出品 | 網(wǎng)易新聞
作者 | 一安電流，電力行業(yè)從業(yè)者
今年5月14日，世界首個特高壓多端混合直流輸電工程線路——±800千伏昆柳龍直流工程實現(xiàn)全線貫通。
這項輸電工程的名字讀起來似乎有點拗口，其實，“昆柳龍”分別指的是線路的三座換流站——云南昆北、廣西柳北、廣東龍門。該輸電工程線路全長1451.916公里，起于云南省祿勸縣，途經(jīng)貴州、廣西，終到廣東省龍門縣，橫跨四省，是西部大開發(fā)戰(zhàn)略的又一西電東送重大項目。
工程總投資242.49億元，設(shè)計額定電壓±800千伏，工程投產(chǎn)后將新增800萬千瓦的通道送電能力，相當(dāng)于減少標(biāo)煤消耗約1000萬噸，減排二氧化碳2660萬噸。
這條線路途所經(jīng)過地區(qū)平均海拔1300米，崇山峻嶺區(qū)域占比54.6%，重冰區(qū)占比10.5%，還跨越鐵路、通航河流、一級及以上公路、重要電力線275條次，可謂是路途漫漫。
今天我們就來揭秘這條線路用到的柔性直流輸電技術(shù)的秘密。
（一）遠(yuǎn)距離輸電選擇直流還是交流，這是一個問題
在介紹柔性直流技術(shù)之前，先讓我們來復(fù)習(xí)一下歷史上的兩次“交直流大辯論”。
第一次發(fā)生在19世紀(jì)80年代，當(dāng)時還沒有輸電線這種東西，圍繞使用交流還是直流輸電，科學(xué)家劃分為兩大陣營——以美國發(fā)明家愛迪生、英國物理學(xué)家開爾文為代表的直流派，美國發(fā)明家威斯汀豪斯、電氣工程師特斯拉為代表的交流派。最終，交流輸電以其靈活組網(wǎng)和升壓降壓的優(yōu)勢，贏得了論辯勝利，從此迎來了交流電力網(wǎng)的迅猛發(fā)展。
眾所周知，電力線中流淌的都是正弦變化的交流電，因此接收端也是清一色的交流電，我們生活中用到的電器也都是使用交流插頭的。但是你仔細(xì)觀察過嗎，液晶電視、電腦主板芯片、手機(jī)芯片實際上用的都是直流電，在我們用電的末端很多電子器件都是直流電的天下。這就是第二次“交直流大辯論”發(fā)生的背景——信息革命與電力電子技術(shù)的發(fā)展成熟。
這一次辯論關(guān)注的是特高壓（交流1000千伏、直流±800千伏）輸電是選擇直流還是交流。中國工程院院士李國杰曾說過，“大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展與成熟，使得直流輸電受到青睞，遠(yuǎn)距離大功率輸送促使直流輸電進(jìn)一步發(fā)展，直流輸電系統(tǒng)還提高了電力系統(tǒng)抗故障的能力，無需進(jìn)行無功補(bǔ)償，同樣電壓等級的直流輸電能輸送更大功率，損耗小”。
直流輸電定位于超遠(yuǎn)距離、超大容量“點對點”輸送的“直達(dá)高速”，很難組成網(wǎng)絡(luò)。交流輸電兼具輸電和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)雙重功能，是連接各類能源的“省市縣公路”。直流輸電可以減少大量無效損耗，但制約直流輸電發(fā)展的最大關(guān)鍵在于是否具有巨大且堅強(qiáng)的交流輸電網(wǎng)。
直流在高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸上確實有獨特優(yōu)勢，但是目前的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)還是交流體系下的，短期內(nèi)不可能推倒重建網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，而且直流目前尚不具備復(fù)雜組網(wǎng)功能。因此，論辯的結(jié)果是直流輸電和交流輸電只能互補(bǔ)，不能互相取代。
?。ù蠊β孰娏﹄娮悠骷M成的換流器）
目前中國的特高壓電網(wǎng)建設(shè)遵循“交直結(jié)合、強(qiáng)交強(qiáng)直”策略，已建成投運(yùn)“九交十直”。
?。ń恢绷魍顿Y與損耗大致對比）
（二）傳統(tǒng)高壓直流輸電與柔性直流輸電的特征大揭秘
說到高壓直流輸電技術(shù)，關(guān)鍵要談兩個東西——換流閥和控制技術(shù)。一個硬件、一個軟件，一個內(nèi)功、一個外功。
20世紀(jì)50年代，高壓直流輸電技術(shù)還處于試驗階段，采用的是汞弧閥換流器，核心器件是晶閘管（Thyristor，又稱可控硅整流器），屬于半控型元件，柵極（G）觸發(fā)后無法關(guān)斷，只有陽極（A）和陰極（K）自己不通時才能關(guān)斷，因此換相過程需借助外部的交流電壓來完成，這稱之為有源逆變，且受端系統(tǒng)必須有足夠大的短路容量，否則容易發(fā)生換相失敗，從而導(dǎo)致通道中斷，甚至電網(wǎng)崩潰。
