1.3 柔性直流輸電的發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的問題

世界能源格局的發(fā)展日新月異，隨著我國能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進(jìn)，以及負(fù)荷側(cè)波動性的增加，我國電力系統(tǒng)的平衡特征和方式正在發(fā)生深刻變化，維持系統(tǒng)平衡的難度不斷加大，系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源缺乏的問題日益凸顯。“十三五”期間，我國新能源發(fā)電裝機規(guī)模保持快速增長，電力系統(tǒng)的靈活性建設(shè)則相對滯后，源網(wǎng)荷各環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)能力有待進(jìn)一步提升。“十四五”期間，新能源裝機規(guī)模快速增長和負(fù)荷峰谷差持續(xù)拉大將成為趨勢，應(yīng)進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力建設(shè)，滿足經(jīng)濟社會發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型的需求。

從電網(wǎng)側(cè)來看，柔性直流輸電、靈活交流輸電等技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)功率快速、靈活調(diào)節(jié)，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，解決送端電壓波動、受端頻率系數(shù)降低和換相失敗等問題；大電網(wǎng)調(diào)度控制技術(shù)將提高系統(tǒng)運行信息的全面性、快速性和準(zhǔn)確性，提高新能源全網(wǎng)統(tǒng)一消納水平。因此可以預(yù)見，柔性直流輸電技術(shù)將在我國未來電網(wǎng)的發(fā)展中起到十分關(guān)鍵的作用，市場前景相當(dāng)廣闊。

我國特高壓柔性直流輸電既具有傳統(tǒng)直流輸電的優(yōu)點，又克服了傳統(tǒng)直流輸電的不足，使其應(yīng)用范圍得到很大擴展。主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

1）連接分散的小型發(fā)電廠。清潔能源發(fā)電一般裝機容量小、供電質(zhì)量不高并且遠(yuǎn)離主網(wǎng)，如中小型水電廠、風(fēng)電場（含海上風(fēng)電場）、潮汐電站、太陽能電站等，采用交流互聯(lián)方案在經(jīng)濟和技術(shù)上均難以滿足要求。利用柔性直流輸電與主網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)有利于克服清潔能源并網(wǎng)帶來的一系列問題，提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2）異步聯(lián)網(wǎng)。柔性直流輸電可實現(xiàn)不同頻率或相同頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運行。

3）構(gòu)筑城市直流輸配電網(wǎng)。由于大中城市的空中輸電走廊已沒有發(fā)展余地，原有架空配電網(wǎng)絡(luò)已不能滿足電力增容要求，采用柔性直流輸電向城市中心區(qū)域供電，即將成為未來城市電力增容的最佳選擇。

4）海上供電。遠(yuǎn)離陸地電網(wǎng)的海上負(fù)荷，如海島或海上石油鉆井平臺等，通常靠價格昂貴的柴油或天然氣發(fā)電，不但發(fā)電成本高、供電可靠性難以保證，而且破壞環(huán)境。采用柔性直流輸電后，不但問題得以解決，還可將多余電能（如用石油鉆井產(chǎn)生的天然氣發(fā)電）反送給系統(tǒng)。

5）提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量。柔性直流輸電系統(tǒng)可以獨立快速控制有功和無功功率，能夠保持交流系統(tǒng)的電壓基本不變，使系統(tǒng)電壓和電流較容易地滿足電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是改善配網(wǎng)電能質(zhì)量的有效措施。

隨著從業(yè)科研人員的增加、研發(fā)深度廣度的不斷拓展，我國特高壓柔性直流輸電逐漸形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應(yīng)。高電壓、大電流、強電磁場環(huán)境下?lián)Q流閥散熱、電壓尖峰抑制、電磁兼容問題及閥控設(shè)備低開關(guān)頻率電容平衡等問題被逐一攻克，換流閥裝備制造技術(shù)實現(xiàn)快速升級。2013—2020年，柔性直流換流閥參數(shù)不斷提升，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，電壓等級從±30kV上升到±800kV，輸電容量從2萬kW升至8000MW，工程應(yīng)用形式從兩端到多端再到組成直流電網(wǎng)，實現(xiàn)了從科技示范到大規(guī)模應(yīng)用的飛躍。

盡管如此，由于受到電壓源型換流器件制造水平及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，柔性直流輸電技術(shù)在以下幾個方面仍具有局限性：

1）輸送容量有限。目前柔性直流輸電工程的輸送容量普遍不高，相對于800kV LCC工程可以達(dá)到8000MW以上的輸送有功功率，柔性直流輸電目前實現(xiàn)的最高輸送有功功率為5000MW。其受到限制的主要原因是一方面由于受到電壓源型換流器件結(jié)溫容量限制，單個器件的通流能力普遍不高，正常運行時電流最高只能做到2000A左右；另一方面由于受到直流電纜的電壓限制，目前的XLPE擠包絕緣直流電纜的最高電壓等級為525kV，因此柔性直流換流站的極線電壓也受到限制。如果采用架空線路，電壓水平能夠提高，但是可靠性卻大大降低；如果采用油紙絕緣電纜則建設(shè)成本會大幅提高，輸電距離也會受到影響。

