第1章 柔性直流輸電概述

1.1 柔性直流輸電的歷史沿革

柔性直流輸電（簡稱“柔直”）指的是基于電壓源換流器的高壓直流輸電，起源于20世紀(jì)90年代末。柔性直流輸電是電能變換和傳輸?shù)男滦洼旊姺绞剑哂锌刂旗`活方便、運(yùn)行特性理想、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，是提升可再生能源接納能力、增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性和靈活性、支撐未來電網(wǎng)變革的重要手段，已成為世界范圍內(nèi)發(fā)展最快的新一代輸電技術(shù)。2004年，國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）和美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）將柔性高壓直流技術(shù)正式命名為“VSC-HVDC”。ABB和西門子公司分別將此項(xiàng)輸電技術(shù)命名為“輕型高壓直流”（HVDC Light）和“新型高壓直流”（HVDC Plus），見表1.1。

世界電力工業(yè)在發(fā)展初期使用直流輸電方式，當(dāng)時(shí)的技術(shù)還不能對(duì)直流電進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。因此應(yīng)用受到限制，逐漸被交流輸電取代。隨著技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)30年代人們開始認(rèn)識(shí)到直流輸電是進(jìn)行高壓大容量遠(yuǎn)距離輸電的有效工具，汞弧閥換流器的問世，使人們的視線又回到直流輸電上來。

1954年，由瑞典向哥特蘭島送電的第一條高壓直流線路投入商業(yè)運(yùn)行，此后直流輸電飛速發(fā)展，世界各地出現(xiàn)了許多汞弧閥直流輸電系統(tǒng)。20年后，晶閘管代替汞弧閥成為直流輸電換流器的開關(guān)元件，自1972年始，世界范圍內(nèi)相繼有多個(gè)晶閘管直流輸電工程開始投運(yùn)，僅我國就至少有36個(gè)工程，累計(jì)容量達(dá)182.31 GW。2010年之前，巴西Itaipu兩條±600kV，3150MW的直流輸電項(xiàng)目是世界上電壓等級(jí)最高、輸送能力最大的高壓直流輸電項(xiàng)目，直至2010年我國的向家壩—上海±800kV特高壓直流輸電示范工程竣工投產(chǎn)。

隨著新型高壓大功率可控關(guān)斷電力電子器件（如IGBT、GTO、IGCT）不斷涌現(xiàn)，其額定電壓、電流也快速增長，原來在中低壓和小功率系統(tǒng)中廣泛使用的基于PWM技術(shù)的新型換流技術(shù)逐漸在直流輸電領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。20世紀(jì)末出現(xiàn)的采用電壓源換流技術(shù)的柔性直流輸電技術(shù)，首先由加拿大McGill大學(xué)的Boon-TeckOoi等人于1990年提出，隨后得到了世界上眾多學(xué)者和研究人員的關(guān)注。

ABB公司首先實(shí)現(xiàn)了VSC技術(shù)在長距離電力傳輸、背靠背工程和靜止無功補(bǔ)償裝置等領(lǐng)域的工程應(yīng)用。該技術(shù)于1997年開始用于電力傳輸，同年瑞典赫爾斯揚(yáng)示范工程投入運(yùn)行，額定功率為3MW，直流電壓為±10kV，采用IGBT閥、三相橋結(jié)構(gòu)和高壓直流電容。IGBT閥具有可控導(dǎo)通和關(guān)斷能力，完全不同于傳統(tǒng)晶閘管閥僅導(dǎo)通可控，而關(guān)斷要依賴換相電壓，存在一個(gè)換相過程。

柔性直流輸電系統(tǒng)中最早投入商業(yè)運(yùn)行的輸電功率為60MW，換流器采用兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。早期的VSC-HVDC系統(tǒng)開關(guān)頻率較高，直流電壓為±80kV。第二代VSC-HVDC系統(tǒng)采用三電平換流器，直流電壓達(dá)到±150kV，輸電功率達(dá)到330MW。這種最新的設(shè)計(jì)方案在CrossSound電纜工程（330MW）和MurrayLink工程（220MW）中得到成功應(yīng)用。

