李英彪，梁軍，吳廣祿，李根

（1．電網(wǎng)安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司)，北京市 海淀區(qū) 100192；2．卡迪夫大學(xué)，卡迪夫 CF24 3AA，英國(guó)）

0 引言

化石能源的日益枯竭以及因化石能源使用帶來的環(huán)境問題，迫切需要世界各國(guó)進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整。加快新能源的開發(fā)和利用是解決這些問題的有效途徑。近年來，歐洲各國(guó)和美國(guó)等國(guó)家和地區(qū)新能源發(fā)展迅速，根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，至2030年歐盟國(guó)家風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)3.2億kW，其中陸上風(fēng)電2.54億kW，海上風(fēng)電0.66億kW[1]。近5年間我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)從2010年的0.86 GW增長(zhǎng)到2017年3月的84.63 GW，增幅將近100倍。2016年，我國(guó)全年新增風(fēng)電裝機(jī)19.3 GW，同比下降41.46%；累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到148.64 GW，同比增長(zhǎng)14.92%[2]。從世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展來看，風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模越來越大，并且距離負(fù)荷中心的距離越來越遠(yuǎn)，使得交流輸電的適用性越來越差?；陔妷涸葱蛽Q流器的高壓直流(voltage sourced converter high voltage direct current，VSC-HVDC)輸電技術(shù)不存在換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)，有功功率和無功功率可以解耦控制，且可以向無源系統(tǒng)供電，新能源機(jī)組可以直接通過柔直并網(wǎng)[3-4]，因此被更多的用于世界各國(guó)新能源發(fā)電及直流電網(wǎng)建設(shè)中[5]。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代化城鎮(zhèn)對(duì)供電系統(tǒng)的電源建設(shè)和線路走廊的制約逐漸增多，交流配電網(wǎng)的供電能力受走廊緊張等多方面因素的制約，現(xiàn)有交流配電網(wǎng)輸送容量提升困難。目前的交流配電網(wǎng)存在老化的問題，對(duì)現(xiàn)有交流配電網(wǎng)升級(jí)改造成本較高。同時(shí)，近幾年分布式電源的發(fā)展，大量的分布式風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入配電系統(tǒng)。我國(guó)政府正在大力推進(jìn)屋頂分布式光伏發(fā)電，在《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中計(jì)劃到2020年建成100個(gè)分布式光伏應(yīng)用示范區(qū)，園區(qū)內(nèi)80%的新建建筑屋頂、50%的已有建筑屋頂安裝光伏發(fā)電。在中東部等有條件的地區(qū)，開展“人人 1 kW光伏”示范工程，建設(shè)光伏小鎮(zhèn)和光伏新村。鼓勵(lì)光伏發(fā)電項(xiàng)目靠近電力負(fù)荷建設(shè)，接入中低壓配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電力就近消納。負(fù)荷側(cè)出現(xiàn)了大量的電力電子設(shè)備，越來越多的低壓用電設(shè)備都要經(jīng)過整流裝置將交流電變換成直流電供給負(fù)載使用，如電腦、液晶電視、電子鎮(zhèn)流器熒光燈、打印機(jī)等辦公設(shè)備、變頻調(diào)速空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱等家電，導(dǎo)致大量諧波電流注入系統(tǒng)，而且分布式發(fā)電和直流負(fù)荷的間歇性，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。這都給現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)和供電系統(tǒng)帶來了極大的挑戰(zhàn)。而直流配電網(wǎng)和直流低壓供電系統(tǒng)能夠更好地解決上述問題。

本文首先介紹歐美和我國(guó)在高壓直流輸電技術(shù)、中壓直流配電系統(tǒng)和低壓直流供電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)討論不同等級(jí)直流電力技術(shù)的不同應(yīng)用場(chǎng)景，以及在關(guān)鍵設(shè)備、運(yùn)行控制和保護(hù)等方面面臨的挑戰(zhàn)。

1 高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

1.1 歐美高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展

1.1.1 英國(guó)高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展

英國(guó)已經(jīng)成為世界海上風(fēng)電最大開發(fā)市場(chǎng)，目前英國(guó)海上風(fēng)電已占電力供應(yīng)量的 5%以上，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到10%[6]。此外，英國(guó)還計(jì)劃新建多條高壓直流項(xiàng)目以增加與其他國(guó)家電網(wǎng)的互聯(lián)，進(jìn)而提高能源利用效率、平抑大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)帶來的波動(dòng)問題、提高供電安全性。未來英國(guó)還將參與到歐洲超級(jí)電網(wǎng)的建設(shè)當(dāng)中。

