摘要:柔性直流输电技术具有可控性强、对环境影响小、适合中小容量电力远距离输送等优点。总结和分析目前国内外 关于柔性直流输电技术应用与设备的相关信息，结合南方电网规划和能源结构发展趋势，研究柔性直流输电技术在南方 电网应用的必要性、可行性及应用前景，并提出南方电网应用柔性直流输电技术的如下可能项目:大规模海上风电场接 入系统;实现区域联网以便提高电网供电可靠性;应用于珠三角等大城市负荷密集地区供电;向远方孤立负荷供电。

柔性直流输电技术是一种与传统直流输电截然不同的新型直流输电技术，有可控性强、对环境影 响小、适合中小容量电力远距离输送等-系列的优点在近十几年来，已有-系列的实际应用 ，在国内也开展了相关的研究。

本文总结目前国内外关于柔性直流输电技术与设备的相关信息，尤其是柔性直流输电技术发展趋 势以及目前应用的关键限制因素;并结合南方电网 发展趋势和能源结构调整需求，研究柔性直流输电技术的必要性和可行性，推荐可能的试点项目。

1 柔性直流输电综述

1.1 柔性直流输电原理简述 典型的基于绝缘栅双极半导体管( IGBT) 2 电平 VSC 的柔性直流单相示意图见罔 l 。柔性直流输 电与传统直流输电的基本不同点是:它采用具有关断能力的可关断器件(如 IGBT) 组成的电压源换流器 (VSC) 进行换流，而传统直流输电则是采用元关断能力的低频晶闸管所组成的电网换相换流器(PCC)来进行换流。在换流站中，送端换流器(整流器)和受端换 流器(逆变器)均采用 VSC，换流器由换流桥、换 流电抗器、直流电容器和交流滤破器组成，换流桥 每个桥臂均由多个 IGBT 串联而成。柔性直流输电 的换流电路是自然双极性，需要两根导线。

目前，已投运的柔性直流输电的 VSC 基本采用 脉宽调制 (PWM) 技术，可以几乎独立瞬时地改变 交流输出电压的相位与幅值，从而实现有功与无功 的独立瞬时调节。柔性直流输电应用的 VSC 结构主 要有 2 电平、3 电平及多电平结构[7] ，其中，已投产 的工程都采用结构相对简单但可靠性较高的 2 电平 或 3电平结构，多电平 VSC柔性直流仅有 l 个在建 工程一一美国跨湾工程。

多电平 VSC 虽然设备复杂度和技术要求都较高，但是可以使得 PWM 频率降到2 电平的 0.1 ，可 以大大降低换流运行损耗，而且可关断器件两端的 电压变化率也不高，使得更高电压等级、更大容量的柔性直流输电能够更容易地实现[8) 。

1.2 柔性直流输电的优点

高压直流输电由于适合于远距离输电、不会对交流系统的短路电流水平产生影响、隔绝交流故障等优点得到了广泛的应用，目前直流输电主要还是容量在 250MW 以上的传统高压直流，柔""性直流主 要在中小容量(可以低至几兆瓦)电力输送方面有较大优势。由于柔性直流采用可关断器件组成的 VSC进行换流，具有高度的可控性，在中小容量直 流输电应用方面相对于传统高原直流有以下优点:

1 )柔性直流输电可以给元源、网络直接供电， 短路容量并不重要，可以给孤立负荷或弱交流电网 供电，而传统直流输电对受端电网短路容量有一定 的要求，且在受端电网中必须有旋转电机。

2) 柔性直流输电无最低输送有功功率限制，而传统直流输电一般有最低输送有功功率(如额定 容量的 10% )限制。

3 )由于柔性直流输电可以瞬时独立地控制输 出有功和无功功率，具有高度的可控性和灵活性， 不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到静止同步补偿器 (STATCOM)的作用，动态补偿交 流母线的无功功率，稳定交流母线电压，而传统直 流需要大量无功补偿(通常为 50%有功容量)且无功补偿不能连续控制。