目前國外已經(jīng)投運(yùn)的柔性直流輸電工程有50多個(gè)。例如轟動(dòng)一時(shí)的西班牙—法國聯(lián)網(wǎng)工程，直流電壓為±320kV，直流電流為1600A，每個(gè)換流單元輸送容量為1000MW，該工程同時(shí)建設(shè)兩個(gè)換流單元（四根電纜），總輸送容量為2000MW（采用SIEMENS HVDC Plus技術(shù)），于2014年投運(yùn)。又如挪威—丹麥直流聯(lián)網(wǎng)工程的直流電壓為±500kV（采用ABB HVDC Light偽雙極技術(shù)），總?cè)萘繛?00MW，2014年投運(yùn)。世界上第一條架空線路柔性直流輸電項(xiàng)目是納米比亞—贊比亞CapriviLink工程，直流電壓為±350kV（采用ABB HVDC Light技術(shù)），雙極設(shè)計(jì)，總?cè)萘繛? × 300MW，2009年底單極投運(yùn)，目前按雙極并聯(lián)大地返回方式運(yùn)行。

國外部分比較具有代表性的柔性直流輸電工程列表見表1.2。

1959年，世界上第一個(gè)500kV直流工程正式投入運(yùn)行。1985年開工的500kV葛上直流輸電工程，是我國第一個(gè)商業(yè)運(yùn)行的大容量遠(yuǎn)距離直流輸電工程，西起湖北葛洲壩、東至上海奉賢南橋，1989年投運(yùn)后為上海輸送經(jīng)濟(jì)發(fā)展必備的電能（見圖1.1）。南橋換流站站內(nèi)除少量35kV斷路器由國內(nèi)配套外，絕大部分設(shè)備分別從7個(gè)國家的15家公司引進(jìn)。

2006年之前，我國在柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域僅開展了跟蹤性研究。面對(duì)技術(shù)研究基礎(chǔ)薄弱、無可借鑒經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀，國家電網(wǎng)公司于2006年5月組織國內(nèi)權(quán)威專家召開“柔性直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架”研討會(huì)，以促進(jìn)我國電力技術(shù)發(fā)展和電網(wǎng)升級(jí)。研討會(huì)上，國家電網(wǎng)公司提出了柔性直流輸電技術(shù)研究總體規(guī)劃。研究框架分為前期研究、基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)研究及樣機(jī)研制、試驗(yàn)規(guī)范及試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)研究、示范工程前期研究5個(gè)部分。與會(huì)專家一致建議將基于VSC技術(shù)的直流輸電統(tǒng)一命名為“柔性高壓直流輸電（HVDC Flexible Transmission）”。自此拉開了我國柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展的序幕。

2007年年底，國網(wǎng)上海市電力公司決定在上海南匯風(fēng)電場開展柔性直流輸電技術(shù)工程示范。在堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)著眼于工程應(yīng)用，開始了適用于高壓大容量柔性直流輸電技術(shù)路線的探索與嘗試。當(dāng)時(shí)，世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)柔性直流換流閥工程應(yīng)用的只有ABB公司采用的兩電平/三電平技術(shù)路線，其存在運(yùn)行損耗高、容量擴(kuò)展困難等問題，成為制約柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用的“短板”。我國專家經(jīng)過多次開會(huì)討論，決定采用模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)路線。此時(shí)，西門子和ABB等跨國公司也幾乎同時(shí)啟動(dòng)了高壓大容量柔性直流輸電技術(shù)的探索。

2010年7月，我國首個(gè)MMC換流閥子模塊樣機(jī)開始試組裝。2010年10月，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的±30kV/20MW柔性直流換流閥一次性通過所有型式試驗(yàn)。同年底，上海南匯風(fēng)電場柔性直流輸電工程建設(shè)正式啟動(dòng)。2011年7月25日，工程正式投運(yùn)，我國實(shí)現(xiàn)了柔性直流輸電技術(shù)從無到有的突破。

