[科普中国]-多端直流输电系统

背景

由于能源和经济发展的不平衡，高压直流输电的大容量、远距离的输电优势，在我国“西电东送，全国联网”战略中发挥了重要作用。然而传统的两端直流仅能实现点对点的直流功率传送，随着经济发展和电网的建设，必然要求电网能够实现多电源供电以及多落点受电，因此在两端直流输电系统上发展而来的多端直流(MTDC)输电系统受到了越来越多的关注。

多端直流输电系统由3个或3个以上的换流站及连接换流站之问的高压直流输电线路组成。它与交流系统有3个或3个以上的连接端口，能够实现多个电源区域向多个负荷中心供电，比采用多个两端直流输电系统更为经济。多端直流输电系统中的换流站既可作为整流站运行，也可作为逆变站运行，运行方式更加灵活，能够充分发挥直流输电的经济性和灵活性1。

近年来，随着两端直流输电技术的日臻完善，越来越多的国家开始积极探讨和研究多端直流输电技术的应用，如中国、印度和新西兰。可以预见，多端直流输电工程将在今后的远距离、大容量电力传输中发挥重要的作用。

由于多端直流输电系统的设备制造、控制保护、模型与计算等相对两端直流输电系统更为复杂，许多关键问题也尚未得到合理解决，因此深入研究相关问题，使之理论成熟继而实现工程化将是未来工作的重点，具有重大的理论和工程意义2。

多端直流输电的发展概况及工程实例目前，世界上已有3项多端直流输电工程投入运行(意大利一科西嘉一撒丁岛3端、加拿大魁北克一新英格兰5端(实际按3端运行)及日本的新信浓背靠背3端直流系统，加拿大的纳尔逊河以及美国的太平洋联络线直流输电工程也具有4端直流输电系统的特性34。

（1）意大利一科西嘉一撒丁岛3端直流输电工程是世界上第1个正式运行的多端直流输电工程，其运行方式以调频为主。

（2）加拿大魁北克一新英格兰5端直流系统是目前世界上已运行的规模最大的多端直流输电工程，该工程将魁北克北部梯级水电站的廉价电力送往美国东北部的新英格兰电网以及魁北克南部的负荷中心。工程由拉底松、尼克莱、迪斯凯通、康姆福、桑地庞5个换流站组成。除拉底松只能作为整流站运行以外，其他换流站兼备整流站和逆变站运行功能;工程可根据系统需要，采用2,3,4或5端运行(通常3端运行)。

（3）日本新信浓3端直流输电工程是世界上第1个背靠背电压源换流器多端直流工程，实现了日本东部50Hz电网与西部0Hz电网的互联。

（4）加拿大纳尔逊河4端直流输电由2个双极直流输电系统所组成。正常情况下，双极独立运行，必要时可双极线路或双极换流器并联运行，因此具备了多端直流系统的特性。

（5）1970年，美国太平洋联络线2端直流工程建成，之后在1989年的扩建工程中，每端新增加1个双极换流站，通过新、老站的并联运行形成了4端直流输电系统。

多端直流输电的接线方式及应用场合多端直流输电系统的结构方式可分为并联、串联以及混合接线方式，如右图所示，其中并联式又分为放射式和环网式5。

并联式的换流站之问以同等级直流电压运行，功率分配通过改变各换流站的电流来实现;串联式的换流站之问以同等级直流电流运行，功率分配通过改变直流电压来实现；既有并联又有串联的混合式则增加了多端直流接线方式的灵活性。在设计阶段，应根据投资、损耗、可靠性、灵活性、具体工程的特殊要求等多方面的分析和比较选择合适的接线方式6。

总之，与串联式相比，并联式具有更小的线路损耗，更大的调节范围，更易实现的绝缘配合，更灵活的扩建方式以及突出的经济性，因此目前已运行的多端直流输电工程，均采用并联式接线方式。

与2端直流输电相比，多端直流输电系统在下列场合中应用将更加经济，运行更加灵活：1）从能源基地输送大量电力到远方的多个负荷中心；2）直流输电线路中问分支接入负荷或电源；3）几个孤立的交流系统之问利用直流输电线路实现电网的非同期联络等。