為了系統(tǒng)地開發(fā)海上風(fēng)電，英國(guó)采取“區(qū)域劃分”的方式進(jìn)行階段性開發(fā)，分別于2000年、2003年及2009年公布3階段海上風(fēng)電開發(fā)計(jì)劃，并分別于 2001年、2003年及 2010年正式啟動(dòng)[7-10]。前 2個(gè)階段的近海風(fēng)電場(chǎng)采用高壓交流輸電技術(shù)將風(fēng)能輸送至岸上主網(wǎng)接入點(diǎn)。但隨著海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模和容量的增長(zhǎng)，海上風(fēng)電場(chǎng)的選址將離海岸線越來越遠(yuǎn)，以獲取更大、更平穩(wěn)的風(fēng)能。但是當(dāng)輸電距離超過 50～70 km后[11]，由于受到電纜充電電容的限制，交流海底電纜將不再適用于遠(yuǎn)距離電能的傳輸。而高壓直流輸電技術(shù)卻不受這一限制，因此大規(guī)模、遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能傳輸將采用高壓直流輸電技術(shù)。

英國(guó)政府還將新建多條高壓直流輸電線路來與其他國(guó)家或地區(qū)的電網(wǎng)互聯(lián)，如圖1所示。據(jù)政府估計(jì)，到2020年，電網(wǎng)互聯(lián)方面的投資將超過50億英鎊，長(zhǎng)期來看，這方面投資所獲收益將會(huì)為英國(guó)消費(fèi)者節(jié)省約 90億英鎊[12-13]。電網(wǎng)互聯(lián)的意義在于提高供電安全性和能源利用率，并且可以平抑大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)所帶來的波動(dòng)性問題。為了滿足電力需求，水力發(fā)電是對(duì)太陽能和風(fēng)能電力供應(yīng)模式不可預(yù)測(cè)性的一種理想平衡方式。

圖1 英國(guó)現(xiàn)有聯(lián)接及未來電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)劃Fig. 1 Existing connectivity and future grid interconnection planning in UK

挪威的供電量幾乎全部來自水力發(fā)電，英國(guó)和挪威的 VSC-HVDC互聯(lián)線路可以在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)潮流反向，當(dāng)英國(guó)的風(fēng)電出力變低時(shí)，挪威的水電機(jī)組可以將功率送至英國(guó)；當(dāng)英國(guó)的負(fù)荷低于風(fēng)電出力時(shí)，英國(guó)可以將多余功率送至挪威的抽水蓄能電站，將電能存儲(chǔ)起來。挪威的VSC-HVDC互聯(lián)線路對(duì)提高新能源消納能力，平抑新能源接入電網(wǎng)所帶來的波動(dòng)性問題起到積極的作用。

1.1.2 德國(guó)高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展

德國(guó)政府于2010年提出“能源概念”(Energy Concept)的政策，公布了其短、中、長(zhǎng)期能源政策的發(fā)展目標(biāo)：可再生能源發(fā)電占比于 2020 年、2030 年、2040 年及2050 年，分別達(dá)到35%，50%，65%及 80%[14]。在政府、企業(yè)及民間的大力推動(dòng)下，德國(guó)的可再生能源在整體能源使用中占比顯著提高，在2015年滿足德國(guó)將近三分之一的電力需求[15]，降低了碳減排，帶動(dòng)了綠能產(chǎn)業(yè)就業(yè)。

德國(guó)政府計(jì)劃到2020年，在北部地區(qū)修建裝機(jī)容量高達(dá)3 000萬kW的風(fēng)電場(chǎng)[16]。然而，德國(guó)的電力用戶主要分布在南部地區(qū)，負(fù)荷中心和電源中心的距離越來越大，德國(guó)以前的發(fā)電方式是按負(fù)荷需求發(fā)電的中心發(fā)電模式[17]，德國(guó)所面臨的問題是如何將北部地區(qū)的可再生能源發(fā)電輸送到南部地區(qū)，如圖2[17]所示。

圖2 德國(guó)的能源、負(fù)荷分布Fig. 2 Energy, load distribution in Germany

此外，隨著可再生能源占比逐漸提高，可再生能源接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)所帶來的波動(dòng)性問題對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)，需要通過興建遠(yuǎn)距離輸電線路來實(shí)現(xiàn)電能的全區(qū)域平衡。因此，德國(guó)政府正在努力對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行改造從而滿足對(duì)電能傳輸和可再生能源的發(fā)電需求。德國(guó)北部海域已經(jīng)建成多個(gè)采用 VSC-HVDC技術(shù)的海上風(fēng)電項(xiàng)目，已完成新能源功率的傳輸[18]。

