刘涛
国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司 内蒙古自治区通辽市 028000
摘要：目前我国电网建设已经初步形成，电网发展滞后的矛盾得到较大缓解。但与世界先进水平相比，在电网规模、网络结构、环境保护、应用新技术方面存在较大差距，造成电网输送能力较低、运行经济性较差。为适应我国电网未来的快速发展，新技术的应用已非常必要。大规模化新能源电力传输，能源供需广域平衡，大容量高效变流等新技术需求相继涌现，对传统的电力输送技术带来了深刻变革与挑战。先进交直流输电技术是在传统输电技术的基础上，通过新的技术来提升输送能力和效率，实现高效、智能、环保的电能传输。基于电力电子技术的先进交直流输电技术发展情况，总结特高直流输电先进输电技术的发展历程、取得的成果，并指出未来相关技术领域今后的重点发展方向。
关键词：先进输电技术；特高压直流输电；应用
人类社会的发展进步，对能源供给、能源结构、能源利用模式提出了新的要求。尤其是进入 21 世纪以来，化石能源短缺、环境污染严重和全球气候变化等问题日益突出，使得规模化清洁能源电力传输、能源供需广域平衡、大容量高效变流等新的技术需求相继涌现，给传统的电力输送技术带来重大挑战。新的能源形势带动了能源技术革命，也催生了输电方式的变革。如何在传统输电技术的基础上，创新输电理论、革新输电方式、变革输电技术，并通过提高电压等级和功率等级、变换电能形式、缩减输送空间、提升输送能力等手段，实现高效、智能、环保的电能传输，是当前及未来相当长一段时期内，电力领域发展的一个重大挑战与机遇。
一、我国电网输电技术的需求
1、提高电能输送效率和运行水平的重大需求，随着现代电网的规模日益扩大，运行和控制的复杂程度越来越高，而我国超/特高压大电网中的区域电网之间联络线路较少，尤其是特高压大容量直流输电系统接入电网后，某些极端故障可能导致受端电网出现大幅功率缺额，引起交流系统大幅振荡，区域间同步互联电网在严重故障条件下的切机、切负荷和区域电网间解列等常规的安全稳定措施不再适用。在此情况下，如何提高电网安全稳定水平，具有极其重要的现实意义。灵活交流输电技术是通过在交流电网中装设统一潮流控制器、静止同步补偿器等先进电力电子装备，大幅提升电网的电压稳定水平，提高输电线路的功率极限及导线的热极限，减缓新建线路和提高现有线路的利用率，有助于减少和消除系统环流或振荡，提高现有输电网的稳定性、可靠性和供电质量。
2、大容量远距离电力输送的重大需求。我国能源资源与能源需求呈现逆向分布的显著特点。煤炭、水能、石油、天然气等资源主要集中在西部地区，占据了 80%以上的煤炭和水力资源。随着我国能源开发西移和北移速度的加快，为了节约输电走廊，提高输电效率，必须发展输送距离更远、电压等级更高、输电容量更大、输电效率更高的输电技术。UHVDC 具有输送距离远、输送容量大、损耗低、换流站占地面积小、输电走廊小等特点，特别对于远距离大容量的电量输送，具有显著的优势。发展特高压直流输电技术，构建电力“高速公路”，能在一定程度上缓解能源供应紧缺状况，是实现我国经济、能源、环境协调发展的重要手段之一。VSC-HVDC 可提高风电等清洁能源的并网效率，缓解功率和电压波动对电网造成的冲击，尤其是对于偏远的陆地以及远海风电场来说，具有显著的技术优势，是未来大规模清洁能源基地接入电网的重要技术手段。而基于柔性直流的直流电网技术，能够在大范围内平抑清洁能源发电的波动性和随机性，在电力的输送和分配等领域，正受到越来越多的关注，将成为未来智能电网发展的重要方向和组成部分。
二、特高压直流输电技术
1、技术发展概况。基于相控型晶闸管LCC的高压直流输电技术是大规模、远距离电力传输的主要手段。自 20 世纪 70 年代出现以来，高压直流输电工程的电压和容量等级也不断提高，目前特高压直流输电技术主要包括800 kV/5 000 A、800 kV/6 250 A 和1100 kV/5 500 A 等级[1]。
