論基于柔直電網的西部風光能源集中開發與外送
潘垣，尹項根，胡家兵，何俊佳
(強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學)，湖北省 武漢市 430074)
Centralized Exploitation and Large-Scale Delivery of Wind and Solar Energies in West China Based on Flexible DC Grid
PAN Yuan, YIN Xianggen, HU Jiabing, HE Junjia
(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China)
ABSTRACT: This paper discusses scheme of centralized exploitation and large-scale delivery of wind and solar energies in west China especially plateau area based on flexible DC grid. Energy resources and ecological regimes in plateau, non-plateau and neighboring areas in west China are compared and analyzed. Flexible DC grid structure and delivery method is proposed. Overall objectives and main tasks of research content are presented. Key technologies and equipment are discussed in respect of DC breaker and flexible DC grid protective relaying. This paper provides a reference for exploitation and utilization of renewable resources in west China especially plateau area.
KEY WORDS: flexible DC; renewable energy; west development; DC breaker; protective relaying
摘要：文章圍繞西部高原地區可再生能資源集中開發及其大規模外送方案展開論述。通過對西部高原、非高原及周邊地區資源及生態狀況的對比分析，提出了適應西部可再生資源開發與外送的柔性直流電網構成方式以及外送方案，介紹了研究內容的總體目標和主要任務，并結合超高壓直流斷路器、柔性直流電網繼電保護等技術討論了需要研發的關鍵技術及裝備，以期為西部地區，尤其是西部高原地區可再生資源的開發利用提供參考。
關鍵詞：柔性直流;可再生能源;西部開發;直流斷路器;繼電保護
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.12.001
0 引言
能源是一個國家最基本、最重要的基礎性資源。能源安全事關經濟社會發展的全局和我國未來能否保持可持續發展。目前，世界能源供應以化石能源為主。我國的化石能源資源人均占有量明顯低于世界平均值，且石油、天然氣資源短缺問題突顯，尚難擺脫以煤為主的能源結構。截止2015年，我國的煤炭資源儲量折合標準煤為817億t[1];石油和天然氣剩余可采儲量折合為36億t和47億t標準煤[2]。在現有條件下，煤炭、石油、天然氣儲采比分別僅為31 a、12 a和26 a[1]。長期以來，化石能源的過度利用帶來資源緊張、氣候變化以及環境污染等問題。目前，我國中東部燃煤電廠發電產生的污染嚴重超出了環境的承載能力，且西北向中東部地區大量輸煤的儲、運環節也帶來嚴重污染。2013年國務院發布《大氣污染防治行動計劃》，提出加快清潔能源利用、嚴控中東部燃煤電廠、以輸電替代輸煤等措施，以減少利用化石能源的污染，實現全國能源資源的優化配置與高效利用。