在輸電走廊寬度相同的情況下，高壓直流輸電的容量相當(dāng)于交流輸電線路的 2、3倍[16]?，F(xiàn)有的高壓交流輸電線路也可以改造成容量更大的帶有高壓直流輸電線路的混合式交直流輸電線路。德國(guó)的輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商已提出 4條基于VSC-HVDC的高壓直流輸電線路(沿3條通道)，將會(huì)跨越該國(guó)的交流電網(wǎng)，將北部風(fēng)電輸送至依賴核電的南部。德國(guó)電網(wǎng)的2025年規(guī)劃提出一種規(guī)劃方案(B1 2025)[19]，在該方案中，4條高壓直流輸電線路將利用現(xiàn)有輸電線路，實(shí)現(xiàn)交流和直流的同桿輸送，換流器采用西門子公司的全橋模塊化多電平換流器技術(shù)(modular multilevel converter，MMC)。此外，為了提高供電可靠性和能源利用率，德國(guó)還在規(guī)劃建設(shè)與其他國(guó)家互聯(lián)的高壓直流輸電線路。

1.1.3 歐洲超級(jí)電網(wǎng)的發(fā)展

由于交流輸電網(wǎng)中功率的跨界流動(dòng)越來越難以控制，而 VSC-HVDC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的功率傳輸，并且兼具經(jīng)濟(jì)性和靈活性，因此出現(xiàn)了對(duì)基于 VSC-HVDC技術(shù)的直流電網(wǎng)的需求。建設(shè)一個(gè)歐洲的“超級(jí)電網(wǎng)”更容易協(xié)調(diào)分布廣泛的可再生能源與負(fù)荷，而且要比逐一改造各國(guó)的輸電網(wǎng)更經(jīng)濟(jì)。超級(jí)電網(wǎng)之友(Friends of Supergrid)對(duì)歐洲超級(jí)電網(wǎng)的定義為：“以完善歐洲電力市場(chǎng)為目的，促進(jìn)大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能供需平衡與傳輸?shù)姆簹W洲輸電網(wǎng)絡(luò)”[20]。其實(shí)質(zhì)是由多個(gè)換流站和多條直流電線路構(gòu)成的、具有冗余性及故障快速隔離功能的大型輸電系統(tǒng)。其主要基于VSC-HVDC，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)靈活調(diào)度，快速故障響應(yīng)，多電源供電，多落點(diǎn)受電的新型輸電方式。為此，許多國(guó)際組織及項(xiàng)目都在為建設(shè)歐洲大型直流輸電網(wǎng)探索技術(shù)及政策上的可行性。

把現(xiàn)有和新建的直流輸電系統(tǒng)互聯(lián)，并與現(xiàn)有交流輸電網(wǎng)絡(luò)緊密相連，組成大規(guī)模的交直流輸電系統(tǒng)是未來電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。直流電網(wǎng)還應(yīng)具有先進(jìn)的能源管理系統(tǒng)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不同的客戶端、輸電線路、微電網(wǎng)和不同的電源都可以得到有效地管理、優(yōu)化、監(jiān)控、控制和對(duì)任何電力問題進(jìn)行及時(shí)的響應(yīng)，能夠整合多個(gè)電源，以較小的損耗在數(shù)千km范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和分配。

1.1.4 美國(guó)高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展

美國(guó)具備豐富的可再生能源，據(jù)統(tǒng)計(jì)美國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)備大約為現(xiàn)需電量的 10倍[21]。可再生能源多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，高壓直流輸電技術(shù)因其傳輸功率大、傳輸距離遠(yuǎn)成為可再生能源的主要傳輸手段。目前，美國(guó)投入運(yùn)行的高壓直流輸電線路共計(jì)10條左右。其中高壓直流輸電主要用于水電、煤電傳輸以及城市互濟(jì)。本著就近原則，美國(guó)將繼續(xù)開發(fā)北部水電以滿足東北部負(fù)載需求，如新英格蘭高壓直流傳輸線路；海上風(fēng)電的快速發(fā)展促使美國(guó)將建立以滿足沿海負(fù)載中心電力需求的高壓直流輸電系統(tǒng)，如亞特蘭大高壓直流輸電線路；內(nèi)陸地區(qū)將建立以大平原為中心分散到全國(guó)主要負(fù)載中心的高壓直流輸電線路，用于利用中部大平原地區(qū)持續(xù)增長(zhǎng)的可再生能源，共包含 5條直流輸電線路：西南部輸電線路，西部輸電線路，東部輸電線路，東南部輸電線路，東北部輸電線路。

圖3 張北柔直電網(wǎng)Fig. 3 Zhangbei DC grid

1.2 我國(guó)高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展

國(guó)內(nèi)在柔性直流輸電工程應(yīng)用方面起步較晚。2011年7月上海南匯投運(yùn)了中國(guó)第一條柔性直流輸電示范工程，標(biāo)志著中國(guó)在柔性直流輸電技術(shù)和工程應(yīng)用方面實(shí)現(xiàn)了大跨步式發(fā)展。截止目前，我國(guó)已經(jīng)建成5條柔性直流輸電工程。

