特变电工新能源：引领柔性直流输电技术新发展
2017年5月，特变电工新疆新能源股份有限公司推出了全球首个特高压柔性直流输电换流阀，这标志着柔性直流输电技术从现有的最高等级±350kV提高到±800kV特高压等级，送电容量从现有的最高100万kW等级提升至500万kW，开启了我国乃至世界直流输电新时代。
柔性直流作为一种技术先进，且具有广泛应用前景的输电技术，在国家能源结构调整、区域能源互联发展中具有重要的作用。换流阀是柔性直流输电的心脏，是直流电和交流电相互转换的桥梁，在柔性直流输电主设备中技术含量最高、挑战最大。
让输电更稳定、灵活
随着我国社会经济的发展和人民生活水平的提高，电网工程送电距离和输送容量不断增大，全社会对电能质量和电网安全稳定性要求也不断提高，伴随着电力电子器件技术的不断发展，柔性直流输电技术在世界范围内发挥着越来越重要的作用。迄今为止，世界上已经有近百条常规直流输电工程和30余条柔性直流输电工程投入运行。
20世纪80年代初，中国开始引进高压直流输电技术，葛洲坝-上海直流输电工程是我国第一个超高压直流输电工程。30年多来，我国已建大容量直流输电工程项目28个、总容量92110MW，其中常规直流工程20个、容量82900MW，背靠背工程4个、容量5860MW，柔性直流输电工程4个、容量3350MW。目前，在建、规划建设中的大容量直流输电工程项目18个、总容量131000MW，其中常规直流工程12个、容量110000MW，柔性直流及柔性直流背靠背工程5个、容量21000MW。
从直流到柔性直流，特变电工新疆新能源股份有限公司（以下简称特变电工新能源）新能源研究院HVDC产品线总监林卫星对柔性直流的特点及优势做了充分介绍，“实现弱电网并网，因为柔性直流具有自换相的特性，所以可以将比较弱的孤岛电网连入主网；可以独立控制有功无功，柔性直流不存在常规直流需要消耗无功功率的问题，反而可以为接入的主网提供无功支撑，起到STATCOM的作用；由于MMC的拓扑结构电平数较高，不需要使用直流/交流滤波器即可满足谐波要求，实现零谐波排放；利用电压源的特性，柔性直流可以为无源系统供电，并具有真正意义上的黑起动能力；控制自由度的增加和拓扑结构的改进给柔性直流带来高动态性能，如故障中的无功注入，快速潮流反转等；由于不需要无功补偿和滤波设备，优化后柔直的占地会比常规直流小很多；无换相失败问题等。综合而言，柔性直流输电在常规直流输电优势的基础上能灵活控制输电，稳定输电。”
柔性直流输电技术使得直流输电的应用范围得到很大扩展，如连接分散的小型发电厂，异步联网，构筑城市直流输配电网，海上供电，提高配电网电能质量等。随着我国智能电网、新能源发电的逐步推进，柔性直流输电技术将积极支撑坚强智能电网建设发展，提高新能源消纳并网水平、解决大型城市供电及孤岛供电难题，同时支撑电力能源跨区远距离输送，优化能源供需格局。
“随着大电流绝缘栅双极型晶体管器件、柔性直流输电拓扑的衍进及控保性能的提升、柔性直流输电设备单位成本的不断下降以及高电压等级直流电缆、直流断路器、直流潮流控制器、能量制动器、直流-直流自耦变压器、直流-直流变换器等装备的研发，柔性直流输电技术将在远距离、大容量输电领域发挥愈来愈重要的作用，甚至取代常规直流输电，欧洲已几乎不再建设常规直流输电线路。”林卫星表示，“未来，在柔性直流技术完全成熟之后，可以构建柔性直流大电网，与交流电网互联运行。高压大容量柔性直流输电技术的应用将对我国未来电网的发展方式产生深远影响。”
超越、突破，创新不止
特变电工新能源是世界领先的绿色智慧能源服务商，致力于让智慧、高效、绿色能源驱动人类社会可持续发展。特变电工新能源可以为客户提供特高压柔性直流输电技术，直流故障无闭锁柔性直流输电技术，架空柔性直流输电技术，电容充电型直流断路器技术，特高压柔性直流换流阀阀控技术；柔性直流输电功率单元、阀段、阀塔、换流阀、阀控等优质产品；为电能的远距离、大容量输送，风力发电/太阳能发电经特高压柔性直流输电以及特高压柔性直流电网并网、海上风电经柔性直流并网、光伏发电经柔性直流并网、配电网柔性直流提供解决方案和服务。