2、技术成果与工程应用。特高压直流输电中的核心装备包括换流阀、换流变压器、直流场设备等，其中实现电能在交流和直流之间转换的最核心装备为换流阀[1]。在800 kV 及以上的场合下，特高压换流阀电压和电流等级高，导致局部电场畸变严重，空间分布参数对换流阀内部元件工作特性的影响显著，暂态电磁环境复杂，热量积聚严重，组部件电气应力高。换流阀在工作过程中，受到电、磁、热、力及流体等多物理场的综合作用，且在多种电位梯度下分布电感和电容复杂。
这些因素直接影响换流阀暂、稳态各种工况下的电气性能。针对以上难题，在换流阀的开发和研制过程中，取得了如下的技术突破。
换流阀多物理场及分布参数的内在规律揭示
1）换流阀内部多物理场耦合作用下复杂工作过程的数学建模与分析。
2）基于改进边界元法的分布电容提取方法和宽频等效电路建模分析。
大规模晶闸管组件串联动静态电气均衡技术
1）换流阀开通过程中的饱和电感与晶闸管等非线性元件的开通特性协调配合与浪涌电流抑制方法。
2）晶闸管开通扩散速度、通态压降、关断时间、反向恢复电荷等特性与直流系统的协同设计。
3）基于屏蔽系统分体式电位钳制与多点金属增强耦合分布电容调控的串联晶闸管的瞬态电压均衡方法。
复杂电磁环境下的触发监测系统设计技术
1）基于局部全金属强化屏蔽、时间窗口与脉冲宽度复合编码等方法的高强度电磁干扰抑制 技术。
2）基于全光通信阻隔与脉冲能量缓冲相结合的抗电磁干扰设计方法，以及双系统状态信息实时高速交互技术。
特高压超大容量换流装备集成技术
1）微秒级脉冲放电、高频磁滞回旋加热、载荷应力循环、全工况加速模拟等零部件等效全寿命周期考核方法。
2）基于圆角曲率电场优化、均管路串并联冷却和多点悬吊柔性避震等方法的换流阀塔无局放(10 pC)、高效散热及强抗震集成设计技术。
直流换流阀等效试验机理与方法
1）多源复合运行试验方法和分频复用网络多重阀绝缘试验方法。
2）高电压、大电流及强热场联合作用下的换流阀微秒级开通和关断应力的等效试验技术。我国自主研制出800 kV 特高压直流换流阀，成功应用于800 kV/7 200 MW 锦屏至特高压直流工程中，随后相继在多个800 kV特高压直流输电工程中推广应用，并即将出口应用于巴西等国的特高压直流输电工程中[2]。
3、技术挑战。为了适应社会快速发展对电能需求的提升以及实现未来跨国、跨大区资源优化配置的要求，我国计划再建 18 项特高压直流工程，同时还将积极推动中亚、东南亚等国家和地区之间的互联互通。这一方面需要在现有换流阀技术研发的基础上，攻克更高电压、电流和可靠性带来的设备研制技术难题，另一方面需要解决大量直流输电接入交流电网后，所带来的电能变换、控制、运行等方面的关键技术，主要包括：1300 kV 或更高电压等级的特高压直流换流阀；换流阀全景状态监测与智能化控制保护技术；换流阀高频瞬变电压作用下分布参数特征量提取和全尺度电磁暂态仿真建模方法；换流阀塔电磁干扰源的传导和辐射规律；多馈入区域直流输电系统抵御换相失败的换流阀设计方法；多馈入区域直流输电系统的多目标优化协调控制方法。
结论
先进交直流输电技术未来将极大的改变现有电网的面貌。尤其是电力电子技术在电网中的应用，将对电网形态带来深远的影响和深刻的变革。
参考文献：
[1] 周孝信，陈树勇，鲁宗相．电网和电网技术发展的回顾与展望—试论三代电网[J]．中国电机工程学报，2019，33(22)：11．
[2] 郭剑波，武守远，李国富，汤广福．电网和电网技术发展国产化示范工程研究[J]．电网技术，2019(19)．
[3] 周孝信，鲁宗相，刘应梅．中国未来电网的发展模式和关键技术[J]．中国电机工程学报，2019，34(29)：08．