目前在建的張北柔性直流電網(wǎng)試驗(yàn)示范工程是世界上第一個(gè)±500 kV直流電網(wǎng)，將首次實(shí)現(xiàn)500 kV直流斷路器等關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)的示范應(yīng)用，并首次采用環(huán)形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種可再生能源經(jīng)柔直電網(wǎng)并入華北電網(wǎng)。張北柔直電網(wǎng)工程換流站將采用雙極模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)，直流線路將采用架空線，見圖3[22]。

在西電東送容量占西部總量40%的情景下預(yù)計(jì)2030年西電東送電力容量4.41億kW，且近年西部地區(qū)的電力消納問題已經(jīng)凸顯，未來西部地區(qū)的電力消納方式應(yīng)是本地消納與互聯(lián)外送相結(jié)合的方式。互聯(lián)外送在滿足西部廣大地區(qū)電力供應(yīng)的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、火電、太陽能發(fā)電、水電等多種能源間的互補(bǔ)、互濟(jì)，減少棄風(fēng)、棄光率，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在外送方式選擇上，由于輸電距離一般在1 000 km以上，高壓直流輸電相比交流輸電具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.3 直流電網(wǎng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

直流電網(wǎng)建設(shè)還面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如直流電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的研制、直流電網(wǎng)仿真分析技術(shù)、直流電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度控制技術(shù)、直流電網(wǎng)的保護(hù)、直流電網(wǎng)建設(shè)政策支持及標(biāo)準(zhǔn)體系等[4]。

1.3.1 直流電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備

1）直流電纜。

當(dāng)前 VSC-HVDC的容量不僅受制于絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的容量及絕緣要求，同樣受制于高壓直流電纜的電壓等級(jí)。直流電纜電場(chǎng)分布與材料的電阻率成正比分配，并且絕緣電阻率一般隨溫度呈指數(shù)變化，這將在電纜的絕緣中形成空間電荷，從而影響電場(chǎng)分布，聚合物絕緣有大量的局部態(tài)，空間電荷效應(yīng)比較嚴(yán)重，因此，直流電纜絕緣料的空間電荷特性是制約直流電纜絕緣材料發(fā)展的重要因素[23-24]。

截止目前，擠出型高壓直流電纜耐壓水平已達(dá)到600 kV，浸漬紙絕緣電纜也已達(dá)到700 kV[25]。未來發(fā)展更大容量的直流電網(wǎng)，還需研制更高電壓等級(jí)的高壓直流電纜。

2）直流斷路器。

當(dāng)直流線路發(fā)生短路故障后，由于直流阻抗較小，短路電流發(fā)展迅速，為了防止直流側(cè)短路電流過大，需要在故障后 3～5 ms切除故障[26]，這比交流系統(tǒng)斷路器切斷時(shí)間提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，若采用交流斷路器或全橋多電平加快速隔離開關(guān)需100～200 ms，斷電容量太大。

直流斷路器可以分為機(jī)械式直流斷路器、基于晶閘管的混合式斷路器和基于IGBT的混合式斷路器。機(jī)械式直流斷路器在成本上具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是在系統(tǒng)應(yīng)用方面面臨的問題較多，主要包括使用壽命、小電流下可靠關(guān)斷等。基于晶閘管的混合式斷路器成本較低，但是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。基于IGBT 的混合式直流斷路器換流原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并首先實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，但成本仍較高。高壓直流斷路器技術(shù)的發(fā)展和推廣，需要進(jìn)一步對(duì)斷路器支路間換流方式，雜散參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，斷路器與系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合以及斷路器試驗(yàn)技術(shù)等方面開展研究[27]。目前，ABB公司于2011年研制了基于IGBT直接串聯(lián)的混合式直流斷路器樣機(jī)，分?jǐn)嗄芰?0 kV/3ms分?jǐn)?.5 kA。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院于2014年完成了200 kV/3ms分?jǐn)?5 kA的級(jí)聯(lián)全橋型混合式直流斷路器樣機(jī)研制[28]，并于 2016年實(shí)現(xiàn)高壓直流斷路器首個(gè)工程示范。2017年1月，南瑞繼保公司自主研制的世界首臺(tái)±500 kV高壓直流斷路器已完成各項(xiàng)型式試驗(yàn)項(xiàng)目。該斷路器可在3 ms內(nèi)開斷25 kA直流電流，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。2018年1月3日，由華中科技大學(xué)電氣學(xué)院潘垣院士、何俊佳教授牽頭，袁召、陳立學(xué)、李黎團(tuán)隊(duì)聯(lián)合思源電氣共同研制的世界首臺(tái)機(jī)械式高壓直流斷路器在南方電網(wǎng) 160 kV廣東汕頭南澳多端柔性直流輸電系統(tǒng)成功投運(yùn)。