特变电工拥有悠久的创新历程，1938年，特变电工研制成功中国第一台电力变压器；1955年，研制成功中国第一台110kV变压器；1959年，研制成功中国第一台220kV变压器；1973年，研制成功中国第一台330kV变压器；1979年，研制成功中国第一台500kV单相有载调压变压器；1998年，研制成功中国第一台1000kV试验变压器；2006年，研制成功中国第一台750kV电抗器及扩径导线和母线；2006年，研制成功世界第一台1000kV特高压交流变压器；2009年，研制成功世界第一台±800kV特高压直流换流变压器；2009年，研制成功世界第一台±800kV平波电抗器；2014年初，特变电工正式涉足柔性直流输电领域，2017年，研制成功世界第一台±800kV/5000MW特高压柔性直流换流阀阀塔。
近年来，特变电工新能源研究院专注柔性直流输电技术方向的研究攻关。据介绍，近日问世的±800kV/5000MW特高压柔性直流换流阀，采用无闭锁架空柔性直流输电技术，使得柔性直流输电的控制维度由现有的双控制维度，提升至三个乃至四个控制维度，大大提升柔性直流输电系统的控制性能，可以对直流故障进行自清除，无论发生交流短路故障还是直流短路故障，换流器均能维持不间断运行，可以实现直流电压降80%、降70%及降50%运行，满足电力系统对架空直流输电线路的降压运行需求；可以实现阀组的在线投退，方便与常规特高压直流输电技术接口；此外，优化设计的功率模块技术的应用，使得旁路开关拒动时仍能维持桥臂电流通路。
林卫星指出，“该产品的成功研制有助于构建特高压架空柔性直流电网，使得直流电网的发展不再依附于高速直流断路器，仅需使用普通性能的直流断路器即可满足直流电网对安全稳定性的要求，促进特高压架空柔性直流电网更加实用，促进新能源发电的规模化接入，大大缓解弃风、弃光问题。”
与常规高压直流输电技术相比，特高压柔性直流输电采用电压源型换流器技术，可以自主地建立起交流电压，从而直接联接风力发电、太阳能发电等新能源发电系统；同时，特高压柔性直流输电具备自换相能力，不存在常规高压直流输电应用于弱交流电网时存在的换相失败风险；此外，特高压柔性直流输电具备有功功率和无功功率解耦控制的优点，在传输有功功率的同时还能为交流电网提供交流电压支撑，大大提高交流电网的稳定性。
“特高压柔性直流输电的突出优势在于可以构成特高压架空柔性直流电网，将地域分散的多个风力发电场、光伏发电场、抽水蓄能、水电站等经特高压架空柔性直流电网互联在一起，利用新能源发电的地域平滑效应平抑新能源发电整体出力的波动性，从而大大降低新能源发电波动性与随机性对电网的影响，提高电力系统中新能源发电的比例。”林卫星进一步补充道。
“目前，我国特高压柔性直流输电技术处于世界领先水平，±800kV/5000MW特高压柔性直流输电换流阀阀塔，采用架空直流输电线路，具有无闭锁穿越直流故障的能力，而国际上柔性直流输电技术典型的电压/功率等级为±320kV/1000MW，一般采用直流电缆输电，发生直流故障时需要开断柔性直流输电系统两侧的交流断路器。”林卫星陈述说，“特高压柔性直流输电在全球范围内尚无实际工程应用，预估2019年12月投运的乌东德电站送电广东广西工程中将应用±800kV/5000MW以及±800kV/3000MW特高压柔性直流输电技术。”
林卫星认为，未来我国特高压柔性直流输电技术将朝着更高电压等级、更高输电功率、采用架空直流输电线路和多端/直流电网方向发展，涉及的关键技术有高压、大电流IGBT器件设计与驱动技术，特高压柔直换流阀整体结构设计技术，电气优化设计技术，强电磁干扰下换流阀阀控技术，特高压柔性直流输电复杂工况的等效试验技术，特高压柔性直流输电构成多端直流以及直流电网的运行、控制与直流故障保护技术，特高压柔性直流与常规特高压直流接口后的联合运行技术等。
