23 ( 集成门极换流晶闸管 ) 等元件构成电压源型换流器 (VSC, Voltage Source Converter) 来进行直流输电自 2 0 世纪 9 0 年代后期, 以 A B B 公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电 (HVDC Light) 技术, 并成功应用于多个领域这种直流输

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22 Power and Electrical Engineers 特别策划高压直流输电技术创新与实践汤广福 1 直流输电技术概述人类对电力的应用和认识是从直流电开始的 1 8 6 6 年第一台直流发电机问世 ;1 8 7 9 年发明了电灯 ;1 8 8 2 年进行第一次直流输电试验, 首个直流供电系统 1.

1 22 Power and Electrical Engineers 特别策划高压直流输电技术创新与实践汤广福 1 直流输电技术概述人类对电力的应用和认识是从直流电开始的年第一台直流发电机问世 ; 年发明了电灯 ; 年进行第一次直流输电试验, 首个直流供电系统 1. 5 k V, 效率仅为 2 5% 直流输电逐渐凸显出电压变换功率提升困难电机有刷换相串联运行可靠性低等问题于是, 人们逐渐将目光转向交流输电 1 9 世纪 30 年代, 交流变压器问世 ;1891 年第一条高压交流输电线的效率达到 80%;1895 年美国尼亚加拉复合电力系统建成, 确立了交流输电的主导地位 ;20 世纪初, 交流技术开始迅速发展 1.1 交流输电技术的发展与挑战回顾历史, 交直流输电方式之争从 100 多年前就开始了多年来, 交流输电电压由最初的 13.8kV 逐步发展到和 1000kV 交流输电的优势也逐渐显现电压变换容易 ; 易于实现多落点受电 ; 电流存在自然过零点, 大电流开断易于实现随着广域交流大电网的形成, 交流电网的技术问题不断涌现, 世界范围内大电网事故不断发生, 如同步问题稳定性问题输电距离问题输电效率问题和输电走廊问题等相继出现, 使人们开始思考 : 交流输电系统是否是未来电能输送网络的主要技术手段? 随着风能太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大, 其固有的分散性间歇性小型性远离负荷中心等特点, 使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济海上钻探平台孤立小岛等无源负荷, 目前采用昂贵的本地发电装置, 既不经济, 又污染环境另外, 城市用电负荷的快速增加, 需要不断扩充电网的容量, 但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划, 一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能, 另一方面要求大量的配电网转入地下因此, 迫切需要采用更加灵活经济和环保的输电方式 1.2 现代直流输电技术的发展值得庆幸的是, 直流输电技术虽经历了换流元件的一系列的变革, 但从未淡出人们的视野年, 具有栅极控制能力的汞弧阀研制成功年, 世界上第一个采用汞弧阀直流输电工程在瑞典投入运行 1956 年, 美国贝尔实验室发明晶闸管 1972 年, 世界首个采用晶闸管阀的直流输电工程加拿大伊尔河背靠背直流输电系统建成 1997 年, 世界首条实验性工程在瑞典赫尔斯扬投运随着换流器技术的发展, 柔性直流输电工程的电压等级和容量迅速增大 ; 系统损耗和造价的不断降低, 极大地促进了柔性直流工程的应用随着电力电子器件和控制技术的发展, 换流站采用 IGBT ( 绝缘栅双极型晶体管 ) I G C T