3）直流變壓器。

直流電壓器可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的直流輸電的互聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)靈活的控制，并且有利于降低輸電損耗、提升系統(tǒng)可靠性與系統(tǒng)優(yōu)化。高壓直流輸電電壓等級(jí)高，現(xiàn)有開關(guān)管的耐壓水平無法滿足如此高的電壓要求，導(dǎo)致原有的 DC-DC變換器拓?fù)錈o法滿足工程需求。目前研究最多的是基于MMC的直流變壓器結(jié)構(gòu)[29-31]。DC/DC變壓器的研制，目前仍處于拓?fù)溲芯俊⒃順訖C(jī)研發(fā)階段。2017年，西門子為高壓直流傳輸系統(tǒng)開發(fā)和制造的世界上第一臺(tái)高壓變壓器通過了型式試驗(yàn)，最高傳輸電壓為±1 100 kV[32]。同年，由ABB與國(guó)家電網(wǎng)公司共同開發(fā)和生產(chǎn)，高端和低端變壓器在內(nèi)的全球最大功率1 100 kV特高壓直流變壓器測(cè)試成功[33]。

1.3.2 直流電網(wǎng)的保護(hù)

直流電網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)非常小，比交流電網(wǎng)要小至少2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)于直流電網(wǎng)的調(diào)度、控制系統(tǒng)而言是個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，換流站之間的協(xié)調(diào)控制是系統(tǒng)面臨故障時(shí)能否及時(shí)提供輔助服務(wù)和保持穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，系統(tǒng)控制的復(fù)雜性也將隨著直流電網(wǎng)中終端數(shù)量的增多而增加[34]。

目前阻礙直流電網(wǎng)發(fā)展和運(yùn)行的主要技術(shù)困難在于直流電網(wǎng)的保護(hù)，其中包括經(jīng)濟(jì)、可靠的直流斷路器及直流繼電保護(hù)算法的開發(fā)。由于直流電網(wǎng)是一個(gè)“低慣量”系統(tǒng)，若發(fā)生直流故障將瞬間影響到整個(gè)直流電網(wǎng)，因此對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求很高。與交流系統(tǒng)保護(hù)相比，直流電網(wǎng)保護(hù)的困難和挑戰(zhàn)在于：在直流線路發(fā)生短路故障時(shí)，所有換流站均向故障短路點(diǎn)注入故障電流，與該直流電網(wǎng)相聯(lián)的各交流系統(tǒng)均會(huì)受到影響；直流線路的阻抗小，故障電流上升極快，要求保護(hù)動(dòng)作應(yīng)在幾個(gè) ms內(nèi)完成；直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，整個(gè)系統(tǒng)電壓急速下降，可能失去供電能力，故障需要盡快隔離，以確保與之相聯(lián)的交流系統(tǒng)穩(wěn)定性。需要進(jìn)一步開發(fā)直流電網(wǎng)保護(hù)控制策略，尤其要開發(fā)對(duì)于含有遠(yuǎn)距離架空線路的直流電網(wǎng)保護(hù)策略，由于長(zhǎng)距離架空線路運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)各種暫態(tài)故障，直流保護(hù)系統(tǒng)要具備判別暫態(tài)故障及永久性故障的能力，由于直流電網(wǎng)的“低慣量”特性，架空線的暫態(tài)故障給直流電網(wǎng)保護(hù)帶來了挑戰(zhàn)。

1.3.3 直流電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則

現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的直流電網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)導(dǎo)則。如果不能盡早的提出得到廣泛認(rèn)可的直流電網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將導(dǎo)致未來出現(xiàn)不同時(shí)期建設(shè)的電網(wǎng)或不同供應(yīng)商之間的設(shè)備不能很好互聯(lián)等問題。所以，相關(guān)行業(yè)或組織要積極推進(jìn)直流電網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

目前，各相關(guān)機(jī)構(gòu)正在積極籌備有關(guān)直流電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和并網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)則。國(guó)際大電網(wǎng)組織，歐洲電氣委員會(huì)，國(guó)際電工委員會(huì)、歐洲輸電運(yùn)營(yíng)商協(xié)會(huì)都設(shè)立了專題組來研究直流電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。歐洲輸電運(yùn)營(yíng)商協(xié)會(huì)在2016年9月發(fā)布了最新的高壓直流輸電技術(shù)運(yùn)行規(guī)程[35]，旨在對(duì)高壓直流輸電運(yùn)營(yíng)商，直流連接工程運(yùn)營(yíng)商，系統(tǒng)運(yùn)行人員和監(jiān)管機(jī)構(gòu)提出明確的要求。用以促進(jìn)行業(yè)規(guī)范的統(tǒng)一，運(yùn)營(yíng)商之間的有效競(jìng)爭(zhēng)，內(nèi)部電力市場(chǎng)的有效運(yùn)作以及確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 中壓直流配電系統(tǒng)發(fā)展與挑戰(zhàn)