這種換流器運(yùn)行時要產(chǎn)生大量低頻諧波污染電網(wǎng)，需要加入專門處理“垃圾”的過濾裝置。同時，換流器需吸收大量無功功率，需要建設(shè)大量與其相匹配的無功補(bǔ)償裝置。
20世紀(jì)90年代以后，電力電子技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，出現(xiàn)了具有可關(guān)斷能力的新型半導(dǎo)體器件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）等，此類全控型器件逐漸取代傳統(tǒng)半控型晶閘管應(yīng)用于直流輸電領(lǐng)域中，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)(Voltage Source Converter based High Voltage Direct CurrentTransmission，簡稱VSC-HVDC)應(yīng)運(yùn)而生。
?。ā?00kV特高壓直流換流站鳥瞰圖）
柔性直流輸電技術(shù)，最早是由加拿大的Boon-Teck Ooi等人于1990年提出，是一種以電壓源換流器、自關(guān)斷器件（IGBT）和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代高壓直流輸電技術(shù)。相比于傳統(tǒng)高壓直流輸電，該技術(shù)具有5大優(yōu)勢：
1、可控性強(qiáng)，可關(guān)斷器件可以進(jìn)行開與關(guān)的完整控制，無需交流側(cè)提供換相電流，因此也就不存在換相失敗的問題；
2、得益于完整控制，柔性直流輸電在交流側(cè)無需大量無功支撐，占地面積減少。
3、無源特性可完成向孤島供電，解決了網(wǎng)架薄弱地區(qū)的“最后一公里”問題。這里說的孤島指的不是真正的島嶼，而是僅靠幾條輸電線連接的區(qū)域小電網(wǎng)。
4、全控型器件的開關(guān)頻率極高，動輒成千上萬赫茲，僅需少量高次濾波器就可完成過濾，避免了低次諧波對電網(wǎng)的污染。對中國電網(wǎng)來說，交流電網(wǎng)的頻率為50赫茲，所以低次諧波比高次諧波難處理得多。
?。↖GBT構(gòu)成與等效圖。PS:大家只要知道現(xiàn)在G極可以隨時開關(guān)C-E電流）
?。≒WM技術(shù)將交流正弦波轉(zhuǎn)換為斷續(xù)的直流開關(guān)量，二者的面積是一樣的）
5、最重要的，功率潮流反轉(zhuǎn)迅速。柔性直流輸電系統(tǒng)的電流可雙向流動，同時直流電壓正負(fù)極保持不變。而常規(guī)直流潮流反轉(zhuǎn)時，是直流電壓極性反轉(zhuǎn)，直流電流的方向不變。這個特點對于構(gòu)成多端系統(tǒng)至關(guān)重要，在并聯(lián)型多端直流輸電系統(tǒng)中，柔性直流輸電系統(tǒng)可以通過改變單端電流方向來改變潮流的方向，這就初步具備了多點輸送的功能，也就意味著直流也可以組網(wǎng)了。
（潮流圖）
相信大家對一個詞有點陌生——潮流（flow）。在電力系統(tǒng)中，在電源激勵下，電流從電源流入負(fù)荷，分布于電力網(wǎng)各處，這種狀態(tài)稱為電力潮流，也可以理解為每一處的電壓、電流、功率的穩(wěn)定值。
當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，各處負(fù)荷基本不變，整個網(wǎng)絡(luò)中電流的流動達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)，電力工作者依靠這個穩(wěn)定狀態(tài)計算目前電網(wǎng)是否正常，有沒有超載、有沒有其他問題。同時，通過計算潮流也可以預(yù)先推演改變電流的流向，就像調(diào)節(jié)河網(wǎng)管道的水流流向一樣。
同樣也是因為這種快速調(diào)節(jié)的特性，目前柔性直流輸電是分布式電源接入的最友好方式。柔性直流輸電可以將來自多個站點的風(fēng)能、太陽能等清潔能源，通過大容量、長距離的輸電線路傳輸至負(fù)荷中心。
未來將是清潔能源的天下，中國的分布式能源（風(fēng)能、水能、太陽能、潮汐能等）發(fā)電規(guī)模也將進(jìn)一步擴(kuò)大，由于中國能源與負(fù)荷的地理分布特性，柔性直流輸電在分布式電源并網(wǎng)消納中的應(yīng)用潛力十分巨大。
同時，由于元器件和調(diào)制技術(shù)的限制，柔性直流輸電也具有明顯的缺點。首先，損耗較大，由于需要頻繁的操作，換流器和線路損耗是傳統(tǒng)直流輸電的3倍多。第二，設(shè)備成本較高。目前，常規(guī)直流采用的可控硅技術(shù)成熟、成本較低，而IGBT等可關(guān)斷器件，生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于可控硅。第三，目前應(yīng)用容量不大，只有極少工程實際容量達(dá)到千兆瓦級，這需要隨著技術(shù)的發(fā)展和材料性能的進(jìn)步得以改善。