2 23 ( 集成门极换流晶闸管 ) 等元件构成电压源型换流器 (VSC, Voltage Source Converter) 来进行直流输电自 2 0 世纪 9 0 年代后期, 以 A B B 公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电 (HVDC Light) 技术, 并成功应用于多个领域这种直流输电技术是采用基于可关断型器件的电压源型换流器和 PWM( 脉冲宽度调制 ) 技术进行直流输电从其技术特点和实际工程的运行来看, 很适用于可再生能源并网分布式发电并网孤岛供电城市电网供电异步交流电网互联等领域交流输电技术存在着一些无法克服的固有缺陷 ; 现代直流输电技术克服了交流输电技术的一些固有缺陷 ; 随着电力电子等技术的发展, 制约现代直流输电技术发展的主要技术难题, 有望在未来 3~10 年得到解决 1.3 中国电网发展面临的挑战在可预见的未来, 中国将存在大容量远距离输送电力的基本要求 2012 年, 全国年人均用电量为 3500kWh, 我国西电东送容量约 3.5 亿 kw 据预测, 如按照人均用电量翻一番达 7000kWh 计算 ( 为美国的 1 / 2), 则西电东送电力将超过 6.75 亿 kw, 因此迫切需要更大容量更远距离更高效率的输送手段未来的西电东送将由目前以水电和煤电为主的大容量远距离外送, 逐步转变为水电煤电大规模风电和荒漠太阳能电力外送并重这些大规模分散式接入, 对更加高效绿色和智能的输电技术, 以及可平抑系统功率波动和可靠接入的先进输配电智能化装备, 都提出了新的要求直流输电技术将成为未来的主力军 2 特高压直流输电技术未来 5 年, 中国将建成联接大型能源基地与主要负荷中心的三纵三横特高压交流骨干网架和 10 多条特高压直流输电工程, 构成电网的网架特高压输电线路总长将达 4 万 k m 而对于特高压直流输电, 国家电网公司有一个雄伟的规划, 即到 2030 年, 建成 2 7 条特高压输电线路, 届时将形成交直流协调发展的智能电网与交流输电相比, 在进行大规模远距离功率输送时, 同等电压水平的直流输电的输送容量更大输送距离更远单位容量造价和损耗更低, 技术水平要求也更高特高压直流输电是实现未来西电东送和大规模远距离洲际联网的有效手段目前, 特高压直流输电主要包括 ±800kV/5000A ±800kV/6250A 和 ±1100 kv/5000 A 几个等级 2.1 ±800kV 换流阀研发特高压直流输电中的核心装备包括直流换流阀换流变压器直流场设备等, 这些装备过去大都为国外跨国公司所垄断尤其是交直流电能转换的最核心的换流阀, 目前只有 ABB SIMENSE 和 Alstom3 家跨国公司具备自主研发能力特高压换流阀研发的关键技术, 包括 : 换流阀系统宽频建模及分布参数提取, 换流阀非线性组件协调配合及其优化设计技术, 特高压直流换流阀多物理场建模及其数值分析技术, 晶闸管智能化触发与监控技术, 换流阀系统绝缘配合与过电压保护策略, 特高压换流阀均压与屏蔽设计技术, 换流阀多源复合等效试验方法等国网智能电网研究院历经十余年的自主创新,6 年集中攻关, 依托重大科技项目和示范工程, 开展了换流阀的基础理论关键技术集成设计等研究, 完成了拥有自主知识产权的 ±800 kv/4750a 特高压直流换流阀研制, 并于 2010 年 8 月 15 日, 通过了国家能源局组织的技术成果鉴定 A5000 换流阀工程应用 2012 年 7 月 19 日, 国网智能电网研究院自主研发的 A5000 型 ±800kV 特高压直流换流阀设备在锦屏至苏南工程中正式投运截止目前, 换流阀运行平稳, 状态良好此外,A5000 型换流阀其他工程应用还有 : 哈郑工程哈密站极 I 换流阀溪浙工程双龙站极 II 换流阀宁东浙江 ±8 0 0 k V 特高压直流工程酒泉湖南 ±800kV 特高压直流工

