多端直流輸電系統(tǒng)

多端直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式可分為并聯(lián)、串聯(lián)以及混合接線方式，如右圖《混合式多端直流輸電系統(tǒng)》《串聯(lián)式多端直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》《并聯(lián)式多端直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》所示，其中并聯(lián)式又分為放射式和環(huán)網(wǎng)式 。

并聯(lián)式的換流站之間以同等級直流電壓運行，功率分配通過改變各換流站的電流來實現(xiàn)；串聯(lián)式的換流站之間以同等級直流電流運行，功率分配通過改變直流電壓來實現(xiàn)；既有并聯(lián)又有串聯(lián)的混合式則增加了多端直流接線方式的靈活性。在設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)投資、損耗、可靠性、靈活性、具體工程的特殊要求等多方面的分析和比較選擇合適的接線方式 。

總之，與串聯(lián)式相比，并聯(lián)式具有更小的線路損耗，更大的調(diào)節(jié)范圍，更易實現(xiàn)的絕緣配合，更靈活的擴建方式以及突出的經(jīng)濟性，因此目前已運行的多端直流輸電工程，均采用并聯(lián)式接線方式。

與2端直流輸電相比，多端直流輸電系統(tǒng)在下列場合中應(yīng)用將更加經(jīng)濟，運行更加靈活：1）從能源基地輸送大量電力到遠(yuǎn)方的多個負(fù)荷中心；2）直流輸電線路中間分支接入負(fù)荷或電源；3）幾個孤立的交流系統(tǒng)之間利用直流輸電線路實現(xiàn)電網(wǎng)的非同期聯(lián)絡(luò)等。

此外，隨著大功率電力電了全控開關(guān)器件技術(shù)以及新型直流輸電技術(shù)的成熟與發(fā)展，多端直流輸電在分布式發(fā)電、可再生能源發(fā)電、城市直流配電等領(lǐng)域中的發(fā)展?jié)摿θ找骘@現(xiàn)。

多端直流輸電系統(tǒng)直流斷路器

采用晶閘管換流閥的整流器，具有快速切斷電流的能力，因此在2端直流輸電系統(tǒng)中，直流停運可通過整流器完成，不需要裝設(shè)直流斷路器。對于多端直流輸電系統(tǒng)，如果按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行處理，需要短時停運整個多端直流系統(tǒng)以清除故障，然后重啟直流系統(tǒng)，這會導(dǎo)致與其相連的交流系統(tǒng)受到較大沖擊，對弱交流系統(tǒng)的影響更為顯著，甚至?xí)硐到y(tǒng)失穩(wěn)的風(fēng)險。因此有必要像交流系統(tǒng)一樣在多端直流系統(tǒng)上安裝高壓直流斷路器，以切斷故障電流并使故障部分退出運行，這將大幅縮短故障后的恢復(fù)時間，且不需停運整個多端直流系統(tǒng)。然而由于直流電流無白然過零點，需強迫過零，同時要綜合考慮燃弧時間和系統(tǒng)過電壓，因此開斷直流電流相比開斷交流電流要困難很多，高壓直流斷路器成為多端直流輸電技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸 。

目前高壓直流斷路器開斷直流電流的方式主要有2種：1）疊加振蕩電流法。該方法利用電弧的負(fù)阻特性，在直流電流上疊加一個振幅逐漸增大的振蕩電流來制造“人工電流零點”，完成直流電流開斷。然而當(dāng)電弧電流大至一定程度時，其負(fù)阻特性將變得不明顯，不能保證振蕩電流穩(wěn)定振蕩到可產(chǎn)生零點的幅值，因此該類斷路器開斷電流的能力有一定的限制，由于結(jié)構(gòu)簡單，容易控制等優(yōu)點，已成為目前實際工程中應(yīng)用最多的一類直流斷路器。太平洋聯(lián)絡(luò)線直流工程應(yīng)用了該類型斷路器，1985年在成功進(jìn)行現(xiàn)場測試后，包括開斷線路、開斷負(fù)載、切除故障和多端系統(tǒng)轉(zhuǎn)換4種工況，該類型斷路器已用于太平洋直流聯(lián)絡(luò)線的開斷；此外，20世紀(jì)90年代末，日本東芝公司制造的士500 kV/3 500 A直流斷路器也屬于該類斷路器，作為金屬回路轉(zhuǎn)換斷路器被用于日本的本洲一四國的直流輸電工程中。2）電流轉(zhuǎn)移法。該方法通過一預(yù)充電電容放電來產(chǎn)生一個與系統(tǒng)電流方向相反的電流來制造“人工電流零點”。采用該原理的斷路器可以開斷較大的直流電流，且開斷時間較短，但該類型斷路器的控制較為復(fù)雜，可靠性稍弱。