助推清洁能源规模利用
作为为全球能源事业提供系统解决方案的服务商，特变电工新能源先后为美国、俄罗斯、巴西、蒙古、塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦、巴基斯坦等60余个国家和地区提供了绿色科技、智能环保、可靠高效的能源装备，提供了从勘测到设计、施工、安装、调试，到培训、运营、维护一体化的交钥匙工程及系统解决方案，推动了绿色高效电源电网建设。
林卫星表示，“近年来，特变电工新能源研究院一直致力于新型大功率电力电子、能源互联网技术研究和产品开发，为提高能源利用效率、解决大规模新能源接入给电网带来的稳定运行问题提供整体解决方案。”
由于我国能源和负荷中心逆向分布，水电、煤电资源以及风电和太阳能等主要集中在西南、西北和北部地区，而负荷中心主要集中在中东部经济发达地区。为实现资源优化配置，解决煤电运力矛盾，促进新能源开发应用，保障国家能源安全供应，大力推广“电压等级高、输送容量大、送电距离长、运行损耗小”的输电技术，可以实现西电东送和南北互供的电力分配格局。
“从柔性直流输电技术特点和实际工程的运行来看，尤其适用于可再生能源大规模并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网直流输配电、异步/同步交流电网背靠背互联等领域。”林卫星指出，“因此，我们须大力发展直流输电技术，建设新一代直流输电联网工程，促进大规模风力发电场并网，促进城市供电和孤岛供电等新技术的发展，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，增强自主创新能力，为新能源并网、大型城市供电以及孤岛供电等方面提供有效的解决方案。”
新能源自身输出不连续和分布不均的特性，需要智能电网的发展来解决这些挑战，进一步提升和增强电网运行的效率和可靠性。柔性直流输电因其本身所具有的优势和特点在新能源送出上发挥着很重要的作用，并且随着新能源规模化的使用这种作用会越来越明显。
林卫星表示，“与常规特高压直流相比，特高压柔性直流输电应用于传输新能源发电时，无需为了给换流器提供工作电压而配套建设容量约为新能源发电3倍的火力发电，这将大大降低新能源发电输送系统的总体成本，有助于将清洁能源传输得更远、更平稳。也就是说，它可以解决现有新能源电力无法远距离、大规模外送，仅依靠与火电打捆外送或就地近距离消纳的瓶颈问题，将有效推动新能源电力的大规模使用。”
以海上大量风电直接主网接入和配网中柔性直流输电为例，海上风电大量送出需要使用长距离的电缆，其传输容量大，弱电网需接入主网，海上平台空间和载重有限，时间上具有不连续性，需要“黑起动”功能等，面对这些挑战，柔性直流输电是目前最好的选择；在配电网中，当输送距离达到一定的距离（等价距离），柔性直流输电技术在系统损耗和初始投资方面都将具备优势，尤其适用于中国配网互连的距离都普遍偏长的中小容量远距离输电。
据林卫星介绍，特变电工新能源目前在柔性直流及新能源送出上取得了一些突破性的进展，除全球首套±800kV特高压柔直阀塔将柔性直流输电由高压输电提升至特高压直流输电外，无闭锁柔性直流输电系列技术，将使得柔性直流电网的安全稳定性不依附于高速直流断路器，还有全球首套电能路由器研制成功并取得鉴衡鉴证，TBEA eCloud云平台的问世将应用于多个光伏电站的全生命周期运维管理等。
林卫星最后强调，“±800kV/5000MW特高压柔性直流换流阀的成功研制仅是我们在特高压柔性直流输电领域‘万里长征’的第一步，未来3年我们将持续完善不同电压等级/功率等级柔性直流输电的系列化解决方案，从物料可靠性、可靠性设计、可靠性测试、生产可靠性、失效分析等多个维度着手，提高柔性直流输电产品的可靠性，为我国清洁能源的大规模应用贡献自己的智慧和力量。”
（《电气技术》杂志记者：刘星；徐志慧）