在能源消費方面，以電能替代化石能源的直接消費，將有效提高能源利用效率、促進清潔能源發展，以實現我國煤電和清潔能源發電量比例達到40:60的能源發展戰略目標。根據我國電網的中長期規劃(2030—2050年)，電力消費需求總量將達到12萬億kW×h，未來我國的電力裝機容量將增加至34億kW[3]。在我國的能源資源稟賦中，儲量有限且污染嚴重的化石能源在資源和環境約束條件下僅允許提供12億kW的裝機容量與5.7萬億kW×h的年發電量，水電最多可開發5億kW的裝機容量與1.75萬億kW×h的年發電量，核電按樂觀預測可提供3億kW的裝機容量與2.1萬億kW×h的年發電量，還有約15億kW裝機容量和2.45萬億kW×h發電量的能源缺口[3]。我國西部地區含有豐富的風、光可再生能源，大規模開發利用這些可再生能源，可以有效補充我國未來能源需求，促進我國能源結構向清潔化、低碳化轉型，為我國能源安全和可持續發展提供支撐。
目前西部風光能源的開發主要在非高原地區，未來應逐步加大青藏高原地區的開發力度，但需要關注資源與生態的特點。
開發西部地區的風光資源，需要解決電網穩定和規模化送出的問題。西部脆弱的生態環境無法采用就地“風光火打捆”的開發方式;高海拔氣候使得設備絕緣性能下降[4]，難以通過特高壓電網外送。柔性直流輸電作為一種新型的輸電技術具有明顯優勢：其獨立有功無功調節和故障阻斷能力，可避免可再生能源發電的不確定性對系統穩定的影響;同等條件下，與交流輸電相比，其輸送容量更大和輸送距離更長，有利于將大范圍內的可再生能源集中送出。因此，變革輸電方式，構建可再生能源發電的柔性直流電網，可以有效解決西部高原地區可再生能源規模化開發與遠距離外送的難題。
本文圍繞西部地區，并重點關注西部高原地區可再生能資源集中開發及其大規模外送方案展開研究，對西部及周邊地區的資源和生態狀況進行了分析，提出了基于柔性直流電網的西部可再生能源開發及外送方案，并對方案的總體目標、重點任務以及關鍵技術展開討論，以期為西部，尤其是西部高原地區可再生資源的開發利用提供參考。
1 西部及其周邊地區的資源及生態狀況
我國西部地區可分為高原地區和非高原地區。高原地區指青藏高原地區，非高原區域指新疆、甘肅及內蒙古西部諸省區。西部高原地區和非高原地區都具有豐富的風光資源，某些非高原地區還蘊藏大量煤炭等傳統化石能源。目前非高原區域風光電能開發較快，而青藏高原作為風光能源的密集區，在西部風光能源進一步的開發利用中應受到高度關注，首先應對其能源資源和生態保護進行分析。
1.1 西部高原地區能源資源狀況
青藏高原是全球太陽能三大富集區之一，單位面積的年總輻射量高出非高原地區50%~100%，高達7000~8400 MJ/m2，如圖1所示。青藏地區海拔超過4 km，日照時間長，統計表明，其典型年平均日照為3005.7 h，年總輻射量為8160 MJ/m2。特別是羌塘高原(40萬km2)和柴達木盆地(25萬km2)是理想和寬廣的太陽能發電基地[5]。
青藏高原還是我國風能資源的富集區，如圖2所示。其中西藏的羌塘高原年均有效風能密度高達130~200 W/m2，年風力小時數超過3000 h;青海的柴達木地區和青藏公路東西兩側的青南高原上，年均有效風能密度達120~220 W/m2，年風力小時數超過6000 h，風能儲量達800~1060 kW·h/m2 [5]。更為有利的是，兩地區風場與光場的地理位置幾乎重疊，且風電與光電的出力既晝夜互補又季節互補，非常有利于以“風光打捆”的方式外送。
根據上述資源保守估算，柴達木和羌塘兩地區各只需提供4萬平方公里的光場，峰值光電容量即可分別達16億kW，兩地年發電量分別可達2.2萬億kW×h。以兩場區為中心的風電裝機容量分別可達5億kW，年發電量各有1萬億kW×h[6]。