隨著城市規(guī)模的迅速增長(zhǎng)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，電網(wǎng)中的敏感負(fù)荷、重要負(fù)荷及非線性負(fù)荷越來越多?，F(xiàn)有交流配電網(wǎng)將面臨線路損耗大、供電走廊緊張，以及電壓瞬時(shí)跌落、電壓波動(dòng)、電網(wǎng)諧波、三相不平衡現(xiàn)象加劇等一系列電能質(zhì)量問題，迫切需要改變現(xiàn)有的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和配(供)電方式[36-37]。而直流配電網(wǎng)輸送容量、系統(tǒng)可控性以及供電質(zhì)量方面具有更加優(yōu)越的性能，可以有效降低電力電子變換器的使用頻率，提高供電質(zhì)量，充分協(xié)調(diào)分布式電源、多樣性負(fù)荷與電網(wǎng)之間的矛盾，發(fā)揮分布式能源的價(jià)值[36]。目前的中壓直流電力系統(tǒng)主要應(yīng)用在鐵路供電系統(tǒng)[38]、飛機(jī)電力系統(tǒng)[39]和船舶電力系統(tǒng)[40]中。

2.1 中壓直流配電系統(tǒng)的發(fā)展

英國(guó)Angle中壓直流配電工程是歐洲第一條中壓直流配電工程(見圖4)，同樣，也是第一次嘗試由交流 33 kV運(yùn)行改為直流±27 kV運(yùn)行的案例。安格爾西和北威爾士2個(gè)電網(wǎng)之間原本通過交流電纜連接，但是安格爾西地區(qū)的用電量和新能源發(fā)電量在逐年增加，預(yù)計(jì)到2023年用電需求將達(dá)到85 MW。此外，所連接的新能源機(jī)組將達(dá)到150 MW左右。原來的交流輸電線路已經(jīng)接近熱穩(wěn)上限，而且新能源機(jī)組的接入也給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)帶來了穩(wěn)定性問題[41-42]。因此，英國(guó)電網(wǎng)將安格爾西和北威爾士之間的交流輸電通道改造成了一個(gè)直流輸電走廊，如圖 4[42]所示。這在資本和運(yùn)營(yíng)效益方面對(duì)兩地的配電網(wǎng)都帶來了極大的好處。另外，由于柔性直流輸電的靈活性，它還將可以通過控制功率流和調(diào)節(jié)電路兩端的電壓來為兩地的交流配電網(wǎng)提供輔助控制。

圖4 Angle直流工程示意圖Fig. 4 Angle DC network schematic

在輸電線路改造過程中，將其中的一條三相電纜作為正極，另外的一條三相電纜作為負(fù)極運(yùn)行。而且輸電線路中存在一小段架空線。改造后直流輸電工程額定電壓為±27 kV，電流為556 A，輸送容量為30.5 MW，相比于原來的采用交流輸電、輸電容量的24.8 MW，上升了23%。

國(guó)內(nèi)第一套柔性直流配電系統(tǒng)于 2011年 3月21日在中海油文昌作業(yè)區(qū)通過系統(tǒng)試驗(yàn)，已投入運(yùn)行。最初運(yùn)行時(shí)，中海油文昌作業(yè)區(qū)19-1平臺(tái)與15-1平臺(tái)之間通過40 km的電纜相連，采用交流輸電，該電纜額定電壓 35 kV，傳輸容量3 MW。受過往船只的損壞，導(dǎo)致三相電纜一相破損[43]，由于修復(fù)電纜所需費(fèi)用昂貴，用戶決定將原來的交流35 kV交流電纜改為10 kV直流運(yùn)行，在19-1平臺(tái)和15-1平臺(tái)建VSC-HVDC 換流站，構(gòu)建柔性直流輸電系統(tǒng)。其中無故障相作為柔性直流輸電正負(fù)極，故障相作為接地線來使用，如圖5[44]所示。VSC電壓±10 kV，其最大的額定電壓和電流可以達(dá)到±20 kV和300 A，是交流輸電容量的4倍。通過該實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可以看出，將交流配網(wǎng)電纜線路改為直流運(yùn)行，可以有效地進(jìn)行增容改造，在對(duì)故障線路進(jìn)行改造時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。

圖5 電纜線路的直流運(yùn)行方案圖Fig. 5 DC operation scheme of the cable circuit

2.2 中壓直流配電系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

中壓直流輸電形成的直流配電系統(tǒng)缺少成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前運(yùn)行的中壓直流配電系統(tǒng)主要面對(duì)的是鐵路系統(tǒng)和艦船等特殊領(lǐng)域。直流配電網(wǎng)的建設(shè)還面臨著諸多挑戰(zhàn)。

