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?。然而，基于電壓源換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(yīng)用了一種全新的直流可控自恢復(fù)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(gè)換流器的串并聯(lián)即可達(dá)到與常規(guī)直流相同的輸送容量，電壓等級(jí)、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(yīng)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(shí)，送端換流站因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn)無法立即感知故障并立即減少輸送功率，這會(huì)導(dǎo)致受端VSC在幾十毫秒內(nèi)累積過量的盈余能量，進(jìn)而使受端VSC換流閥上產(chǎn)生超過設(shè)備耐受能力的過電壓，誘發(fā)系統(tǒng)閉鎖停運(yùn)，甚至損壞VSC換流閥。
也就是說，基于VSC的柔性直流工程每當(dāng)遭遇交流系統(tǒng)的幾十毫秒級(jí)短時(shí)故障時(shí)，就需要停運(yùn)系統(tǒng)，并待系統(tǒng)故障清除后再重新啟動(dòng)。這會(huì)在一段時(shí)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(shí)，直流系統(tǒng)不停運(yùn)且能正常穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)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(dòng)、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(yīng)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(shè)備分組多（需三相）、占地面積大、穩(wěn)態(tài)損耗大、投切過程時(shí)間長、功率盈余與耗能不匹配、交流電網(wǎng)擾動(dòng)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(shè)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(yīng)用于高電壓、大容量場景，仍存在全控型器件串聯(lián)級(jí)數(shù)多，均壓設(shè)計(jì)、控制策略復(fù)雜，造價(jià)過高等問題。
新型消能裝置研制成功并實(shí)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(jí)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(yīng)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(yùn)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(fù)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(jī)械快速開關(guān)）組成。正常運(yùn)行時(shí)，觸發(fā)開關(guān)打開，直流可控自恢復(fù)消能裝置整體接入系統(tǒng)；發(fā)生故障時(shí)，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(fù)正常運(yùn)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(fù)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(jí)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(fù)消能裝置僅需機(jī)械開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)控制功能，大幅降低了工程造價(jià)，同時(shí)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(fù)消能裝置成套設(shè)計(jì)。這項(xiàng)研究提出了直流可控自恢復(fù)消能裝置的拓?fù)鋮?shù)設(shè)計(jì)方法與直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制保護(hù)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(jī)械快速開關(guān)、間隙開關(guān)等關(guān)鍵設(shè)備的可靠性難題，首次提出了驗(yàn)證大容量消能裝置的等效試驗(yàn)方法。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)方案。最終，樣機(jī)型式試驗(yàn)通過。2020年，±400千伏直流可控自恢復(fù)消能裝置研制成功，合閘時(shí)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(biāo)幺值（p.u.）以下。相關(guān)單位分別中標(biāo)白鶴灘—江蘇特高壓直流工程受端兩極的直流可控自恢復(fù)消能裝置，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到工程產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。
推廣應(yīng)用前景廣闊，有助于提升新能源消納能力
直流可控自恢復(fù)消能裝置可推廣應(yīng)用于未來新能源送出場景下受端暫時(shí)故障、海上風(fēng)電柔性直流送出、柔性直流遠(yuǎn)距離互聯(lián)功率互濟(jì)等場景。
● 海上風(fēng)電送出岸上交流系統(tǒng)故障時(shí)消納盈余功率
海上風(fēng)電送出的陸上交流系統(tǒng)采用架空線，需要考慮暫時(shí)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(zhǔn)確調(diào)節(jié)，直流側(cè)將形成過電壓，造成系統(tǒng)閉鎖，會(huì)引起新能源機(jī)組脫網(wǎng)，系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)暫時(shí)性故障穿越，降低能量可用率。應(yīng)用直流可控自恢復(fù)消能裝置后，海上風(fēng)電柔直送出的岸上交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，裝置可以有效消納海上風(fēng)電場的盈余能量，確保新能源系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和海上風(fēng)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(shí)，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(shè)備和系統(tǒng)安全。如果送端電網(wǎng)接入大規(guī)模新能源機(jī)組，過電壓可能引發(fā)換流站近區(qū)新能源機(jī)組因高電壓而大面積脫網(wǎng)。
適當(dāng)改造直流可控自恢復(fù)消能裝置，并通過集中或分散方式應(yīng)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(jī)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(fù)消能裝置推廣應(yīng)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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