研發(fā)、制造、完善高壓直流輸電工程中實用的直流斷路器，是目前我國發(fā)展多端直流輸電技術(shù)急需解決的關(guān)鍵問題。

多端直流輸電系統(tǒng)基本控制模式

2端直流輸電系統(tǒng)的基本控制模式原則上均可移植到多端直流系統(tǒng)中，在多端直流輸電系統(tǒng)中不同的接線方式采用的控制方式有所不同。

并聯(lián)式多端直流系統(tǒng)的基本控制方式有4種：定電流模式、電壓限制模式、最小關(guān)斷角模式及分散控制模式，此外，還有若干在此基礎(chǔ)上發(fā)展的控制模式。有文獻(xiàn)基于定電流方式提出了一種多點直流電壓控制的方法，在該控制方案中，所有具備功率調(diào)節(jié)能力的換流器都運行于直流電壓控制方式，仿真結(jié)果表明該方法有利于VSC多端直流系統(tǒng)故障時的解列運行以及故障后的恢復(fù)。

串聯(lián)式多端直流輸電系統(tǒng)由于通過各個換流站和直流線路的電流相同，通常選定一個換流站為定電流控制方式，所有其他換流站承擔(dān)直流電壓的控制，或運行于定觸發(fā)角或定熄弧角控制 。

多端直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

由于多端直流控制中需協(xié)調(diào)配合、集中控制多個換流站，因此在主控制以上的高層控制比多端直流的控制更加復(fù)雜?？傮w上，對于并聯(lián)接線式的多端直流輸電系統(tǒng)，需保持各換流站直流電流的協(xié)調(diào)配合；對于串聯(lián)接線式的多端直流輸電系統(tǒng)則需保持各換流站直流電壓的平衡。因此，相對來說，并聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制問題更加突出。

有文獻(xiàn)提出了一種基于功率控制方式與直流電壓控制方式之間白動轉(zhuǎn)換的多端直流系統(tǒng)控制模式，正常工作時設(shè)定一個換流站作為主導(dǎo)站來維持系統(tǒng)功率平衡，如該主導(dǎo)換流站因檢修或故障退出運行，將選擇另一換流站擔(dān)當(dāng)主導(dǎo)站的作用，所有其他換流站仍保持有功功率輸出，其缺點是主導(dǎo)換流站必須有足夠大的備用容量以完全補償系統(tǒng)功率的不平衡，但這在實際中很難實現(xiàn)。也有文獻(xiàn)提出了基于直流電壓一有功功率調(diào)節(jié)特性的控制策略。在系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生突變或任一換流站故障退出后，所有具備功率調(diào)節(jié)能力的換流站根據(jù)給定的調(diào)節(jié)方式白動完成功率的重新分配，采取該控制策略，擾動發(fā)生后各換流站均能穩(wěn)定運行，同時避免了單個換流站過載的情況 。

多端直流輸電系統(tǒng)仿真分析技術(shù)

由于多端直流系統(tǒng)中存在多個整流器或逆變器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，其整流和逆變的配合與協(xié)調(diào)控制也更加復(fù)雜，因此，與2端直流系統(tǒng)的仿真分析類似，多端直流系統(tǒng)仿真分析中也面臨著直流模型的準(zhǔn)確性問題，特別是直流換相特性和控制保護(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確模擬。

