流电缆技术是其大规模应用的关键,已具备500kV及以上的电压等级和数千兆瓦的传输能力。
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4 控制与保护技术：
- 控制策略： 主要采用矢量控制和直接功率控制，实现对有功、无功的独立、快速解耦控制。
- 故障保护： 这是柔性直流技术面临的重大挑战，由于VSC无法像传统直流那样自然关断故障电流，其保护策略更为复杂，主要包括：
- 直流侧故障保护： 采用快速机械开关（如直流断路器DCCB）和耗能装置来隔离故障。
- 交流侧故障保护： 利用换流器的快速控制能力提供动态无功支撑,帮助电网恢复电压。
主要优势
与传统直流输电和交流输电相比,柔性直流输电具有显著优势：
| 特性 | 柔性直流输电 | 传统直流输电 | 交流输电 |
|---|---|---|---|
| 有功/无功控制 | 独立、快速、四象限控制 | 有功控制，无功不可控 | 强耦合，P-Q相互影响 |
| 无功支撑 | 可向电网提供或吸收无功，无需额外补偿 | 需大量无功补偿 | 依赖线路和发电机 |
| 黑启动能力 | 具备，可向无源网络供电 | 不具备 | 不具备 |
| 电能质量 | 谐波含量极低，电能质量高 | 需配置大量滤波器 | 存在稳定性问题，易受扰动 |
| 多端馈入 | 易于构成多端系统，灵活组网 | 技术复杂，经济性差 | 天然多端系统，但稳定性差 |
| 占地面积 | 占地面积小，特别适合城市和沿海 | 占地面积大 | 占地面积大 |
| 成本 | 目前成本较高（设备成本） | 成本较低 | 成本随距离增加而急剧上升 |
典型应用场景
基于其独特优势,柔性直流输电在以下领域展现出巨大应用潜力：
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1 新能源并网：
- 海上风电场并网： 这是柔性直流最成功的应用领域，海上风电场远离陆地，采用交流电缆送电会因电缆电容效应导致电压和功率控制困难，柔性直流可以解决这些问题，实现海上风电场的低电压穿越、有功/无功独立控制,是大规模海上风电开发的理想选择。
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2 异步电网互联：
当两个不同频率（如50Hz和60Hz）或运行模式差异巨大的电网需要互联时，柔性直流是唯一的技术方案,欧洲大陆电网与英国电网的互联项目。
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3 城市中心供电：
在城市中心，架空线走廊资源紧张，电缆输电是必然选择，交流电缆输电距离受限，而柔性直流可以远距离、大容量地为城市供电,同时改善电网的电能质量。
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4 海岛供电：
为孤立的海岛或海上平台供电，柔性直流可以通过海底电缆为其提供稳定、可靠的电力,甚至可以支持其构建独立的微电网。
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5 电网增强与跨区域能源互济：
在现有交流电网中嵌入柔性直流输电通道，可以快速、精确地控制功率潮流，缓解输电瓶颈，提高电网的稳定性和灵活性,实现跨区域能源的高效调配。
面临的挑战与未来展望
1 主要挑战：
- 成本高昂： 柔性直流输电的设备成本（尤其是IGBT阀、控制系统和直流断路器）显著高于传统直流和交流输电,限制了其在某些对成本敏感场景的应用。
- 技术复杂性与可靠性： 控制和保护系统极其复杂，对运行维护人员要求高，直流断路器等关键设备的技术仍在发展中,其可靠性和成本是制约多端直流发展的瓶颈。
- 系统稳定性： VSC的快速控制特性在带来优势的同时，也可能引入新的次同步振荡等问题,需要深入研究其与交流电网的相互作用机理。
2 未来展望：
- 电压等级和容量提升： 向±800kV及以上超高电压、数吉瓦（GW）级超大容量发展，以实现更远距离、更大规模的输电。
- 成本下降： 随着IGBT等半导体器件的规模化生产和技术的成熟，以及国产化进程的加速，柔性直流的成本将逐步下降,竞争力将不断增强。
- 混合直流技术： 将柔性直流与传统直流相结合，形成混合型直流输电系统，兼顾两者的优点,以实现更高的经济性和灵活性。
- 直流电网： 这是柔性直流的终极形态，通过构建多端甚至多电压等级的直流电网，可以实现能源在全球范围内的优化配置和高效利用,是构建未来能源互联网的核心技术。
- 与新型电力系统深度融合： 在以新能源为主体的新型电力系统中，柔性直流将成为连接大型能源基地、负荷中心和分布式能源的关键枢纽,为电网提供强大的灵活性和支撑能力。