圖1 中國年太陽能輻射總量
Fig. 1 The annual total solar radiation in China
圖2 中國有效風功率密度分布圖
Fig. 2 The distribution diagram of the effective wind power density in China
1.2 西部非高原地區能源資源狀況
內蒙古自治區是我國內陸風資源最大的省份，其風速大且分布廣。其風能資源總儲量達8.98億kW，技術可開發量達1.5億kW，約占中國陸地的50%。內蒙古風電裝機容量在2014年已達1848.86萬kW，占當時全國風電總裝機容量的24.5%，居全國首
位[7]。甘肅省地處黃土、青藏和蒙古三大高原交匯地帶。風能資源總儲量為2.37億kW，占全國總儲量的7.3%，技術可開發量2700萬kW，占全國的10.6%。甘肅省酒泉地區，擁有接近4000萬kW的可開發利用的風能資源總量[8]。目前酒泉正在建設全球最大的風力發電基地，根據項目建設計劃，到2020年裝機容量將達1360萬kW。同時，甘肅省太陽能資源開發利用潛力非常大。新疆的風能可開發儲量約2000萬kW，居全國前列。風區總面積達15.45萬平方公里;有效風速時間為3000 h;總蘊藏量約9100億kW×h。新疆的九大風區多處于戈壁上，地形平坦，可開發面積大，建場條件優越[9]。新疆水平表面太陽輻照度年總量為5000~6500 MJ/m2，年平均值為5800 MJ/m2，居全國第二位，有極大的光伏開發潛能[10]。
1.3 西部周邊地區的能源資源狀況
與西部地區毗鄰的華北、西南地區擁有儲量豐富的清潔能源，為西部風、光可再生能源的穩定外送與充分消納提供了有利條件。
在我國華北的張家口、承德壩上地區和沿海秦皇島、唐山地區蘊含有豐富的風能、太陽能等可再生資源。風能資源可開發量在4000萬kW以上，太陽能發電可開發量在3000萬kW以上[11]。此外，張家口的風能資源主要分布于壩上草原，該地區地勢平緩、交通便利，非常利于大型風電場的建設。
我國水能資源非常豐富，理論蘊藏年發電量為6.08萬億kW×h，經濟可開發裝機容量4.02億kW，年發電量1.75萬億kW×h，其中約70%的水電資源集中在四川、云南等西南地區，主要河流包括金沙江、雅礱江、大渡河和瀾滄江等[12]。利用西南地區豐富的水能資源，建設適當容量的抽水蓄能電站，通過與西部可再生能源發電互補外送，可以有效平滑風電、太陽能發電出力，減小其隨機性、波動性，從而有效解決目前新能源面臨的送出困難問題，維護電網安全穩定運行。
1.4 西部地區生態狀況
由于西部地區深處亞洲大陸腹地，絕大部分地區常年干旱少雨，水資源稀缺，土地沙化嚴重，故大、小綠洲及有限的地表水均只能來自高山冰雪。另外，由于西部高原地區多數土壤、植被尚處于年輕的發育階段，生態系統的結構和功能簡單，自身調節機制不健全，恢復能力較弱，若開發失當，一旦破壞即發生退化現象。因此，實施西部大開發尤須把保護生態環境放在更加突出的地位。切忌盲目照搬中、東部的“引進”，嚴防高耗水、高耗能、高污染所謂三高產業“轉移”。
保護西部生態環境，特別重點保護三江源、黃河源、天山、祁連山的冰川雪山尤為重要。由于氣候變暖，加上過度開發，許多高山冰雪正加速消融，形勢已很嚴峻。近年，中、美科學家的研究均證實[13-16]，燃煤排放的煤煙顆粒物即黑碳氣溶膠(簡稱黑碳)會造成冰川消退、雪線上升。大量黑碳沉降在冰雪表面，使冰雪顏色變暗，大大降低了其對陽光的反射率，增大了吸熱力，從而導致了冰雪加速融化。19世紀正是歐洲工業化時期，盡管還處在小冰期的末期，氣溫下降了1°C，但阿爾卑斯山的冰川反而消退了1000 m;在亞洲喜馬拉雅山中、東部，受來自南亞次大陸的不斷增多的黑碳影響，冰川正在加速消退。因此，西部高原地區基本上不具備大范圍、大規模新建火電廠的條件，無法采用“風光火”打捆送出的方式。另外，青藏高原平均海拔4000 m，輸變電裝備的外絕緣距離比中東部非高原地區高出80%以上，從技術經濟角度考慮，采用特高壓聯網外送已非常困難。