2013年1月，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院率先研制成功世界首個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的±320kV/100萬kW柔性直流換流閥及閥控設(shè)備樣機(jī)，并通過IEC 62501等4項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部型式試驗(yàn)，以及國際權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)挪威船級(jí)社（DNV）KEMA實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證。DNV在其官方網(wǎng)站上稱：“這個(gè)（柔性直流換流閥）打破電壓和容量水平世界紀(jì)錄，標(biāo)志著模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)取得了重大成功。換流閥型式試驗(yàn)的順利通過，是超級(jí)電網(wǎng)發(fā)展歷程中一個(gè)重要里程碑。”DNV亞太首席運(yùn)營官比約恩·陶恩·馬克森對(duì)這項(xiàng)技術(shù)成果給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為它達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，也對(duì)全球能源領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。

為攻克多端柔性直流輸電這一世界難題，大力發(fā)展清潔能源，國家科技部2011年將“大型風(fēng)電場柔性直流輸電接入技術(shù)研究與開發(fā)”課題列入國家863科技計(jì)劃重大專項(xiàng)，意在突破大型風(fēng)電采用柔性多端直流輸電接入電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，提升我國柔性直流輸電領(lǐng)域的核心裝備研發(fā)和制造水平，實(shí)現(xiàn)成套設(shè)計(jì)的全面自主化目標(biāo)。依托國家863科技專項(xiàng)和一系列大型直流輸電工程項(xiàng)目，中國南方電網(wǎng)公司針對(duì)海上風(fēng)電并網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)等重要應(yīng)用場景開展了深入研究和工程實(shí)踐（參見圖1.2）。2013年12月25日，隨著南澳多端柔性直流輸電工程現(xiàn)場總指揮一聲令下，南澳島上青澳、金牛兩個(gè)換流站與汕頭的塑城換流站完成了三端投產(chǎn)啟動(dòng)，這標(biāo)志著中國南方電網(wǎng)公司攻克了多端柔性直流輸電控制保護(hù)這一世界難題，成為世界上第一個(gè)完全掌握多端柔性直流輸電成套設(shè)備設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、調(diào)試和運(yùn)行全流程核心技術(shù)的企業(yè)。

2020年11月24日，世界首個(gè)特高壓多端混合直流輸電工程——烏東德（昆柳龍）直流工程昆北—龍門極2高低端換流器成功解鎖，系統(tǒng)電壓第一次躍升至800kV，輸送功率穩(wěn)增到800MW，標(biāo)志著烏東德（昆柳龍）直流工程開啟800kV運(yùn)行模式，我國的特高壓進(jìn)入柔性直流新時(shí)代（見圖1.3）。這也是世界首次運(yùn)用特高壓混合直流和特高壓柔性直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離送電。

烏東德（昆柳龍）特高壓柔性直流多端輸電工程是中國南方電網(wǎng)公司長期在直流輸電領(lǐng)域精耕細(xì)作的高科技結(jié)晶，也是我國電力工作者在科技創(chuàng)新上取得的重大突破，它是國家首個(gè)特高壓多端直流示范工程，也是世界首個(gè)特高壓柔性直流工程，同時(shí)還是目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大的多端混合直流工程。該工程創(chuàng)造了19項(xiàng)電力技術(shù)的世界第一，主要設(shè)備自主化率達(dá)100%，有力帶動(dòng)了國內(nèi)相關(guān)裝備制造業(yè)的高端化和設(shè)備的國產(chǎn)化。中國南方電網(wǎng)公司與國內(nèi)相關(guān)廠家共同研發(fā)的柔性直流關(guān)鍵芯片（IGBT）成功應(yīng)用到工程中，打破了國外少數(shù)廠家壟斷的局面。圖1.4為我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的柔直換流閥及閥廳，圖1.5和圖1.6為烏東德（昆柳龍）工程投運(yùn)的部分站點(diǎn)實(shí)景圖。