此外，随着大功率电力电了全控开关器件技术以及新型直流输电技术的成熟与发展，多端直流输电在分布式发电、可再生能源发电、城市直流配电等领域中的发展潜力日益显现。

多端直流输电的关键技术高压直流断路器采用晶闸管换流阀的整流器，具有快速切断电流的能力，因此在2端直流输电系统中，直流停运可通过整流器完成，不需要装设直流断路器。对于多端直流输电系统，如果按照传统方法进行处理，需要短时停运整个多端直流系统以清除故障，然后重启直流系统，这会导致与其相连的交流系统受到较大冲击，对弱交流系统的影响更为显著，甚至会带来系统失稳的风险。因此有必要像交流系统一样在多端直流系统上安装高压直流断路器，以切断故障电流并使故障部分退出运行，这将大幅缩短故障后的恢复时问，且不需停运整个多端直流系统。然而由于直流电流无白然过零点，需强迫过零，同时要综合考虑燃弧时问和系统过电压，因此开断直流电流相比开断交流电流要困难很多，高压直流断路器成为多端直流输电技术发展和应用的瓶颈1。

目前高压直流断路器开断直流电流的方式主要有2种：1）叠加振荡电流法。该方法利用电弧的负阻特性，在直流电流上叠加一个振幅逐渐增大的振荡电流来制造“人工电流零点”，完成直流电流开断。然而当电弧电流大至一定程度时，其负阻特性将变得不明显，不能保证振荡电流稳定振荡到可产生零点的幅值，因此该类断路器开断电流的能力有一定的限制，由于结构简单，容易控制等优点，已成为目前实际工程中应用最多的一类直流断路器。太平洋联络线直流工程应用了该类型断路器，1985年在成功进行现场测试后，包括开断线路、开断负载、切除故障和多端系统转换4种工况，该类型断路器已用于太平洋直流联络线的开断；此外，20世纪90年代末，日本东芝公司制造的士500 kV/3 500 A直流断路器也属于该类断路器，作为金属回路转换断路器被用于日本的本洲一四国的直流输电工程中。2）电流转移法。该方法通过一预充电电容放电来产生一个与系统电流方向相反的电流来制造“人工电流零点”。采用该原理的断路器可以开断较大的直流电流，且开断时问较短，但该类型断路器的控制较为复杂，可靠性稍弱。

研发、制造、完善高压直流输电工程中实用的直流断路器，是目前我国发展多端直流输电技术急需解决的关键问题。

基本控制模式2端直流输电系统的基本控制模式原则上均可移植到多端直流系统中，在多端直流输电系统中不同的接线方式采用的控制方式有所不同。

并联式多端直流系统的基本控制方式有4种：定电流模式、电压限制模式、最小关断角模式及分散控制模式，此外，还有若干在此基础上发展的控制模式。有文献基于定电流方式提出了一种多点直流电压控制的方法，在该控制方案中，所有具备功率调节能力的换流器都运行于直流电压控制方式，仿真结果表明该方法有利于VSC多端直流系统故障时的解列运行以及故障后的恢复。

串联式多端直流输电系统由于通过各个换流站和直流线路的电流相同，通常选定一个换流站为定电流控制方式，所有其他换流站承担直流电压的控制，或运行于定触发角或定熄弧角控制7。

协调控制由于多端直流控制中需协调配合、集中控制多个换流站，因此在主控制以上的高层控制比多端直流的控制更加复杂。总体上，对于并联接线式的多端直流输电系统，需保持各换流站直流电流的协调配合；对于串联接线式的多端直流输电系统则需保持各换流站直流电压的平衡。因此，相对来说，并联系统的协调控制问题更加突出。

有文献提出了一种基于功率控制方式与直流电压控制方式之问白动转换的多端直流系统控制模式，正常工作时设定一个换流站作为主导站来维持系统功率平衡，如该主导换流站因检修或故障退出运行，将选择另一换流站担当主导站的作用，所有其他换流站仍保持有功功率输出，其缺点是主导换流站必须有足够大的备用容量以完全补偿系统功率的不平衡，但这在实际中很难实现。也有文献提出了基于直流电压一有功功率调节特性的控制策略。在系统负荷发生突变或任一换流站故障退出后，所有具备功率调节能力的换流站根据给定的调节方式白动完成功率的重新分配，采取该控制策略，扰动发生后各换流站均能稳定运行，同时避免了单个换流站过载的情况7。

多端直流系统仿真分析技术由于多端直流系统中存在多个整流器或逆变器，拓扑结构相对复杂，其整流和逆变的配合与协调控制也更加复杂，因此，与2端直流系统的仿真分析类似，多端直流系统仿真分析中也面临着直流模型的准确性问题，特别是直流换相特性和控制保护系统的准确模拟。

全数字实时仿真是目前国际上仿真研究的发展趋势，对于换流阀等大功率电力电了器件快速电磁暂态过程的模拟，数字仿真的精度还需进一步提高。因此采用全数字模型仿真大部分交流系统和一部分直流输电系统，用物理模型仿真需要深入研究物理响应特性的交/直流输电系统，并将它们连接起来，这是目前精确模拟大规模交/直流输电系统仿真研究的较好方案。数模混合仿真既能充分发挥全数字实时仿真规模大、效率高的特点，又能准确真实地模拟大功率电力电了器件。