3 24 Power and Electrical Engineers 特别策划程锡盟泰州 ±800kV 特高压直流工程等 2.2 ±1100kV 换流阀关键技术研究在国家 863 计划和国网公司重大科技项目的支撑下, 全面突破了 ± k V 特高压直流换流阀系列关键技术 2012 年, 国网智能电网研究院成功研制出世界首个 ±110 0 k V 特高压直流换流阀样机, 并通过型式试验实现了更高电压等级下的大杂散参数复杂系统非线性特征综合指标优化设计方法 ; 更高电压等级下的换流阀大电流多物理场耦合严酷应力分析设计方法和关键零部件研制 ; 更高电压等级下的换流阀系统强电磁骚扰特性分析计算及安全防护设计技术 ±1100 k V 换流阀样机试验结果恢复期正向暂态电压试验 66.3kV; 最大暂态运行电压 55.8kV; 长期过负荷电流 5367A; 故障电流峰值 50k A; 单阀操作冲击试验电压 k V; 二重阀操作冲击试验电压 k V 建成了准东重庆 ±1100kV/5000A 特高压直流工程 2.3 ±800kV/6250A 换流阀研制我国完成了 ±800kV/6250A 换流阀的可行性研究在现有 A5000 换流阀基础上, 攻克大电流工作条件下带来的系列难题预计年底完成样机研制, 并通过试验验证, 具备工程应用条件包括 : 大电流条件下晶闸管阻尼回路参数优化调整, 高杂散参数分析及其分布设计, 大电动力下阀塔抗震动分析, 低发热饱和电抗器及其高效冷却技术研发, 大电流试验方法与试验能力提升等建成了蒙西武汉 ±800kV/6250A 特高压直流工程 3 柔性直流输电技术 3.1 柔性直流输电发展现状柔性直流输电是基于全控型 IGBT 器件的新一代直流输电技术柔性直流输电在可再生能源并网城市电网扩容改造海岛互联偏远地区供电和多端网络构建等方面具有显著的优势, 是构建未来智能化输电网络的关键技术之一随着柔性直流输电工程造价和系统损耗的不断降低, 目前已经开始进入大规模实用化阶段自年以来, 柔性直流输电工程建设容量增长超过 10000MW 目前已建成最大柔性直流输电工程为 ±200kV 400MW 工程, 目前在建的最大柔性直流输电工程为 ±320kV MW 工程 3.2 世界柔性直流输电发展历程随着新型高压大功率可控关断电力电子器件, 如 I G B T G T O( 可关断晶闸管 ) I G C T 的不断涌现, 且额定电压电流的快速增长, 原来在中低压和小功率系统中广泛使用的基于脉宽调制 (P W M) 技术的新型换流技术已在输电领域得到部分应用, 并有可能取代相控换流技术, 其中基于电压源换流技术的柔性直流输电技术已较成熟年, 利用脉宽调制控制的 VSC 的直流输电概念首先由加拿大 McGill 大学的 Boon-Teck O o i 等人提出在此基础上,A B B 公司把 VS C 和聚合物电缆相结合提出了柔性直流输电的概念, 并于 1997 年 3 月在瑞典中部的赫尔斯杨和格兰斯堡之间进行了首次 HVDC light 工业试验该试验站的电压等级为 ±1 0 k V, 功率为 3MW, 输电距离为 10km, 分别连接到现有的 10 k V 交流电网中从此, 柔性直流输电作为一种新的输电技术开始进入大发展的商业应用阶段 1997 年第一条柔性直流输电工程的出现之后, 世界范围内关于柔性直流输电的研究一直处于十分活跃的状态目前, 国际上关于柔性直流输电的研究, 无论在工程实用化方面还是在基础理论方面研究都已比较深入这种以电压源换流器可关断器件和脉宽调制 (P W M) 技术为基础的新一代直流输电技术, 国际上电力方面的权威学术组织国际大电网会议 (Cigre) 和 IEEE, 将其正式称为 VSC HVDC, 即电压源换流器型直流输电而 A B B 公司则称之为轻型直流输电 (H V D C L i g h t), 并作为商标注册 ; 西门子公司则称之为 HVDC P l u s C I G R E 于前些年已经成立了专门研究 V S C H V D C 输电