2.2.1 電壓等級(jí)的選擇

直流配電網(wǎng)尚未有明確的電壓等級(jí)序列，將交流配電網(wǎng)改造成直流配電網(wǎng)時(shí)[44]，直流電纜允許電壓為交流額定電壓的峰值[45]。將交流配電網(wǎng)改造成直流配電網(wǎng)，需要考慮電磁干擾，交流材料的直流應(yīng)力，絕緣子直流漏電，直流絕緣子污穢比交流嚴(yán)重，材料的極化老化等諸多問題[46-47]。同時(shí)，直流配電網(wǎng)電壓等級(jí)過高時(shí)存在較大的安全問題，電壓過低時(shí)又會(huì)加大壓降、功率的損耗。電壓等級(jí)的選取還會(huì)影響到系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)備選取和系統(tǒng)運(yùn)行等多方面。國(guó)際大電網(wǎng)組織SC6.31報(bào)告中確定了中壓直流配電電壓等級(jí)序列為 1.5～100 kV。有學(xué)者提出了±100 kV，±50 kV，±20 kV，±10 kV，1.5 kV，750 V，400 V，110 V和48 V 的直流配電電壓等級(jí)序列，可作為配電網(wǎng)規(guī)劃階段的參考[48]。但是直流配電網(wǎng)電壓等級(jí)選取的方法，截止目前依然沒有定論。

2.2.2 運(yùn)行控制技術(shù)

中壓直流配電網(wǎng)中存在多類分布式電源、多類型負(fù)荷，AC/DC、DC/AC和DC/DC變換器種類和數(shù)量均較多，且配電網(wǎng)具有一定地域性，各設(shè)備之間通過遠(yuǎn)距離輸電線路連接，無法忽略網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的影響，其穩(wěn)定性問題具有自身的特點(diǎn)，是直流配電網(wǎng)運(yùn)行控制的關(guān)鍵技術(shù)問題，需要深入研究[37]。

直流配電網(wǎng)的控制可以分為系統(tǒng)級(jí)、微網(wǎng)級(jí)和單元級(jí)3個(gè)層次，分別針對(duì)配電網(wǎng)調(diào)度層次、直流母線層次和電力電子變換器層次的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制[49]。

2.2.3 直流配電網(wǎng)的保護(hù)與關(guān)鍵設(shè)備

與高壓直流輸電技術(shù)類似，直流配電網(wǎng)故障后保護(hù)是制約直流配電網(wǎng)發(fā)展的主要問題。同樣，直流配電網(wǎng)故障發(fā)展迅速，需要在故障后幾 ms內(nèi)將故障隔離，這對(duì)故障后的故障識(shí)別與隔離提出了更高的要求。另外，直流斷路器、直流變壓器和直流開關(guān)接插件等設(shè)備的開發(fā)和研制也在很大程度上制約了直流配電網(wǎng)的發(fā)展。

3 低壓直流供電系統(tǒng)發(fā)展與挑戰(zhàn)

近些年，電源側(cè)分布式發(fā)電的發(fā)展，使得越來越多的分布式風(fēng)電和光伏接入到低壓配電網(wǎng)中；負(fù)荷側(cè)大量電力電子設(shè)備的增加，越來越多的低壓用電設(shè)備都要經(jīng)過整流裝置將交流電變換成直流電供給負(fù)載使用，如電腦、液晶電視、電子鎮(zhèn)流器熒光燈、打印機(jī)等辦公設(shè)備、變頻調(diào)速空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱等家電，導(dǎo)致大量諧波電流注入系統(tǒng)，而且分布式發(fā)電和直流負(fù)荷的間歇性，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。從目前情況來看，配電網(wǎng)老化問題突出，升級(jí)現(xiàn)有的電纜和變壓器價(jià)格昂貴并且存在一定的困難，能源供應(yīng)側(cè)新能源分布式接入比例增加，導(dǎo)致可控性變差，給低壓直流供電系統(tǒng)帶來發(fā)展機(jī)遇。

3.1 低壓直流供電系統(tǒng)的發(fā)展

2010年美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)提出一種未來家庭直流配電系統(tǒng)[50]，如圖6[51]所示。該系統(tǒng)有380 V DC和48 V DC這2個(gè)電壓等級(jí)，直流380 V電源主要為包含電機(jī)負(fù)載、廚房負(fù)載和其他重要家庭負(fù)載供電，直流電壓48 V DC電源主要用于計(jì)算機(jī)、娛樂系統(tǒng)和照明供電等。2014 年，丹麥奧爾本大學(xué)開始建設(shè)智能直流微電網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，對(duì)未來低壓直流配電網(wǎng)的建模、設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)控制、通信和管理等工作進(jìn)行研究[52-53]。