中国电力科学研究院国家电网仿真中心采用全数字实时仿真装置与物理仿真装置的联合仿真技术，该项技术达到国际仿真技术的前沿。通过这些仿真装置已开展并完成了多项以特高压骨干网架为重点的大规模交/直流混合电网的研究、国内多个直流工程控制保护策略研究及直流控制策略的电磁暂态仿真建模技术研究。目前正在对多端直流系统控制保护特性及其与接入系统问的电磁暂态和机电暂态特性等相关问题开展前瞻性研究1。

新型多端直流输电技术的发展趋势全控型功率半导体器件的技术进步促进了以背靠背电压源换流器为核心的电力电了换流装置的迅速发展。与传统的由晶闸管构成，基于白然换相的电流源换流器相比，背靠背电压源换流器具有：不需要所连交流系统提供换相电压，可向短路比很小、甚至无源的受端交流系统进行供电;不会出现换相失败；不需要交流侧提供无功功率，还能起到静止同步补偿器的电压支撑作用；谐波大为减弱，以及灵活多变的控制方式等优势。

电压源换流器多端直流输电作为一种新型输电方式，可应用于分布式发电、可再生能源发电、城市直流配电等领域中。相关文献研究了电压源换流器多端直流输电在风电场中的应用，仿真结果表明采用电压源换流器多端直流输电方式，能够有效抑制扰动，增强风电场的供电稳定性。

在发展多端直流输电系统时，如果在传统CSC-HVDC的基础上直接通过串联或并联背靠背电压源换流器，即可扩展为混合多端直流输电系统。

虽然电压源换流器多端直流输电、混合多端直流输电技术已取得了一定的研究成果，但在运行方式、潮流计算、故障保护、控制策略以及如何减小高频脉宽调制控制的开关损耗等方面仍需深入研究。

此外，灵活交流输电系统的出现为现代电力系统的安全经济可靠和优质运行提供了十分有效的控制手段。将FACTS技术与多端直流输电技术相结合，能够提高多端直流系统的稳定性，增强控制系统的灵活性。

展望及结论我国多端直流输电工程展望我国能源资源与生产力呈逆向分布，大型电源基地远离负荷中心，为将部分优质电源在受端电力市场进行优化配置，以及加强电网问的互联，多端直流输电在我国具有广阔的应用前景。研究表明，在“十二五”末或“十三五”期问，在金沙江二期水电、呼盟火电基地建设工程，甚至在更远景规划中的西藏水电送出工程中都有多端直流输电技术的应用需求。

金沙江乌东德水电站是“西电东送”的重要电源点。它的建成投产将是中国继三峡工程、溪洛渡水电站和向家坝水电站之后的又一座特大型水电站。预计电站初始装机容量为8700MW，多年平均年发电量约387亿kWh。由于开发规模大，未来可以采用1个送端、2个受端的方式，将乌东德水电分别送至湖南和浙江，每个受端逆变站的容量约为4000到5000MW。

内蒙古呼盟地区煤炭资源丰富，是我国重要的火电基地。未来为实现大规模的火电资源外送，可采用1个送端、2个受端的方式，将一部分电力送入辽宁负荷中心消纳，输电容量为3000到4000MW。同时，将另一部分电力送入华北负荷中心(京津唐地区)消纳，输电容量为4000到5000 MW。

向更远景展望，西藏水电将是我国未来重要的接续能源，开发规模巨大，但输电走廊紧张，且藏东三江上游的单个水电规模较小，因此可利用多端直流输电形成多个送端的优势，将三江上游规模较小的电源汇集，通过多端直流输电方式送至多个受端，形成多送端、多受端的直流输电系统。

结论1)多端直流输电系统能够实现多个电源区域向多个负荷中心供电的输电需求，比采用多个2端直流输电系统更加经济，可充分发挥直流输电的经济性和灵活性。

2)世界上已有若干个多端直流输电系统投入运行，多端直流输电技术具备工程实用性。近年来，随着2端直流输电技术的日臻完善，越来越多的国家开始积极探讨和研究多端直流输电技术的工程应用，多端直流输电工程将在今后多个国家的远距离、大容量电力输送中发挥重要作用。

3)高压直流断路器、多端直流与交流系统的协调控制、多端直流的仿真分析等问题是多端直流输电技术发展需重点解决的问题。

4)我国能源资源与负荷中心呈逆向分布，大型电源基地远离负荷中心，多端直流输电技术将在我国西南水电、北部煤电以及远期的西藏水电的远距离、大容量电力输送中发挥重要作用，具有重大的发展潜力和应用前景。