4 25 的 B 工作组, 以推动柔性直流输电技术的发展该工作组已经完成了关于 V S C H V D C 输电的工作组研究报告 ; 另外, 国际大电网会议最近又成立了研究采用 VSC HVDC 将风电场接入电网的 B4-39 工作组针对实际工程中所遇到的困难, 国际上的研究热点包括如何提高柔性直流输电的容量降低输电损耗降低造价, 如何提高柔性直流输电的安全可靠性, 以及对交流电网的支持与交流电网相互作用等 3.3 我国柔性直流输电发展历程历时 6 年自主研发, 国网智能电网研究院全面掌握了柔性直流输电基础理论及工程关键技术 2006~2008 年, 国内首次建立了柔性直流输电技术研究的基础理论体系 2008~2011 年, 建设了亚洲首条柔性直流输电示范工程 ( 上海南汇 ) 2011~2012 年, 开展百兆瓦千兆瓦级柔性直流输电关键技术与工程前期研究 2011~2013 年, 开展大连跨海柔性直流输电和舟山五端柔性直流输电示范项目柔性直流关键技术研究柔性直流输电在可再生能源并网城市电网扩容改造海岛互联偏远地区供电和多端网络构建等方面具有显著的优势, 是构建未来智能化输电网络的关键技术之一国网智能电网研究院开发了高频可关断器件在高压大电流下纳秒级快速关断技术, 高强度电磁力热综合应力分析方法和优化设计技术 ; 开发了高频可关断器件阀的全功率交换式试验技术, 及用于大规模节点微秒纳秒级复杂控制系统的实时动态模拟仿真技术柔性直流换流阀试验装置年底, 国网智能电网研究院自主开发了柔性直流输电换流阀的全套型式和例行试验装置, 可满足最高 500kV 柔性直流换流阀 IEC 标准规定的试验需求上海柔性直流输电示范工程年 5 月初, 国网智能电网研究院承担设备研发和系统集成的上海南汇柔性直流输电示范工程正式投入试运行,7 月 2 5 日正式通过验收世界上第一条用于风电并网的模块化多电平柔性直流输电工程的实现, 标志着国网智能电网研究院成为世界上第三家具备柔性直流输电系统设备总成套能力的企业 3.4 高压大容量柔性直流输电核心设备研制年 3 月 5 日, 国网智能电网研究院研制出世界首套 1000MW/±320kV 柔性直流换流阀及阀基控制设备, 并通过了 KEMA 见证的全部型式试验和国家能源局组织的技术成果鉴定开发了基于纳秒级高速同步控制和组态化技术的换流站控制保护系统, 完成了在动态实时仿真系统上开展实验联调高压大容量柔性直流输电工程建设完成了示范工程技术方案设计并通过专家评审, 完成了换流站主电路接线主设备参数设计及技术规范制订, 完成了换流阀及阀基控制器等核心装备的研制并通过试验, 如大连柔性直流输电工程厦门柔性直流输电工程等 4 直流电网技术 4.1 直流电网概述直流电网是具有先进能源管理系统的智能化稳定的交直流混合广域传输网络, 在网络中不同客户端现有输电网络微电网和不同的电源都可以得到有效地管理优化监视控制, 并对任何问题作出及时响应它能够整合多个电源, 并以最小的损耗和最大的效率在较大范围内对电能进行传输和分配多端直流拥有若干抽头的直流母线, 没有网格冗余, 不是一个真正意义的网络 ; 需要依靠换流器来实现直流系统间的联系 ; 不具备冗余运行能力, 可靠性较低直流电网是具有网孔的输电系统, 每个站有多条传输线路 ; 换流站可以单独传输功率, 并可灵活改变传输状态 ; 拥有冗余, 可靠性较高 4.2 需要解决的关键技术需要解决的关键技术有 : 电网与设备标准化离线和实时仿真技术分布式协调控制技术广域测量及故障检测技术故障隔离与保护技术安全可靠性评估技术及核心设备研制等 CIGRE 已成立了 6 个与直流电网相关的工作组

