多端直流输电与直流电网技术

多端直流输电与直流电网技术

崔楠 1 高明雨 2

国网通辽供电公司新城输电工区 1

内蒙古东部电力有限公司检修分公司±800千伏扎鲁特换流站²

内蒙古通辽市 028000

摘要：能源短缺已经成为一个世界性的问题，而且越来越严重。目前，世界各国已经开始认识到，能源的开发和利用必须改变传统的能源使用方式，向可再生能源和绿色能源过渡。因此，中国非常重视能源优化，建造了风力发电站和太阳能发电站。但由于这些新能源的随机性，是间歇性的动力源。随着可再生能源的日益使用，以前的发电设备和电网运行已经不能接受超大规模的可再生能源发电，因此应该应用更高、更有效的技术。现在，多终端直流输电和直流电网技术的应用可以有效地解决这个问题。

关键词：多端直流电；柔性直流；多端直流输电；直流电网；

多端直流输电技术是直流电网的雏形，目前的HVDC直流大电网建设已经形成了国家三纵三横一环网基本建设思路中的骨干网络形式，未来自上而下的交改直工作也会有条不紊的进行。

一、直流与交流输电技术

交流输电存在着一系列的问题，比如，因为抗性负荷和感性负荷的存在，交流输电过程中存在一系列的无功损耗和无功升压问题，这些问题构成了交流输电故障的相当一部分。同时，交流输电需要波形同步，担心谐波干扰，输送距离受到线路充电容量的影响，有着很苛刻的限制。同时，因为不少线圈式的设备都对交流电有储能效应，这也给电网的扩容和控制带来了诸多不便。但是，即便交流输电法拥有很明显的不足，但世界上绝大多数国家目前的主流用发电和用电设备依然是采用三相交流电的形式，这其中主要有三点原因：

1.直流电控制困难。直流电的特性导致了直流电在电压变换和开关控制方面，都较交流电有着很大的困难。首先，我们目前的变压器采用的都是电磁互感技术，而直流电没有这种互感效应，所以，一般的处理方法是通过AD换流器将直流电变换为交流电后再予以电压调整进一步通过AD换流器换回直流电。而换流器是一个价格昂贵的模电设备，其稳定性和可靠性也有待于提高。而直流电在开关灭弧时的压力也远超过交流电，我们需要更加复杂的设备用于直流电的开关控制。

2.直流电用电器开发较少。因为长期以来能够解决直流电输电问题的技术都不完善，所以，世界各国建立的输电网络均是以50Hz三相交流电或60Hz三相交流电为主。这就造成了末端的用电器开发，也以交流电为主。特别是在工业控制领域，我们已经形成了一整套用于三相交流电控制工业设备的控制理论和控制体系，这种体系并没有针对直流电源。所以说，目前我们开发直流输电，均是以特高压和高压输电线路为主，接近用户环路一侧使用的，仍然是交流供电。

3.全面布置直流系统尚需时日。目前来说，除了800~1000kV的特高压直流输电线路外，我国正在建设的220kV以上直流输电线路数十条，直流输电线路因为电能质量纯净、输电成本低，已经逐渐成为了高压输电的首选线路，不少维护量较大或容量需要扩增的交流输电线路的改造工作，也采用了直接建造旁路直流输电的方式来解决。而多端直流输电的模式，也适应国家电网建设的需求。但是，直流输电网络的建设，还存在以下的问题：（1）直流节点建设相对滞后。目前的多段直流输电技术，往往电能取自线路两端的AD换流器，而不是来自前级直流线路的变压器电源。目前来说，特高压直流输电线路的建立，只是直流电网建设的第一步，只有实现了独立的直流电网系统，特别是发电站可以直接实现直流并网，才可以真正完成直流输电干线的建设。理论上将，目前的市际输电网络，电压等级超过110kV级别的网络统一实现了直流化，形成以直流为骨干，交流为补充的高压输电网络模式，才是直流电网建设的目标。这其中的关键技术就是建立健全使用全面的直流母线的变电站设施，而不仅仅是在某一回路的离场母线上使用直流输电模式。（2）直流控制技术仍是瓶颈。之所以目前的输电变电站和供电变电站的核心母线无法换成直流技术，仍然是因为直流控制技术的制约。目前，各工程及科研机构正在加紧研制全面的直流输电节点技术，已经屡屡获得突破，十三五规划实现后，基于交流输电的智能电网建设告一段落，基于直流技术的输电控制节点的大建设应该会全面展开，国家电网又将面临一次革命性的升级。（3）建立健全直流用电体系任重道远。与直流输电网络同步展开的是直流用电技术的发展。首先目前绝大多数家用电器已经采用直流用电，用户需要将交流电转化为12V或者5V的直流电使用，这是直流用电的一个契机。而在工业用电方面，交直交变频器的广泛应用，使得直流用电在工业领域有了切入点。

