核心提示 柔性直流輸電是電能變換和傳輸?shù)男滦洼旊姺绞健Ｈ欢陔妷涸磽Q流器的柔性直流工程需要一種能在幾百毫秒內(nèi)吸收數(shù)百兆焦能量的消能裝置，用來提升柔性直流故障穿越能力。白鶴灘—江蘇特高壓直流工程應用了一種全新的直流可控自恢復消能裝置，可以解決混合直流或者柔性直流受端交流系統(tǒng)故障情況下?lián)Q流閥上產(chǎn)生暫態(tài)能量盈余的問題，提高混合直流或者柔性直流系統(tǒng)的可用率和可靠性。
消能裝置：提高柔性直流故障穿越能力
基于電壓源換流器（voltage-sourced converter，VSC）的柔性直流輸電技術(shù)，沒有換相失敗問題，還可為電網(wǎng)提供無功支撐。近年來，隨著器件性能的提高，柔性直流工程通過數(shù)個換流器的串并聯(lián)即可達到與常規(guī)直流相同的輸送容量，電壓等級、輸送容量和可靠性得到了巨大提升，為柔性直流輸電技術(shù)的廣泛應用提供了必要條件。
然而，基于VSC的柔性直流工程存在一種特有的功率盈余問題——在受端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，送端換流站因為距離遙遠無法立即感知故障并立即減少輸送功率，這會導致受端VSC在幾十毫秒內(nèi)累積過量的盈余能量，進而使受端VSC換流閥上產(chǎn)生超過設備耐受能力的過電壓，誘發(fā)系統(tǒng)閉鎖停運，甚至損壞VSC換流閥。
也就是說，基于VSC的柔性直流工程每當遭遇交流系統(tǒng)的幾十毫秒級短時故障時，就需要停運系統(tǒng)，并待系統(tǒng)故障清除后再重新啟動。這會在一段時間內(nèi)產(chǎn)生交流系統(tǒng)的有功缺額，給系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性帶來不利的影響。因此，對于直流系統(tǒng)而言，電網(wǎng)通常要求其具備故障穿越能力，即在交流系統(tǒng)故障時，直流系統(tǒng)不停運且能正常穩(wěn)定運行。
為解決VSC換流閥盈余能量產(chǎn)生的過電壓問題，提升柔性直流系統(tǒng)運行可靠性，柔性直流工程需要一種能在幾毫秒內(nèi)瞬間啟動、并能在幾百毫秒內(nèi)吸收數(shù)百兆焦能量的消能裝置。國內(nèi)外之前提出并應用了基于兩種技術(shù)路線的消能裝置：交流斬波耗能電阻（AC Chopper）和直流斬波耗能電阻（DC Chopper）。
第一代消能裝置交流斬波耗能電阻由若干晶閘管和耗能電阻組成，安裝于直流系統(tǒng)交流側(cè)匯集母線上，存在設備分組多（需三相）、占地面積大、穩(wěn)態(tài)損耗大、投切過程時間長、功率盈余與耗能不匹配、交流電網(wǎng)擾動大等問題。
第二代消能裝置直流斬波耗能電阻由可關(guān)斷的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和耗能電阻組成，安裝于系統(tǒng)直流側(cè)。相比第一代消能裝置，直流斬波耗能電阻設備元件更少，占地面積更小，功率盈余與耗能匹配。然而，如將其應用于高電壓、大容量場景，仍存在全控型器件串聯(lián)級數(shù)多，均壓設計、控制策略復雜，造價過高等問題。
新型消能裝置研制成功并實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化
2020年12月10日，白鶴灘—江蘇±800千伏特高壓直流工程正式開工。工程受端采用電網(wǎng)換相換流器（line-commuted converter，LCC）與VSC構(gòu)成的混合級聯(lián)直流技術(shù)。該技術(shù)無需研制特高壓柔直換流閥，采用成熟的特高壓LCC閥組和400千伏柔直閥組即可。因LCC具備反向阻斷直流短路電流的能力，工程無需應用混合子模塊技術(shù)，成本較低且技術(shù)更為成熟。
為保證白鶴灘—江蘇特高壓直流工程運行可靠，提高系統(tǒng)故障穿越能力，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司首次提出第三代消能裝置技術(shù)——直流可控自恢復消能裝置。該裝置由固定部分避雷器、可控部分避雷器和并聯(lián)在可控部分的超高速觸發(fā)開關(guān)（如晶閘管觸發(fā)開關(guān)、間隙觸發(fā)開關(guān)、機械快速開關(guān)）組成。正常運行時，觸發(fā)開關(guān)打開，直流可控自恢復消能裝置整體接入系統(tǒng)；發(fā)生故障時，觸發(fā)開關(guān)合閘，可控部分被旁路，利用避雷器的非線性特征限制VSC過電壓；待故障清除后，觸發(fā)開關(guān)再次打開，系統(tǒng)恢復正常運行。