5 26 Power and Electrical Engineers 特别策划 4.3 直流电网核心装备高压直流断路器直流系统中不存在自然过零点, 因此开断直流难度较大 ; 在开断直流电流后如何吸收直流系统中储存的 MJ 级的能量 ; 为避免故障扩散直流系统解列, 直流断路器需要微秒级动作及重合闸技术直流电网用高压 DC/DC 变换器直流电网各电压等级互联运行的必要基础 ; 数兆瓦至数十兆瓦级 DC/DC 变换器已成为目前直流电网的关键设备, 未来可能进一步扩展到数百兆瓦功能及要求 : 变比较高双向可控 ; 可连接不同类型的换流器 ; 直流系统极间功率平衡 ; 低损耗低造价体积小 ; 具有一定的故障电流耐受能力柔性直流电缆目前商用柔性直流电缆最高电压等级为 320kV; 未来 5 年内, 直流电缆的电压和容量等级将提升至 600kV/2400MW; 未来 10 年内, 直流电缆的电压和容量等级将达到 750kV/3000MW 5 直流输电技术应用前景直流输电技术的发展受到全世界瞩目 5.1 欧洲超级智能电网规划可再生能源分布式电源的增加, 致使输出功率波动加剧, 需要电力的大范围分配来平衡区域功率波动 ;2008 年欧洲提出超级智能化电网计划 (Super Grid), 旨在充分利用可再生能源的同时, 实现国家间电力交易和可再生能源地充分利用, 并且实现 20/20/20 目标, 即 CO 2 排放降低 20%; 能源利用效率提高 20%;20% 的电力消耗来自可再生能源超级电网建成之后, 有望解决可再生能源面临的最大问题, 即因天气变化而造成的供电不稳定问题如连接风能资源丰富的北海和波罗的海海域的风力发电场, 接入地中海丰富的太阳能发电站等项目 5.2 美国 2030 电网规划美国电网面临系统规模庞大可靠性低技术陈旧新能源利用率低等问题 ; 美国年发布创建海上风电产业的海上风电战略, 推动美国提出到年全国 80% 的电力来自可再生能源的目标在未来 20 年, 美国计划建设 60 多条柔性直流输电线路, 形成与现有交流电网并存的网架结构 5.3 英国海上风电联网规划英国为实现可再生能源的大规模开发利用, 提出了海上风电联网规划英国到 2025 年, 国家电网在东海岸和北海区域规划建设数十个大型海上风电场, 以及近 50 条柔性直流输电工程, 构成柔性直流输电网络 5.4 德国直流联网规划德国为了实现海上可再生能源的大规模开发利用, 以及陆上风电场之间的互联和能源分配, 也规划了大量的直流输电工程到 2020 年, 德国在北海上的直流输电工程将超过 20 个, 单个工程容量均在 900M W 及以上, 而德国本土的直流输电工程总容量将超过 5.2GW 5.5 我国直流电网建设规划未来的 10 年将是我国直流电网技术和建设快速发展的阶段, 强交强直的交直流互联电网将成为我国电网架构的基本形态特高压交直流输电技术仍将是解决我国远距离大容量电能输送问题的有效手段, 但对于我国区域性新能源并网和消纳问题, 多端直流和直流电网技术将是有效的补充我国在舟山五端柔性直流输电工程的基础上, 可分阶段开展直流电网工程的示范研究及应用第一阶段 : 目前舟山 5 端直流系统, 不存在冗余, 供电可靠性较低第二阶段 : 从容量最大的舟山换流站引出接线, 与洋山换流站相连, 同时将泗礁与衢山相连, 实现 5 端换流站首尾相连第三阶段 : 从容量最大的舟山换流站引出接线, 分别与泗礁和衢山换流站相连, 形成多冗余高可靠性的直流电网 6 结束语特高压交直流输电技术仍将是解决我国远距离大容量电能输送问题的有效手段, 但对于我国区域性新能源并网和消纳问题, 多端直流和直流电网技术

27 将是有效的补充未来的 10 年将是我国直流电网技术研发需求和建设的快速发展阶段, 强交强直的交直流互联电网将成为我国电网架构的基本形态随着可关断器件直流电缆制造水平的不断提高, 柔性直流输电将成为直流电网中最主要的输电方式预计在 5~10 年时间内, 世界范围内将有望建成以柔性直流为基础主干网为 500kV 及以上等级 10GW 及以上输送容量为主的区域性直流电网