全數(shù)字實時仿真是目前國際上仿真研究的發(fā)展趨勢，對于換流閥等大功率電力電了器件快速電磁暫態(tài)過程的模擬，數(shù)字仿真的精度還需進(jìn)一步提高。因此采用全數(shù)字模型仿真大部分交流系統(tǒng)和一部分直流輸電系統(tǒng)，用物理模型仿真需要深入研究物理響應(yīng)特性的交/直流輸電系統(tǒng)，并將它們連接起來，這是目前精確模擬大規(guī)模交/直流輸電系統(tǒng)仿真研究的較好方案。數(shù)?；旌戏抡婕饶艹浞职l(fā)揮全數(shù)字實時仿真規(guī)模大、效率高的特點，又能準(zhǔn)確真實地模擬大功率電力電了器件。

中國電力科學(xué)研究院國家電網(wǎng)仿真中心采用全數(shù)字實時仿真裝置與物理仿真裝置的聯(lián)合仿真技術(shù)，該項技術(shù)達(dá)到國際仿真技術(shù)的前沿。通過這些仿真裝置已開展并完成了多項以特高壓骨干網(wǎng)架為重點的大規(guī)模交/直流混合電網(wǎng)的研究、國內(nèi)多個直流工程控制保護(hù)策略研究及直流控制策略的電磁暫態(tài)仿真建模技術(shù)研究。目前正在對多端直流系統(tǒng)控制保護(hù)特性及其與接入系統(tǒng)間的電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)特性等相關(guān)問題開展前瞻性研究 。

由于能源和經(jīng)濟發(fā)展的不平衡，高壓直流輸電的大容量、遠(yuǎn)距離的輸電優(yōu)勢，在我國“西電東送，全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略中發(fā)揮了重要作用。然而傳統(tǒng)的兩端直流僅能實現(xiàn)點對點的直流功率傳送，隨著經(jīng)濟發(fā)展和電網(wǎng)的建設(shè)，必然要求電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電以及多落點受電，因此在兩端直流輸電系統(tǒng)上發(fā)展而來的多端直流(MTDC)輸電系統(tǒng)受到了越來越多的關(guān)注。

多端直流輸電系統(tǒng)由3個或3個以上的換流站及連接換流站之間的高壓直流輸電線路組成。它與交流系統(tǒng)有3個或3個以上的連接端口，能夠?qū)崿F(xiàn)多個電源區(qū)域向多個負(fù)荷中心供電，比采用多個兩端直流輸電系統(tǒng)更為經(jīng)濟。多端直流輸電系統(tǒng)中的換流站既可作為整流站運行，也可作為逆變站運行，運行方式更加靈活，能夠充分發(fā)揮直流輸電的經(jīng)濟性和靈活性 。

近年來，隨著兩端直流輸電技術(shù)的日臻完善，越來越多的國家開始積極探討和研究多端直流輸電技術(shù)的應(yīng)用，如中國、印度和新西蘭?？梢灶A(yù)見，多端直流輸電工程將在今后的遠(yuǎn)距離、大容量電力傳輸中發(fā)揮重要的作用。

由于多端直流輸電系統(tǒng)的設(shè)備制造、控制保護(hù)、模型與計算等相對兩端直流輸電系統(tǒng)更為復(fù)雜，許多關(guān)鍵問題也尚未得到合理解決，因此深入研究相關(guān)問題，使之理論成熟繼而實現(xiàn)工程化將是未來工作的重點，具有重大的理論和工程意義 。

目前，世界上已有3項多端直流輸電工程投入運行(意大利一科西嘉一撒丁島3端、加拿大魁北克一新英格蘭5端(實際按3端運行)及日本的新信濃背靠背3端直流系統(tǒng)，加拿大的納爾遜河以及美國的太平洋聯(lián)絡(luò)線直流輸電工程也具有4端直流輸電系統(tǒng)的特性 。

