第1章 绪 论
1.1 直流电网的发展
1.1.1 柔性直流输电技术的发展历程
世界能源发展正面临资源紧张、环境污染、气候变化等严峻挑战，加快转变能源开发利用方式，减少二氧化碳排放，成为世界各国共同面临的紧迫课题。推动一次能源多元化、促进新能源的开发利用是能源战略转型的重要环节，已成为世界各国的共识。世界各国纷纷加强风、光、水等可再生能源的开发利用。无论是从全球范围还是从我国实际情况来看，可再生能源富集地区多属于电网薄弱地区，大多数处于电网末端，甚至处于电网空白区域，加之可再生能源发电间歇性和波动性的特点，致使可再生能源的汇集、送出和消纳十分困难。能源资源和消费分布不均衡，使未来电网技术主要面临的问题是大规模可再生能源的汇集和长距离外送。
相比于高压交流输电，高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电的线路走廊窄、造价低、损耗小，其快速精确的可调性能够提高互联交流系统的运行稳定性和灵活性，更适用于大容量、远距离的电能传输。高压直流输电技术始于20世纪20年代。基于汞弧阀的**代直流输电技术主要应用于20世纪70年代以前，而采用晶闸管阀的第二代直流输电技术应用于20世纪70～90年代这段时间。相比于传统直流输电技术，基于电压源型换流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流输电技术可*立控制有功和无功功率，无须考虑无功补偿和换相失败问题，具有谐波水平低、可为无源系统供电、电流可双向流动和占地面积小等优点，在清洁能源并网、孤岛供电、城市异步电网互联、海上平台供电等技术领域具有明显优势。
柔性直流输电技术的发展经历了两个重要阶段。**个阶段始于20世纪90年代初，ABB生产的两电平或三电平电压源型换流器广泛应用于瑞典、丹麦、挪威、芬兰等北欧国家的直流工程中，主要承担离岸风电并网和异步电网互联等功能。两电平换流器存在投切频率高、开关损耗大等缺点，且换流阀中串联器件之间均压问题突出；三电平换流器也存在着电容电压难以平衡、阀组模块化实现较难、开关器损耗较高等一系列问题。2001年，德国学者Marquardt和Lesnicar提出了模块化多电平换流器(module multilevel converter，MMC)的概念，2010年11月，世界上*个采用MMC的柔性直流输电工程——Trans Bay Cable输电工程在美国加利福尼亚州旧金山市投入使用，标志着柔性直流输电技术进入第二个发展阶段。模块化多电平换流器的模块化结构大大降低了换流器的制造难度，并增强了设备的拓展性、降低了开关损耗和谐波畸变率等，使其成为构成柔性直流系统的*选换流器方案。
柔性直流输电系统的结构从初期的两端连接向多端化、网格化发展，直流电网的理论研究和工程预想在国内外引发了研究热潮。欧洲多个国家于2008年签署北海国家海上电网倡议谅解备忘录，着手开启超级电网(Super Grid)规划，建立海底高压直流互联电网并与陆上电网相连，将北海和波罗的海海域的风电以及北非和中东的光伏并网，实现可再生能源的充分利用与可靠消纳。美国也在2011年提出“Grid 2030”计划，利用超导技术、电力储能技术、信息通信技术和高压直流输电技术建立国家主干网，优化电力在东西海岸、加拿大及墨西哥等区域之间的供需平衡。这些方案仍在理论探索阶段，技术上尚不成熟。虽然国内在柔性直流领域起步较晚，但发展较快，已有多项工程投入使用。2013年中国南方电网有限责任公司投运了世界上**个多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电示范工程；2014年国家电网有限公司投运了电压等级*高、直流端数*多、单端容量*大的多端柔性直流输电工程——浙江舟山五端柔性直流输电工程；我国已经投运的张北柔性直流电网工程，对张北地区的大规模风电汇集消纳发挥重要作用，并在全世界范围内*次实现风电经直流电网向特大城市供电。
直流电网是由多个电压源型换流器互联构成、以直流方式进行电能传输的电力网络，其典型结构如图1-1所示。其主要技术特点如下。
(1)直流电网形成*立网络，换流站位于交、直流网络的联络线上，直流线路间可自由连接和切换，并实现互为冗余备用。
(2)可实现多电源供电、多落点受电，并提供灵活、快捷、可靠的输电方式。
(3)既有利于接入大规模风电、光伏和储能设备，也有利于分散的小型新能源通过换流设备接入；没有无功功率和频率振荡问题，稳定性好。
(4)除了VSC，还可以包含直流/直流(DC/DC)变换器、直流断路器、直流潮流控制器等电力电子设备，实现不同电压等级直流电网互联、直流故障隔离、直流潮流可控等功能。
自2009年以来，国际大电网会议(Conference International des Grands Reseaux Electriques，CIGRE)、国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)和欧洲电工标准化委员会(the European Committee for Electrotechnical Standardization，CENELEC)先后成立了多个与直流电网相关的工作组，如表1-1所示，对直流电网的可行性、互联规则、换流器建模、潮流控制、可靠性和可用性、基准模型和故障限流技术等展开研究，公布了多项技术标准，对直流电网的研究和发展具有指导意义。
