多端直流輸電系統(tǒng)新型發(fā)展趨勢

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(huì)出現(xiàn)換相失敗；不需要交流側(cè)提供無功功率，還能起到靜止同步補(bǔ)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(dòng)，增強(qiáng)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(shí)，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(kuò)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(yùn)行方式、潮流計(jì)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(jì)可靠和優(yōu)質(zhì)運(yùn)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(qiáng)控制系統(tǒng)的靈活性。

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(yùn)可通過整流器完成，不需要裝設(shè)直流斷路器。對(duì)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(shí)停運(yùn)整個(gè)多端直流系統(tǒng)以清除故障，然后重啟直流系統(tǒng)，這會(huì)導(dǎo)致與其相連的交流系統(tǒng)受到較大沖擊，對(duì)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(xiǎn)。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(yùn)行，這將大幅縮短故障后的恢復(fù)時(shí)間，且不需停運(yùn)整個(gè)多端直流系統(tǒng)。然而由于直流電流無白然過零點(diǎn)，需強(qiáng)迫過零，同時(shí)要綜合考慮燃弧時(shí)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(gè)振幅逐漸增大的振蕩電流來制造“人工電流零點(diǎn)”，完成直流電流開斷。然而當(dāng)電弧電流大至一定程度時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)，已成為目前實(shí)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(gè)與系統(tǒng)電流方向相反的電流來制造“人工電流零點(diǎn)”。采用該原理的斷路器可以開斷較大的直流電流，且開斷時(shí)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(shí)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(diǎn)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(yùn)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(shí)的解列運(yùn)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(gè)換流站和直流線路的電流相同，通常選定一個(gè)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(yùn)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)轉(zhuǎn)換的多端直流系統(tǒng)控制模式，正常工作時(shí)設(shè)定一個(gè)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(yùn)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(diǎn)是主導(dǎo)換流站必須有足夠大的備用容量以完全補(bǔ)償系統(tǒng)功率的不平衡，但這在實(shí)際中很難實(shí)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(dòng)完成功率的重新分配，采取該控制策略，擾動(dòng)發(fā)生后各換流站均能穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)避免了單個(gè)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(gè)整流器或逆變器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)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(shí)時(shí)仿真是目前國際上仿真研究的發(fā)展趨勢，對(duì)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(shí)時(shí)仿真規(guī)模大、效率高的特點(diǎn)，又能準(zhǔn)確真實(shí)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(shí)時(shí)仿真裝置與物理仿真裝置的聯(lián)合仿真技術(shù)，該項(xiàng)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(xiàng)以特高壓骨干網(wǎng)架為重點(diǎn)的大規(guī)模交/直流混合電網(wǎng)的研究、國內(nèi)多個(gè)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(duì)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(jī)電暫態(tài)特性等相關(guān)問題開展前瞻性研究 。

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(jí)直流電壓運(yùn)行，功率分配通過改變各換流站的電流來實(shí)現(xiàn)；串聯(lián)式的換流站之間以同等級(jí)直流電流運(yùn)行，功率分配通過改變直流電壓來實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)的絕緣配合，更靈活的擴(kuò)建方式以及突出的經(jīng)濟(jì)性，因此目前已運(yùn)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(jì)，運(yùn)行更加靈活：1）從能源基地輸送大量電力到遠(yuǎn)方的多個(gè)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(gè)孤立的交流系統(tǒng)之間利用直流輸電線路實(shí)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)。

目前，世界上已有3項(xiàng)多端直流輸電工程投入運(yùn)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(shí)際按3端運(yùn)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(gè)正式運(yùn)行的多端直流輸電工程，其運(yùn)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(yùn)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(jí)水電站的廉價(jià)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(gè)換流站組成。除拉底松只能作為整流站運(yùn)行以外，其他換流站兼?zhèn)湔髡竞湍孀冋具\(yùn)行功能；工程可根據(jù)系統(tǒng)需要，采用2,3,4或5端運(yùn)行(通常3端運(yùn)行)。

（3）日本新信濃3端直流輸電工程是世界上第1個(gè)背靠背電壓源換流器多端直流工程，實(shí)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(gè)雙極直流輸電系統(tǒng)所組成。正常情況下，雙極獨(dú)立運(yùn)行，必要時(shí)可雙極線路或雙極換流器并聯(lián)運(yùn)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(kuò)建工程中，每端新增加1個(gè)雙極換流站，通過新、老站的并聯(lián)運(yùn)行形成了4端直流輸電系統(tǒng)。

由于能源和經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直流功率傳送，隨著經(jīng)濟(jì)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(diǎn)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(gè)或3個(gè)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(gè)或3個(gè)以上的連接端口，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)電源區(qū)域向多個(gè)負(fù)荷中心供電，比采用多個(gè)兩端直流輸電系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)。多端直流輸電系統(tǒng)中的換流站既可作為整流站運(yùn)行，也可作為逆變站運(yùn)行，運(yùn)行方式更加靈活，能夠充分發(fā)揮直流輸電的經(jīng)濟(jì)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。可以預(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(jì)算等相對(duì)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(shí)現(xiàn)工程化將是未來工作的重點(diǎn)，具有重大的理論和工程意義 。

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(qiáng)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(diǎn)。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(jì)電站初始裝機(jī)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(gè)送端、2個(gè)受端的方式，將烏東德水電分別送至湖南和浙江，每個(gè)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模的火電資源外送，可采用1個(gè)送端、2個(gè)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(shí)，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(gè)水電規(guī)模較小，因此可利用多端直流輸電形成多個(gè)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(gè)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(gè)電源區(qū)域向多個(gè)負(fù)荷中心供電的輸電需求，比采用多個(gè)2端直流輸電系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)，可充分發(fā)揮直流輸電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

2)世界上已有若干個(gè)多端直流輸電系統(tǒng)投入運(yùn)行，多端直流輸電技術(shù)具備工程實(shí)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(gè)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(diǎn)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(yùn)行，并實(shí)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(duì)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(yùn)行的主控制構(gòu)成。在多端直流輸電系統(tǒng)中，以換流站對(duì)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(diǎn)。多端直流輸電技術(shù)具有多起點(diǎn)多落點(diǎn)等特點(diǎn)，作為實(shí)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(jí)直流電流運(yùn)行,能通過改變各換流站的電壓實(shí)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(yùn)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。