（三）中國現(xiàn)在具備自主研發(fā)柔直關(guān)鍵設(shè)備的能力嗎？
說了這么多柔性直流輸電的好處，那現(xiàn)在中國處于什么段位呢？
2003年，中國才開始對柔性直流輸電技術(shù)進(jìn)行研究，比歐美國家起步晚很多，不過中國的柔性直流輸電發(fā)展迅速，現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)具備了柔性直流輸電技術(shù)研發(fā)和設(shè)備制造能力，并達(dá)到了國際先進(jìn)水平。
2011年7月，上海南匯風(fēng)電場柔性直流輸電工程投運(yùn)，這是亞洲首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的柔性直流工程。2016年，中國自主研制的、國內(nèi)最大容量的±800千伏柔性直流輸電換流閥閥控設(shè)備，順利通過型式試驗，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平，打破了國外企業(yè)在該領(lǐng)域的長期技術(shù)壟斷。同年，當(dāng)時世界電壓等級最高、輸電容量最大的柔性直流輸電工程—±500千伏“魯西背靠背直流工程”柔性直流單元建成投運(yùn)，這是世界上第一次采用常規(guī)和柔直單元的并聯(lián)運(yùn)行模式，克服了常規(guī)直流和柔性直流的協(xié)調(diào)控制、單臺換流器功率模塊多的限制等多個世界級難題，在柔性直流領(lǐng)域建立起一整套具有知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。目前，加上今天開頭提到的昆柳龍工程，中國已有6個柔性直流輸電工程建成投運(yùn)。
昆柳龍工程是世界上容量最大的特高壓多端直流輸電工程、世界首個特高壓多端混合直流工程、首個具備架空線路直流故障自清除能力的柔性直流輸電工程，憑借這一工程中國真正步入世界柔性直流輸電技術(shù)引領(lǐng)者的行列。
但我們同時也應(yīng)清醒認(rèn)識到，我們距國際頂尖的大功率電力電子器件制造廠，如ABB、西門子、Infineon等，還存在較大差距。就如同芯片行業(yè)一樣，中國制造只有從根源上做好自主研發(fā)，才能逐漸趕超最后達(dá)到世界頂尖水平。
?。ㄈ嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)核心裝備）
結(jié)語
2016年中旬，中國企業(yè)成功擊敗西門子、通用電氣等一流供應(yīng)商，入選英國設(shè)得蘭（Shetland）工程柔直換流站唯一合作伙伴，這是中國高端直流裝備首次進(jìn)入歐美發(fā)達(dá)國家市場，也證明了國產(chǎn)柔直換流閥已達(dá)到世界先進(jìn)水平，表明了中國在高端輸電裝備與技術(shù)方面的國際競爭力。
隨著“一帶一路”倡議的持續(xù)推進(jìn)，以及風(fēng)電、光伏等新能源的進(jìn)一步接入，柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展空間必將更為廣闊。以特高壓技術(shù)、柔性直流輸電為代表的電力設(shè)備制造業(yè)，有望成為繼高鐵和核電之后，中國制造拓展全球市場的“金名片”。
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【參考文獻(xiàn)】
1科技日報. 交流還是直流：特高壓輸電的“兩條路線”之爭[J]. 科技風(fēng), 2013,000(023):3-4.
2南方電網(wǎng)投資242.49億 世界首個特高壓多端混合直流輸電工程線路實現(xiàn)全線貫通，http://www.csg.cn/xwzx/2016/gsyw/201608/t20160829_142521.html
3一篇文章講透柔性直流和常規(guī)直流的區(qū)別，南網(wǎng)電氣工程師，
https://zhuanlan.zhihu.com/p/88133312?utm_source=qq
4世界首條特高壓多端直流示范工程：“昆柳龍直流工程”建設(shè)，
http://shupeidian.bjx.com.cn/news/20180515/897923.shtml
5我國柔性直流輸電技術(shù)成功中標(biāo)英國設(shè)得蘭工程
http://www.xinhuanet.com/energy/2017-06/16/c_1121154844.htm
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