（1）意大利一科西嘉一撒丁島3端直流輸電工程是世界上第1個正式運行的多端直流輸電工程，其運行方式以調(diào)頻為主。

（2）加拿大魁北克一新英格蘭5端直流系統(tǒng)是目前世界上已運行的規(guī)模最大的多端直流輸電工程，該工程將魁北克北部梯級水電站的廉價電力送往美國東北部的新英格蘭電網(wǎng)以及魁北克南部的負(fù)荷中心。工程由拉底松、尼克萊、迪斯凱通、康姆福、桑地龐5個換流站組成。除拉底松只能作為整流站運行以外，其他換流站兼?zhèn)湔髡竞湍孀冋具\行功能；工程可根據(jù)系統(tǒng)需要，采用2,3,4或5端運行(通常3端運行)。

（3）日本新信濃3端直流輸電工程是世界上第1個背靠背電壓源換流器多端直流工程，實現(xiàn)了日本東部50Hz電網(wǎng)與西部0Hz電網(wǎng)的互聯(lián)。

（4）加拿大納爾遜河4端直流輸電由2個雙極直流輸電系統(tǒng)所組成。正常情況下，雙極獨立運行，必要時可雙極線路或雙極換流器并聯(lián)運行，因此具備了多端直流系統(tǒng)的特性。

（5）1970年，美國太平洋聯(lián)絡(luò)線2端直流工程建成，之后在1989年的擴建工程中，每端新增加1個雙極換流站，通過新、老站的并聯(lián)運行形成了4端直流輸電系統(tǒng)。

全控型功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了以背靠背電壓源換流器為核心的電力電了換流裝置的迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的由晶閘管構(gòu)成，基于白然換相的電流源換流器相比，背靠背電壓源換流器具有：不需要所連交流系統(tǒng)提供換相電壓，可向短路比很小、甚至無源的受端交流系統(tǒng)進(jìn)行供電；不會出現(xiàn)換相失?。徊恍枰涣鱾?cè)提供無功功率，還能起到靜止同步補償器的電壓支撐作用；諧波大為減弱，以及靈活多變的控制方式等優(yōu)勢。

電壓源換流器多端直流輸電作為一種新型輸電方式，可應(yīng)用于分布式發(fā)電、可再生能源發(fā)電、城市直流配電等領(lǐng)域中。相關(guān)文獻(xiàn)研究了電壓源換流器多端直流輸電在風(fēng)電場中的應(yīng)用，仿真結(jié)果表明采用電壓源換流器多端直流輸電方式，能夠有效抑制擾動，增強風(fēng)電場的供電穩(wěn)定性。

在發(fā)展多端直流輸電系統(tǒng)時，如果在傳統(tǒng)CSC-HVDC的基礎(chǔ)上直接通過串聯(lián)或并聯(lián)背靠背電壓源換流器，即可擴展為混合多端直流輸電系統(tǒng)。

雖然電壓源換流器多端直流輸電、混合多端直流輸電技術(shù)已取得了一定的研究成果，但在運行方式、潮流計算、故障保護(hù)、控制策略以及如何減小高頻脈寬調(diào)制控制的開關(guān)損耗等方面仍需深入研究。

此外，靈活交流輸電系統(tǒng)的出現(xiàn)為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟可靠和優(yōu)質(zhì)運行提供了十分有效的控制手段。將FACTS技術(shù)與多端直流輸電技術(shù)相結(jié)合，能夠提高多端直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強控制系統(tǒng)的靈活性。

多端直流輸電系統(tǒng)我國工程展望

我國能源資源與生產(chǎn)力呈逆向分布，大型電源基地遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，為將部分優(yōu)質(zhì)電源在受端電力市場進(jìn)行優(yōu)化配置，以及加強電網(wǎng)間的互聯(lián)，多端直流輸電在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。研究表明，在“十二五”末或“十三五”期間，在金沙江二期水電、呼盟火電基地建設(shè)工程，甚至在更遠(yuǎn)景規(guī)劃中的西藏水電送出工程中都有多端直流輸電技術(shù)的應(yīng)用需求。