通過合理配置固定部分與可控部分的參考電壓、額定吸收能量，直流可控自恢復消能裝置將限制故障期間VSC的過電壓，并吸收盈余功率，提升受端混合級聯(lián)的故障穿越能力。相比于采用全控型電力電子器件的直流消能裝置，直流可控自恢復消能裝置僅需機械開關(guān)即可實現(xiàn)控制功能，大幅降低了工程造價，同時具備電壓/電流變化率低、控制更簡單等優(yōu)勢。
從2018年開始，聯(lián)研院牽頭，國網(wǎng)經(jīng)研院、中國電科院及南瑞繼保等多家科研和產(chǎn)業(yè)單位聯(lián)合開展直流可控自恢復消能裝置成套設計。這項研究提出了直流可控自恢復消能裝置的拓撲參數(shù)設計方法與直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制保護技術(shù)，突破了避雷器多組并聯(lián)帶來的可靠性不高問題，攻克了機械快速開關(guān)、間隙開關(guān)等關(guān)鍵設備的可靠性難題，首次提出了驗證大容量消能裝置的等效試驗方法。
研發(fā)團隊針對工程需求，組織了數(shù)十次技術(shù)方案評審，確定了裝置設計方案。最終，樣機型式試驗通過。2020年，±400千伏直流可控自恢復消能裝置研制成功，合閘時間小于1毫秒，單次吸收能量200兆焦以上，電壓直流母線電壓能夠快速、穩(wěn)定地控制在1.35倍額定電壓標幺值（p.u.）以下。相關(guān)單位分別中標白鶴灘—江蘇特高壓直流工程受端兩極的直流可控自恢復消能裝置，實現(xiàn)了從設計到工程產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。
推廣應用前景廣闊，有助于提升新能源消納能力
直流可控自恢復消能裝置可推廣應用于未來新能源送出場景下受端暫時故障、海上風電柔性直流送出、柔性直流遠距離互聯(lián)功率互濟等場景。
● 海上風電送出岸上交流系統(tǒng)故障時消納盈余功率
海上風電送出的陸上交流系統(tǒng)采用架空線，需要考慮暫時性故障問題。故障期間功率外送受阻，新能源出力無法快速準確調(diào)節(jié)，直流側(cè)將形成過電壓，造成系統(tǒng)閉鎖，會引起新能源機組脫網(wǎng)，系統(tǒng)無法實現(xiàn)暫時性故障穿越，降低能量可用率。應用直流可控自恢復消能裝置后，海上風電柔直送出的岸上交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，裝置可以有效消納海上風電場的盈余能量，確保新能源系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行，增強系統(tǒng)的可靠性和海上風電的輸出消納能力。
● 抑制新能源經(jīng)特高壓直流送出系統(tǒng)送端過電壓
特高壓直流工程顯著提高了電網(wǎng)大范圍優(yōu)化配置資源的能力，同時，超大容量直流對交流電網(wǎng)的影響也增加了。如果特高壓直流工程發(fā)生送端換相失敗、直流側(cè)短路故障，或者送端交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將誘發(fā)送端電網(wǎng)形成較高的過電壓，影響設備和系統(tǒng)安全。如果送端電網(wǎng)接入大規(guī)模新能源機組，過電壓可能引發(fā)換流站近區(qū)新能源機組因高電壓而大面積脫網(wǎng)。
適當改造直流可控自恢復消能裝置，并通過集中或分散方式應用于特高壓直流送端交流電網(wǎng)，可有效減少特高壓直流送端電網(wǎng)的過電壓問題，避免新能源機組脫網(wǎng)帶來的電網(wǎng)穩(wěn)定問題，提高特高壓直流系統(tǒng)的利用率。
未來，直流可控自恢復消能裝置推廣應用前景廣闊，可為提升新能源消納能力提供解決方案，有效提高大范圍內(nèi)系統(tǒng)電能變換和輸送效率。
（供圖及作者單位：全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司）
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