4) 柔性直流输电对交流电网有较强的提高系

统动态稳定性能力。据文献[坷，在提高系统动态稳 定性方面，采用合理的控制策略后，同等容量柔性 直流相当于 4 倍容量的并联动态无功补偿设备，对 电网安全稳定性有较大提高。而传统直流的稳定运行易受交流系统影响，换相失败是其常见的故障之 气连续的换相失败甚至会引发直流闭锁、功率输 送中断，甚至影响系统稳定运行。

5 )柔性直流的 VSC 通常采用 PWM 技术， 开关频率相对较高，所需并联滤波装置的容量大大 减小(一般少于 30%有功容量，多电平 VSC的柔性 直流甚至不需要并联滤波装置)，而传统直流需要大 量并联滤波装置( 50%有功容量左右)。

6)在潮流反转时，柔性直流仅电流方向反转 而直流电压极性不变，而传统的高压直流输电恰好 相反，因此，传统的高压直流输电实现多端直流复 杂困难，柔性直流特别适于多端直流连接。

7 )柔性直流输电有换流站占地面积小、设备 模块化设计，从而具有设计、生产、安装和调试周 期大大缩短的工程经济特点。柔性直流输电由于滤 波器容量相对较小甚至没有等原因，设备比较少， 从而比传统直流换流站占地面积小(目前同等容量 可以小 40% )，所以柔性直流换流站更容易建在城 市等土地紧张的区域。

1.3 柔性直流输电应用的限制分析

柔性直流输电虽然有以上优点，但是目前在输配电系统应用仍然受到较多限制:

1 )输电容量和电压等级。目前，传统直流架 空线最大输送 6400MW ，士800 kV; 电缆输送主要 受电缆输送容量限制。柔性直流架空线已投运的最 大输送为 600 MW ，土350 kV ，技术上最大输送为2400 MW ，::1:350 kV; 电缆输送巳投运最大输送为400MW ，土200 kV ，技术上最大输送 1200MW o

2 )满载损耗率。传统直流输电单个换流站约0.8% ，柔性直流输电单个换流站约1.6%;

3 )单个换流站造价。传统直流工程为 600900 元/kVA ，柔性直流工程约 1000 元/kVA。 单回柔性直流输电的容量上限主要受柔性直流的电压等级和线路输送的电流大小限制。前者主要 由目前的 IGBT 等可关断器件的耐压水平、变换器 结构、控制水平所决定，其中，多电平的变换器在实现高电压等级的柔性直流方面更有优势;后者主要由输送线路的散热水平和耐热能力限制，通常同 等导线截面架空线比电缆输送电流更大。

柔性直流换流站的损耗相对较高主要是因为可关断器件高频开关，随着新型可关断器件、优化脉 宽调制 (PWM) 技术和 VSC 结构的发展(如采用多电平 VSC )，损耗会进一步降低。 根据己有和在建的柔性直流换流站国外报价，以容量 400MW 的输电工程为例，分别采用 220kV电压等级交流电缆和土150 kV 柔性直流地下电缆， 大致估价对比如图 2 所示。

l一交流电缆; 2一柔性直流+电缆; 3一柔性直流+电缆(国产估计)

图 2 柔性直流电缆输电和交流电缆输电造价比较 F;g. 2 Compar;son of the Transm;ss;on Project Cost Between AC Cable and VSC HVDC Cable Transm;ss;ons

交流电缆输电和柔性直流电缆输电的平衡距离 主要取决于柔性直流换流站的造价，根据国外已有 工程换流站的造价，平衡距离在 100km 左右。但是， 如果百兆瓦级柔性直流能够成功国产，且每千伏安 价格能维持在 500 元左右(国产已有应用于 STATCOM 的大容量 VSC 部分投产或正在研制，价 格不超过 500 元/kVA )，则平衡距离可降到 50 km 左右，柔性直流经济应用范围将大为扩大。