金沙江烏東德水電站是“西電東送”的重要電源點。它的建成投產(chǎn)將是中國繼三峽工程、溪洛渡水電站和向家壩水電站之后的又一座特大型水電站。預(yù)計電站初始裝機容量為8700MW，多年平均年發(fā)電量約387億kWh。由于開發(fā)規(guī)模大，未來可以采用1個送端、2個受端的方式，將烏東德水電分別送至湖南和浙江，每個受端逆變站的容量約為4000到5000MW。

內(nèi)蒙古呼盟地區(qū)煤炭資源豐富，是我國重要的火電基地。未來為實現(xiàn)大規(guī)模的火電資源外送，可采用1個送端、2個受端的方式，將一部分電力送入遼寧負(fù)荷中心消納，輸電容量為3000到4000MW。同時，將另一部分電力送入華北負(fù)荷中心(京津唐地區(qū))消納，輸電容量為4000到5000 MW。

向更遠(yuǎn)景展望，西藏水電將是我國未來重要的接續(xù)能源，開發(fā)規(guī)模巨大，但輸電走廊緊張，且藏東三江上游的單個水電規(guī)模較小，因此可利用多端直流輸電形成多個送端的優(yōu)勢，將三江上游規(guī)模較小的電源匯集，通過多端直流輸電方式送至多個受端，形成多送端、多受端的直流輸電系統(tǒng)。

多端直流輸電系統(tǒng)結(jié)論

1)多端直流輸電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多個電源區(qū)域向多個負(fù)荷中心供電的輸電需求，比采用多個2端直流輸電系統(tǒng)更加經(jīng)濟，可充分發(fā)揮直流輸電的經(jīng)濟性和靈活性。

2)世界上已有若干個多端直流輸電系統(tǒng)投入運行，多端直流輸電技術(shù)具備工程實用性。近年來，隨著2端直流輸電技術(shù)的日臻完善，越來越多的國家開始積極探討和研究多端直流輸電技術(shù)的工程應(yīng)用，多端直流輸電工程將在今后多個國家的遠(yuǎn)距離、大容量電力輸送中發(fā)揮重要作用。

3)高壓直流斷路器、多端直流與交流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制、多端直流的仿真分析等問題是多端直流輸電技術(shù)發(fā)展需重點解決的問題。

4)我國能源資源與負(fù)荷中心呈逆向分布，大型電源基地遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，多端直流輸電技術(shù)將在我國西南水電、北部煤電以及遠(yuǎn)期的西藏水電的遠(yuǎn)距離、大容量電力輸送中發(fā)揮重要作用，具有重大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。2100433B

保證多端直流輸電系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運行，并實現(xiàn)所要求的功能而采用的控制技術(shù)。其控制原則與端對端直流輸電系統(tǒng)的控制相同，也是由以各端換流器分別控制為基礎(chǔ)的基本控制和協(xié)調(diào)各端及兩極運行的主控制構(gòu)成。在多端直流輸電系統(tǒng)中，以換流站對直流電力網(wǎng)連接方式而言，有并聯(lián)連接和串聯(lián)連接兩種類型，其控制方法各有不同的特點。多端直流輸電技術(shù)具有多起點多落點等特點，作為實現(xiàn)新能源并網(wǎng)最具潛力的方式，是未來直流電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢 。

各換流站之間以同等級直流電流運行,能通過改變各換流站的電壓實現(xiàn)功率分配的直流輸電系統(tǒng)。

并聯(lián)型多端直流輸電系統(tǒng)的基本控制控制原則是由一端換流站控制直流電壓，其他各端分別控制各自的直流電流，各換流站并聯(lián)運行于同一電壓水平上。控制方法主要有電流裕度法、限制電壓法和電壓裕度法等。