2）單位輸送容量成本高。相比于成熟的常規(guī)直流輸電工程，柔性直流輸電工程目前所需設(shè)備的制造商較少，主要設(shè)備尤其是子模塊電容器、直流電纜等供貨商都是國際上有限的幾家企業(yè)，甚至需要根據(jù)工程定制，安排排產(chǎn)，因此成本高昂。IGBT器件目前國內(nèi)已經(jīng)具備一定的生產(chǎn)能力，但是其內(nèi)部的硅晶片仍然主要依靠進(jìn)口。從目前國內(nèi)舟山、廈門等柔性直流工程的建設(shè)成本來看，其單位容量造價為常規(guī)直流輸電工程的4～5倍。如果想要柔性直流輸電達(dá)到特高壓直流輸電的輸送容量，其成本是非常可觀的。

3）故障承受能力和可靠性較低。由于目前沒有適用于大電流開斷的直流斷路器，部分柔性直流輸電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能通過IGBT器件完全阻斷故障電流，不具備直流側(cè)故障自清除能力。一旦發(fā)生直流側(cè)短路故障，必須切除交流斷路器，閉鎖整個直流系統(tǒng)，導(dǎo)致整個故障恢復(fù)周期較長，因此相對于傳統(tǒng)直流，柔性直流的故障承受能力和可靠性較低。雖然采用雙極對稱接線方案可以一定程度上提高可靠性，但是故障極的恢復(fù)時間仍會受到交流斷路器動作時間的限制，整個系統(tǒng)完全恢復(fù)的速度比不上傳統(tǒng)直流。這也是架空線在柔性直流輸電中的應(yīng)用受到限制的主要原因。

4）損耗較大。無論采用SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)的兩電平拓?fù)洌€是采用最近電平逼近NLS的子模塊多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流輸電技術(shù)，其開關(guān)頻率相對于傳統(tǒng)直流都較高，其開關(guān)損耗也是相當(dāng)可觀的。早期兩電平柔性直流工程的換流站損耗能夠達(dá)到3%～5%，目前柔性直流工程多將損耗控制在1%以內(nèi)，與傳統(tǒng)直流的損耗相當(dāng)，但是輸送容量相對于傳統(tǒng)直流還是很小；而如果容量提升，則必然需要更大規(guī)模的子模塊和更快的開關(guān)頻率，因此損耗也會相應(yīng)提高。

5）輸電距離較短。由于沒有很好地解決架空線傳輸?shù)膯栴}，柔性直流輸電工程的電壓普遍不高；同時，柔性直流系統(tǒng)相對損耗較大，這就限制了其有效的輸電距離。可喜的是，隨著大容量直流斷路器產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，這一問題正在得到改善。

柔性直流輸電未來向大容量、長距離方向發(fā)展，必須突破的技術(shù)障礙仍存在不少，例如：

1）電壓源型換流器件新材料的研發(fā)，如利用SiC取代SiO₂作為半導(dǎo)體器件的核心元件，相應(yīng)地，其封裝材料的耐熱和絕緣也需要大幅改進(jìn)，進(jìn)而突破器件的容量限制。

2）大電流直流斷路器的開發(fā)和應(yīng)用。目前直流斷路器還處于研究階段，有不同的技術(shù)路線，其中一種是利用控制電力電子器件對電流進(jìn)行分流轉(zhuǎn)移，并通過避雷器吸收能量，其結(jié)構(gòu)和體積與一個相同容量的換流閥相當(dāng)，而其開斷電流的大小同樣受到電力電子器件容量和避雷器容量的限制。

3）為有效清除架空線故障，提出新的換流器拓?fù)洹ｋm然目前已經(jīng)提出了一些能夠清除架空線故障的換流器拓?fù)洌缛珮蜃幽K拓?fù)洹Q位雙子模塊拓?fù)涞龋@也會帶來成本的增加和損耗的增大，經(jīng)濟效益性較差。隨著新型VSC或CSC（電流源型換流站）拓?fù)溲芯康纳钊耄赡軙霈F(xiàn)經(jīng)濟效益性較高的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在可以預(yù)見的將來，一旦這些技術(shù)障礙得以突破，柔性直流輸電將能夠替代傳統(tǒng)直流承擔(dān)起大容量、遠(yuǎn)距離送電的任務(wù)，帶領(lǐng)人類進(jìn)入一個更加靈活高效的電網(wǎng)架構(gòu)時代。