随着 IGBT 等可关断器件的发展，换流阀拓扑 结构、控制技术的提升，以及大容量 VSC 国产化的 逐步实现，柔性直流输电正向着更大容量、更低损 耗、更为经济的方向发展。

2 柔性直流输电应用范围与目的

日前，已投产的和在建的柔性直流输电工程有14 个，采用电缆输电的有 11 个，背靠背 1 个，架 空线 2 个。最近的纳米比亚的 Caprivi Link 工程是 最大容量的柔性直流工程，也是第一个实用的柔性直流大容量架空线远距离输电工程，而且可以单极投运。以交流电网联网为目的的工程有 9 个，主要 为提高供电可靠性、电力交易、重要或孤立负荷供 电等;为风电接入的工程有 5 个，其中，德国北海 海上风电场(世界上最大海上风电场)采用 400MW 柔性直流海底电缆接入系统，使得柔性直流在大型 海上风电场接人方面有了实际工程范例。柔性直流工程主要的应用目的概括起来有如下几个方面。

2.1 中小容量长距离电缆输电

交流电缆具有很大的电容效应，会产生大量的元功充电电流，严重影响到有功的输送，因此交流电缆输电距离受到很大的限制。

在不得不采用输电的场合(如海底电缆输电)，如果距离较远( 50km 以上)，交流电缆输电较为困难，一般采用直流 电缆输电较为经济合理。传统直流输送容量较大，但是对受端电网短路容量有要求，柔性直流输电有诸多优点，所以柔性直流输电适于给弱交流电网(如海岛)供电和孤立负荷(如海上油瓶电台)供电，能提高受端交流电网的供电可靠性。

2.2 交流电网的重要支持

柔性直流输电对交流电网的支持主要体现在:安全高效灵活的电网互联;提高供电质量;加速弱交流电网的黑启动等。

2.2.1 安全高效灵活的电网互联

柔性直流输电为两个或多个电网之间提供可靠的连接，一定程度上降低弱交流电网侧备用装机容 量，对于重要负荷可以充当保安电源。与普通交流联络线相比，柔性直流输电在故障时可以迅速隔离 电网，避免事故影响扩大，而且可以提高系统阻尼，抑制弱交流互联可能带来的低频振荡。柔性直流输电可以与己有交流输电线路并列供电，增加的输电 容量极限要比直流输送容量大(文献[9]论证，理想、 情况下，柔性直流有功无功混合控制增加的输送容 量可以达到柔性直流容量的 149% )c 柔性直流可以 指定输送潮流，如电力交易的合同规定，或满足某 种优化指标(如优化潮流)，或调整至某些紧急运行 状况等。因此，柔性直流可以当作调度和运行方式 的一部分，使得输电网运行更灵活、更为可控，是 高压电力系统智能化的-种重要实现形式。

2.2.2 提高供电质量，提高系统动态稳定性

柔性直流输电可以对交流电网进行快速的动态无功补偿和有功调节，相当于一个元惯性的发电机， 可以发挥稳定交流电网电压和频率的作用，有效提高电网供电质量。在暂态情况下，可以利用动态元 功补偿快速响应的特点，可有效地改善系统的电压稳定性，增强抵御电网大事故的能力。而且，柔性直流的快速响应能力使得柔性直流能够在故障后的第一摆时间内提供能量，延缓发电机加速过程，有一定的增强第一摆稳定的能力，这是其他普通输电 或补偿设备所难以做到的。据文献[坷，在某典型例子下，在提高系统动态稳定性方面，同等容量的柔性直流相当于 4 倍容量的并联动态元功补偿设备。

2.2.3 充当保安电源及加速弱交流电网黑启动

弱交流电网停电后，需经区外电源进行黑启动恢复供电O 柔性直流输电可以向无源网络供电，可以快速控制有功和无功，可以用来进行弱交流电网的黑启动，使得黑启动过程中交流电网电压和频率 相对平稳，而且柔""性直流协助下电网黑启动速度快， 相对于传统方法黑启动的数小时(典型时间6 h)， 柔性直流黑启动估计只需要 15 min。