二、多端直流输电技术

多端直流输电为直流电网进行发展的第一阶段，利用三个或者三个以上的换流站，利用串联以及并联、混合连接形式的输电系统，可实现多个电源同时供电以及多个落点同时受电。为串联、混联以及放射式并联等具体的拓扑结构。并联式的换流站与换流站之间能够应用同等级的直流电压进行运行，其功率的分配能够利用对不同换流站进行电流改变实现，对功率进行的分配能够利用对直流电压的改变实现。

三、直流电网技术

1.多端直流系统在未来的发展当中，这是该系统当中最易实现的形式，可从交流系统当中将多个换流站引出来，利用多个点对点进行连接的形式与各个交流系统进行连接，多端直流当中并没有网格，也没有任何的冗余。因为其没有冗余，因此不能被称之为网络。如果拓扑当中一个换流站出现了故障，那么与线路相关的换流站便会退出运行，其可靠性非常低。如把直流传输线在直流侧进行连接，构成点对点以及多点对一点的形式，便可构成直流电网。其中，每个交流系统都可以利用换流站连接直流电网，其中换流站之间会有很多直流线路可以利用直流断路器进行连接。

2.高压直流断路器。直流断路器具有切断故障电流的能力。常用的高压直流断路器有3种电流断续方式，即基于常规开关的机械断路器、基于纯电力电子器件的固态断路器和基于两者相结合的混合断路器。现有的机械式高压直流断路器可切断几十ms的短路电流，故障电流的切割速度不能满足直流电网的要求。固态断路器能很好地克服断路速度的限制，但在稳态运行时会造成大量的损耗。混合式断路器既具有良好的断路器静态特性，又具有固态断路器的动态特性，无需快速断弧。它具有运行损耗低、断开时间短、使用寿命长、可靠性高、稳定性好等优点，对快速开关制造有很高的要求。除了直接开断短路电流的方法，也可以考虑增加限流器与断路器的电流开关的方式，因为更大的电流，更难以熄灭电弧为机械开关需要熄灭；与电力电子设备无弧，关闭一个大的电流会使设备的动态过电压、电流的幅度越大，较高的过电压。因此，在循环，增加短路电流峰值限制，低电阻状态保持正常运行，阻力增大，当线路发生短路故障时，短路电流限制到一个较低的值和较低的电流中断，大大降低了开断电流部分的制造难度和提高开放能力。另外，在研发过程中，断路器或其独立元件必须接受功能测试，对于高压直流断路器，直接测试断路器是不现实的，必须采用综合测试方法。另一方面，与交流断路器相比，DC断路器与系统有很强的相互作用，断路器的试验应力必须能够反映实际的功率水平。传统开关的测试方法和测试电路不适用于DC断路器的型式试验。因此，适用于高压直流断路器的等效试验方法和新的综合试验电路也是DC断路器研究的方向之一。

总之，多端直流输电是直流电网降进行发展的重要阶段，可真正实现多电源进行供电以及多落点进行受电。其中将直流传输线与直流侧进行有效连接，可构成直流电网。对于多端直流输电与直流电网技术的探究还有非常大的空间，在未来电网技术的发展会非常迅速，强交强直的互联网电网会逐步成为我国电网的基本架构。

参考文献：

[1]张璐.浅谈多端直流输电与直流电网技术.2020.

[2]汤广湘，刘晓光.关于多端直流输电与直流电网技术.2019.