张义1 赵保顺2
1.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司天津分公司 300074
2.天津天大求实电力新技术股份有限公司 300380
摘要:新能源的大力发展促使传统能源供给和使用模式发生了根本性变化，大型煤炭、水力、光伏以及风能等多种能源并存发电的新局面，给传统的输电技术带来了巨大的挑战和深刻的变革。文章首先阐述了直流输电网的特点与优势， 随后分析了直流输电网规划的关键技术，最后探讨了直流电网应用与展望。
关键词:直流输电网;电网规划;新能源；技术
“西电东输”工程就成为了我国电力系统的重要建设工程之一。长距离、大容量输电过程中，高压直流输电有着可控性、稳定性、工程成本低的优势。早期直流输电存在电压变换困难、功率难以提升等问题，因此逐步被交流输电取代。近年来，随着大功率电力电子器件、高压换流等技术和设备的发展，全球各国开始重视加快研究发展现代直流输电技术，柔性直流输电、多端直流、直流电网、混合直流输电技术等逐渐发展起来，我国多项大中型输电工程已成功使用此项输电技术取得了显著的成果，高压输电技术在实现电力市场经济中也有这多项交流电所不能替代的优势，在实现大电网互联中有着至关重要的作用。
一、直流电网的特点与优势
直流电网技术优势突出，随着技术不断突破和工程经验积累，未来发展迅速，前景广阔。直流电网是以直流输电技术为基础，由大量直流线路互联组成的能量传输系统。一般认为，从结构和功能等角度，成熟直流电网具有以下特点： 1）直流系统形成独立网络， 换流站位于交、直流电网联络线上， 直流线路间可自由连接， 互为冗余； 2）可实现多电源供电、多落点受电，提供灵活、快捷、可靠的输电方式。 与交流同步电网自由联网方式相比，直流电网在提高电网可控性和灵活性、限制同步电网规模、降低电网复杂性、减少输电损耗等方面具有优势，是解决跨区域、大范围电力传输及交易电量增加，供电可靠性、安全性需求提升及分布式新能源开发、并网、利用规模扩大等问题的有效手段。直流电网可实现直流线路间互联互通，提高直流输电容量和能力，降低输电损耗，并大幅降低换流站建设和运营成本，扭转不联网端对端直流工程增多加剧换流器、站址等浪费，导致运行和维护成本持续攀升的不利局面。
二、直流输电网规划关键技术
1协同新能源大规模发展的直流电网规划关键技术
风光等新能源和负荷的不确定性引起直流电网规划边界条件发生根本性变化，需重点突破考虑新能源的规划边界条件确定技术；同时，这种不确定性还给直流电网内部的潮流特性和稳定性带来了新的挑战。因此，有必要对直流电网建设区域的新能 源 特 性 进 行 分 析，并 进 行 直 流 网运行模拟。首先，研究直流电网规划区域新能源的分布以及多时间尺度出力特性，同时兼顾新能源开发难易程度、费用与预期效益等相关因素，通过数据采集、挖掘以及探索新能源出力精确预测方法，建立新能源的时序出力模型。在此基础上，考虑不同时间尺度下新能源发电与常规能源发电的优化组合方案，研究直流电网对新能源的消纳能力，确定各类新能源占比、调峰电源、储能占比等评估指标。最后，建立多场景的直流电网运行各环节精细化模拟模型，考虑系统长期运行、短期概率化运行模拟，从全寿命周期角度结合大数据优化配置资源降低成本，为决策者制定规划方案提供重要依据．
２多馈入、多落点地区直流联网规划关键技术
多馈入、多落点地区直流联网规划的关键技术文章主要从组网落点选择方面进行阐述。针对直流输电落点的选择，目前已有不少研究成果，但有关多馈入、多落点地区联网形成直流电网的落点选择方法还有待进一步研究。