6 27 将是有效的补充未来的 10 年将是我国直流电网技术研发需求和建设的快速发展阶段, 强交强直的交直流互联电网将成为我国电网架构的基本形态随着可关断器件直流电缆制造水平的不断提高, 柔性直流输电将成为直流电网中最主要的输电方式预计在 5~10 年时间内, 世界范围内将有望建成以柔性直流为基础主干网为 500kV 及以上等级 10GW 及以上输送容量为主的区域性直流电网作者简介汤广福, 教授级高工, 博士生导师现任国网智能电网研究院院长助理, 兼中电普瑞电力工程有限公司执行董事长期从事大功率电力电子技术应用于现代电力系统的研究和开发工作, 主持完成高压直流输电和灵活交流输电技术领域多个高端装备研制及重大科技示范工程建设, 取得了系列创新性研究成果获国家科技进步奖 2 次省部级科技进步奖 6 次, 获授权发明专利 60 多项, 其中中国专利金奖 1 次优秀奖 2 次 ; 编辑出版著作 3 部, 发表学术论文百余篇曾获中国优秀青年科技创新奖茅以升北京青年科技奖, 入选新世纪百千万人才工程国家级人选等 ; 曾任 CIGRE 高压直流和电力电子专委会委员, CIGRE SC B4 第 48 工作组召集人 ; 现任 CIGRE SC B4 战略顾问委员会成员,IEEE PES N. Hingorani FACTS 奖励委员会成员电力大数据应用现状及前景张沛 2 0 世纪 9 0 年代, 大数据概念被提出那时只是对一些在一定时间内无法用传统方法进行抓取管理和处理的数据的统称自年以来, 互联网数据以每年 50% 的速度增长, 人们开始意识到大数据时代的来临年 5 月, 麦肯锡全球研究机构发布报告大数据 : 创新竞争和生产力的下一个前沿领域, 使得大数据概念在计算机行业迅速火热起来年 1 月, 瑞士达沃斯论坛上大数据, 大影响 (Big Data,Big Impact) 报告称, 数据如同货币或黄金一样, 已成为一种新经济资产类别显然, 人们对大数据的关注度正在逐步提升 1 电力大数据的概念和特征当前, 大数据概念已基本达成共识, 但未形成统一定义麦肯锡认为, 大数据是无法在一定时间内用传统数据库软件工具对其内容进行抓取管理和处理的数据集合 ;Gartner 认为, 大数据是需要新处理模式才能具有更强的决策力洞察发现力和流程优化能力的海量高增长率和多样化的信息资产年 3 月, 中国电机工程学会针对目前电力企业和电力行业数据的状况, 发布了中国电力大数据发展白皮书电力行业的信息时代正处于关键转折点, 智能化变电站现场移动检修系统测控一体化系统 GIS 和智能化表计等的建设, 使

目录 2/25 直流输电技术专业进展及发展趋势一直流输电技术发展概览二直流输电技术进展三技术发展趋势及展望

目录 2/25 直流输电技术专业进展及发展趋势一直流输电技术发展概览二直流输电技术进展三技术发展趋势及展望 1 1/25 直流输电技术专业进展及发展趋势目录 2/25 直流输电技术专业进展及发展趋势一直流输电技术发展概览二直流输电技术进展三技术发展趋势及展望一直流输电技术发展概览目录 3/25 直流输电技术在世界范围内持续快速发展 ; 器件装置直流工程及运行技术不断取得重大进步, 理论研究与示范应用不断取得重大创新 ; 材料试验和仿真等基础技术不断取得重大突破直流输电技术是电网技术中最为活跃的领域之一

23 ( 集成门极换流晶闸管 ) 等元件构成电压源型换流器 (VSC, Voltage Source Converter) 来进行直流输电 自 2 0 世纪 9 0 年代后期, 以 A B B 公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电 (HVDC Light) 技术, 并成功应用于多个领域 这种直流输

23 ( 集成门极换流晶闸管 ) 等元件构成电压源型换流器 (VSC, Voltage Source Converter) 来进行直流输电自 2 0 世纪 9 0 年代后期, 以 A B B 公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电 (HVDC Light) 技术, 并成功应用于多个领域这种直流输