廈門大學(xué)光伏發(fā)電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目于 2014年 3月成功運(yùn)行，位于廈門大學(xué)翔安新校區(qū)東區(qū)的能源學(xué)院工程樓、南樓和北樓 3棟建筑中。微電網(wǎng)的主要供電來自于工程實(shí)驗(yàn)樓屋頂150 kW太陽能發(fā)電，微電網(wǎng)母線電壓采用國(guó)際倡導(dǎo)的380 V DC。為了實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定與連續(xù) 運(yùn)行，微電網(wǎng)還配有直流儲(chǔ)能單元和交流/直流備用電。微電網(wǎng)的負(fù)載包括30 kW的直流空調(diào)、40 kW室外直流電動(dòng)汽車充電站和 30 kW 的阻性負(fù)載，并預(yù)設(shè)20 kW的直流LED照明。微電網(wǎng)中的直流空調(diào)采用冷暖性直流變頻空調(diào)，運(yùn)行穩(wěn)定[54]。

圖6 未來家庭直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Structure diagram of Future household direct current distribution system

3.2 低壓直流供電系統(tǒng)面臨的問題

3.2.1 低壓直流供電系統(tǒng)接口技術(shù)

低壓直流供電系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一是低壓直流配電網(wǎng)的接口技術(shù)[55]，主要包括網(wǎng)側(cè)接口技術(shù)、負(fù)載側(cè)接口技術(shù)和分布式電源接口技術(shù)。其中網(wǎng)側(cè)接口技術(shù)是指連接輸電線路和低壓配電網(wǎng)的電力電子設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)低壓直流配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)的功率交換。負(fù)載的接口技術(shù)是指負(fù)載直接連接到低壓配電網(wǎng)或者通過不同的電源適配器連接到低壓配電網(wǎng)的技術(shù)。分布式電源接口技術(shù)是將分布式電網(wǎng)，包括風(fēng)電、光伏和儲(chǔ)能電源等接入低壓配電網(wǎng)的技術(shù)。三類接口直接影響低壓供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.2 低壓直流供電系統(tǒng)運(yùn)行與控制

與交流電網(wǎng)不同，交流電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要保證電壓、頻率和功角穩(wěn)定，而直流電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)主要以直流電網(wǎng)穩(wěn)定為控制目標(biāo)，不存在功角和頻率問題。由于低壓配電網(wǎng)可能接入大量分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備，導(dǎo)致控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，對(duì)現(xiàn)有的主從控制和下垂控制提出了更高的要求。

3.2.3 低壓直流供電系統(tǒng)保護(hù)

低壓直流供電系統(tǒng)保護(hù)的難點(diǎn)與高壓直流輸電和中壓直流配電網(wǎng)一致。同樣是由于系統(tǒng)中存在大量電力電子器件，導(dǎo)致故障發(fā)展速度迅速，短路故障后短路電流數(shù)值較大，導(dǎo)致低壓直流供電系統(tǒng)保護(hù)存在較大的困難。另外就現(xiàn)階段而言，低壓直流供電系統(tǒng)的保護(hù)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各方面都還需要進(jìn)一步的研究與完善。

4 未來直流電力系統(tǒng)展望

大規(guī)模新能源發(fā)電和分布式發(fā)電的接入以及大量電力電子負(fù)荷的出現(xiàn)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)僅靠交流輸電實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定運(yùn)行比較困難，這給高壓直流輸電(直流電網(wǎng))、中壓直流配電和低壓直流供電系統(tǒng)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。目前，世界各國(guó)都在發(fā)展直流輸電技術(shù)，這將導(dǎo)致很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)交、直流輸電并存的現(xiàn)象。隨著直流技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，控制保護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及運(yùn)行準(zhǔn)則的制定，在未來的電力系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)如圖7所示的輸電、配電、用電全方位直流技術(shù)運(yùn)行也是可期的[56]。

圖7 不同電壓等級(jí)直流用電設(shè)備Fig. 7 DC power equipment with different voltage levels

5 結(jié)論

1）高壓直流輸電主要應(yīng)用于大規(guī)模新能源的并網(wǎng)和遠(yuǎn)距離傳輸。直流輸電的可控性高，直流電網(wǎng)的建設(shè)可以起到不同地域新能源互補(bǔ)的作用，有效平抑新能源的波動(dòng)性，增強(qiáng)調(diào)度靈活性。

2）中壓直流技術(shù)主要應(yīng)用于配電系統(tǒng)。將現(xiàn)有的交流配電系統(tǒng)改造為直流配電系統(tǒng)可以有效提升配電系統(tǒng)的輸電容量和運(yùn)行的可靠性，降低損耗，且直流配電網(wǎng)更能適應(yīng)分布式發(fā)電的接入。

3）低壓直流技術(shù)主要應(yīng)用于供電系統(tǒng)。低壓直流供電系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)分布式電源和直流負(fù)荷的接入，增加供電系統(tǒng)的可控性。

4）直流電力系統(tǒng)的發(fā)展首先面臨著直流電纜、直流斷路器、直流變壓器等直流設(shè)備研發(fā)的限制，其次直流電力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)保護(hù)提出了更高的要求，而且直流電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制缺乏標(biāo)準(zhǔn)的支撐，需要在今后加大研發(fā)力度。

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