本文在此提出，直流电网规划中对落点的选择应统筹好经济性、可靠性和安全性，遵循以下原则：①以送端与送端、受端与受端连接为原则，尽量选择距离接近的直流线路连接，同时应尽量减少彼此之间的负交互作用；②送端应能够实现各能源之间的互补发电，充分考虑新能源的出力特性，综合接入的新能源容量、布局等，提高能源利用效率；③落点的选择应以遵循电力电量平 衡 为 原 则 并 充 分 考 虑 电 网 的 实 际 条 件；④多馈入、多落点直流系统联网线路之间应能互为冗余，提高通道利用效率；⑤应能够满足潮流约束并进行安全稳定性校验；⑥应能够考虑经济性，减小投资成本。
3协同多电力电子设备的直流网规划关键技术
直流电网是高度电力电子化的复杂大系统，除了直流断路器，未来还可能加装 ＤＣ－ＤＣ变压器、故障限流器等设备。电网规划和建设经验表明，若在电网建成后才考虑加装新型装置对线路或电网的改造成本较大，而目前电力电子设备造价昂贵，投入产出效益并不高。因此，应在合理评估风险和必要性的前提下，将电力电子设备（以及储能、虚拟同步机等新兴技术）的容量、布局在规划中适当协同考虑。多电力电子设备固有的低惯性、弱抗干扰性、多时间尺度响应特性等使直流电网规划工作面临诸多不确定的因素。针对规划建设的直流电网可能出现的问题，如直流联网后出现严重连锁故障的风险加大、直流环网的潮流控制难度大等，首先应分析系统特性，优先考虑不附加电力电子装置的优化解决方案，如调整网 架 结 构、运 行 方 式 或 者 优 化 控 制 策 略等；同时，研究附加电力电子设备的规划方案，明确新型电力电子装置与新兴技术的可行性，选取合适的数学模型并考虑不确定因素进行等效建模，分析电力电子设备的控制策略、运行特性对电网运行方式的影响，以及技术经济性对比分析等；最后，需要对附加电力电子设备的规划方案进行优化，例如针对多电压等级大型直流电网，如何兼顾经济性和安全性实现断路器分区优化配置、DC－DC变压器的合理优化布局等。
三、直流电网应用与展望
1 直流电网在我国海上风电的应用
直流电网技术在海上风电项目中有着无与伦比的优势。通过直流电网技术， 将多组海上风电机以“多点对一点”的形式连接起来， 以一条海上直流电缆输送到附近的沿海负荷中心， 不仅大为减少了海上电缆的条数， 减少了成本， 而且多组海上风电机组并联减小了风力发电的随机性， 使海上风电能够更加充分的利用。而且对于未来海上风电机组的扩建， 采用直流电网输电网络仅相当于在直流电网侧加入新的分支， 并不改变“多点对一点”的骨架结构， 扩建简单、方便。
2直流电网在我国戈壁光伏发电的应用
对 于新 疆 以 及青海 的 丰 富光伏发 电资 源 , 可对 于新 疆 以 及青海 的 丰 富光伏发 电资 源 , 通过 直流 电 网将 戈壁 和沙 漠 四周 的 光伏发 电基地 连 接成 直流 网 架结 构 ' 利用特高压 直 流输电 传输到临 近 的 西电网或者长距离输送到我国东部负荷中心。
我国目前电能的传输主要是通过特高压直流和交流网架来实现，可再生能源的开发与利用十分有限。大量的可再生能源没有得到充分的利用。传统的输电模式严重限制了大规模可再生能源在我国的发展。而在直流电网中， 由全控器件构成电压源型换流器( VSC) 的直流输电系统不仅可以工作在有源逆变状态， 也可以工作在无源逆变状态， 具有可独立控制功率、系统稳定性高、输出电压波形好等优点， 十分适合接入大规模可再生能源。因此， 将可再生能源通过直流电网与传统能源广域互联， 是我国未来大规模利用可再生能源的有效方法。
参考文献
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中国电机工程学报，2016，36（8）
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