1)上海南汇柔性直流输电工程
上海南汇柔性直流输电工程由中国电力科学研究院有限公司承建，于2010年底开始建设，2011年7月正式投入运行。该工程联结上海南汇风电场与书柔变电站，工程容量为20MW，直流电压等级为±30kV，是亚洲*条柔性直流输电示范工程，也是我国**条拥有完全自主知识产权、具有世界一流水平的柔性直流输电线路。它的成功投运，标志着我国在智能电网高端装备方面取得了重大突破，国家电网有限公司也成为世界上少数几家掌握该项技术的公司。
2)南澳多端柔性直流输电示范工程
南澳多端柔性直流输电示范工程是世界上*个多端柔性直流输电工程，于2013年12月投入使用，工程的建成增强了南澳岛内风能的外送能力，为南澳岛发展海上风电提供有力支撑。工程项目的具体建设方案为：在南澳岛上的110kV金牛换流站及110kV青澳换流站附近各选址新建一个柔性直流换流站，将岛上牛头岭、云澳及青澳等风电场产生的交流电能逆变为直流功率，金牛换流站及青澳换流站两站的直流功率在金牛换流站汇集后，通过岛上新建的直流架空线及电缆混合线路集中送出；直流线路出岛后，改为以直流海缆的形式过海，直流海缆过海后，通过澄海侧的直流陆地电缆接入澄海侧的塑城换流站，通过塑城换流站逆变为交流功率后，接入汕头电网，从而实现岛上大规模风电的送出。
3)浙江舟山五端柔性直流输电工程
浙江舟山五端柔性直流输电工程于2014年7月投运，该工程分别在舟山本岛定海区、岱山岛、衢山岛、洋山岛、泗礁岛建设了5座换流站，总容量为1000MW；新建±200kV直流输电线路141.5km，其中海底电缆129km，新建交流线路31.8km，是当时世界上端数*多、同级电压中容量*大、运行*复杂的海岛供电网络，对加快海岛智能电网建设、解决风电等新能源并网、加强本岛—岱山—洋山—嵊泗的联网意义深远。
4)厦门柔性直流输电示范工程
厦门柔性直流输电示范工程是世界*个双极柔性直流输电工程，该工程于2014年7月开工建设，2015年12月正式投入运行，输送容量为1000MW，新建岛外浦园、鹭岛两座换流站，采用1800mm2大截面绝缘直流电缆敷设，通过厦门翔安海底隧道与两座换流站连接。工程建成后有效消除了厦门岛作为无源电网的劣势，不仅可以补充厦门岛内电力缺额，还具备动态无功补偿功能，能快速调节岛内电网的无功功率，从而稳定电网电压。
5)渝鄂背靠背柔性直流工程
2019年1月，基于MMC的柔性直流换流器应用于±420kV/4×1250MW渝鄂背靠背柔性直流工程，该工程提高了川渝电网的水电外送能力，消除了川渝电网-华中电网、华中-华北电网失步解列的风险，解决了电网面临的安全挑战问题。
6)张北柔性直流电网工程
世界*个直流电网工程——张北柔性直流电网工程于2020年6月正式投运，是国网冀北电力有限公司服务绿色冬奥的“涉奥六大工程”之一，总投资125亿元，额定直流电压为±500kV，额定输电能力为4500MW，输电线路长度为666km。张北柔性直流电网工程1期为4站4线直流环网工程，即张北换流站、康保换流站两站汇集当地风电和光伏发电，丰宁抽蓄接入丰宁换流站，北京换流站接入当地500kV交流电网，张北、康保、丰宁与北京换流站形成4端直流环网。远期还将建设御道口、唐山两个±500kV换流站，分别连接到丰宁换流站和北京换流站，建设±500kV蒙西换流站连接到张北换流站，形成泛京津冀的日字型6端±500kV直流电网。工程采用直流架空线技术，汇集风、光、储或抽蓄等电源，实现可再生能源的接入汇集，提升可再生能源的并网安全性与故障穿越能力。
1.1.3 直流电网基本结构与运行特性
1.1.3.1 模块化多电平换流器
MMC共包含A、B、C三个相单元，每个相单元由上下两个桥臂构成，其拓扑结构如图1-2所示。
图1-2 MMC拓扑结构
MMC每个桥臂连接有若干子模块(SM)，子模块中T1、T2为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，D1、D2为二极管，C0为子模块电容，Larm和Rarm为桥臂电感和电阻，Lg和Rg为交流侧接地电感和电阻，Idc为直流电流。系统稳态运行时，MMC通过子模块的投切调节各相单元上下桥臂的电势，从而实现其交直流转换功能。
1.1.3.2 直流电网网架结构
直流电网网架结构的发展目前已经历了两个阶段，*先是以基于晶闸管的电网换相换流器(line commutated converter，LCC)为主要换流装置的点对点两端直流输电系统，经过几十年的发展，其关键技术相对成熟，电压等级和输送容量已分别达到±1100kV和12000MW[1]。第二个阶段是基于电压源型换流器的多端直流(multi-terminal direct current，MTDC)输电系统，其中电压源型换流器在潮流反转时只需改变电流极性，成为构成多端直流输电系统的*选换流器。利用直流线路将多端直流输电系统中的换流站互联构成网状结构，则是第三阶段的直流电网，也是直流输电发展的必然趋势。
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