2 柔性直流輸電和直流電網技術優勢
2.1 柔性直流輸電的技術優勢
目前，高壓直流輸電技術主要有基于電網換相換流器技術(LCC-HVDC)和基于電壓源換流器技術(VSC-HVDC)，2006年5月，國家電網公司組織國內直流輸電領域的權威專家在北京召開的“輕型直流輸電系統關鍵技術研究框架”研討會上建議將基于VSC技術的直流輸電稱為“柔性直流輸電”。
與LCC-HVDC直流輸電技術相比，柔性直流輸電技術主要包括如下優勢：1)有功無功的靈活自由控制;2)可向無源網絡或者弱電網供電，并可由弱電網外送電能;3)不需要交流側提供無功功率，可以為交流系統提供無功支撐;4)采用可關斷器件，不存在換相失敗問題;5)易于擴展實現多端直流輸電系統和直流電網，實現直流潮流的靈活優化控制;6)柔性直流輸電可以作為故障后的電網恢復啟動電源，進行電網快速恢復;7)諧波水平低，所需的濾波器容量較小;8)在同等容量下柔性直流輸電換流站的占地面積顯著小于傳統高壓直流輸電換流站(約為50%)。
2.2 直流電網的發展與現狀
20世紀60年代中期，直流電網的雛形——多端直流輸電(MTDC)的概念與基本原理被提出。多端直流輸電是由3個以上換流站，通過串聯、并聯或混聯方式連接起來的輸電系統，能夠實現多電源供電和多落點受電[17]。VSC-HVDC技術因潮流翻轉時不改變電壓極性而更適用于多端直流輸電系統，并且可以在新能源并網、城市直流配電網等方面發揮巨大的應用價值。隨著VSC-HVDC技術的飛速發展以及可關斷器件、直流電纜制造水平工藝的不斷提高，未來VSC-HDVC將成為多端直流輸電系統和直流電網的主流形式。
對于直流電網，國內外尚未有統一的定論。根據現有的相關資料，直流電網主要具備如下不同于多端直流輸電系統的特點：
1)多端直流輸電系統中的換流站通過直流線路點對點直接相連。而直流電網中，一個換流站可與多條直流線路相連，換流站之間由多條直流線路通過直流斷路器相連，形成具有“網孔”結構的輸電系統。
2)多端直流輸電系統不能提供冗余，若整個拓撲中任何一個換流站或線路發生故障，那么整條線路及該線路的兩側換流站將全部停運。直流電網具有冗余，具有較高的可靠性。當一條直流線路發生故障時，可以通過直流斷路器有選擇性地切除故障線路，故障線路兩側的換流站可以保持正常運行，并可利用其他正常線路保持電能的可靠輸送。
3)在多端直流輸電系統中，功率通過直流線路兩側的換流站點對點傳輸，換流站的送出/接受功率需要相互配合。在直流電網中，直流潮流能夠在直流線路形成的“網孔”中靈活分配，單個換流站可以獨立地傳輸功率，且在傳輸狀態轉換(由發送/接收狀態變為接收/發送狀態)過程中不影響其他換流站的狀態。
目前，國內外的科研結構和電力企業圍繞柔性直流電網開展了大量研究與開發工作。2008年11月，歐盟各國正式推出了基于柔性直流輸電技術的超級電網(Super Grid)計劃[18-19]。該計劃擬將北海和波羅的海海域的風力發電以及北非與中東的太陽能發電通過直流電網互聯。美國在2011年提出了“Grid 2030”計劃[20]。美國未來電網將建立覆蓋東西兩岸、北至加拿大、南連墨西哥的骨干網架。未來20年，計劃建設60余條柔性直流輸電線路，形成與現有交流電網并存的網絡架構，以實現對不穩定可再生能源發電的靈活控制。2022年冬奧會將在北京-張家口舉行，為了推進實現“綠色奧運”、“低碳奧運”的理念，國家發改委發布了《河北省張家口市可再生能源示范區發展規劃》，該文件提出將張家口設立為可再生能源示范區;在張家口建設國際領先的“低碳奧運專區”，實現體育場館用電100%來自可再生能源。目前國家電網公司正在規劃建設張北柔性直流電網示范工程[21]，如圖3所示。該方案計劃構建±500 kV柔性直流環形電網，通過張北、康保兩地換流站匯集當地風能和太陽能，在豐寧換流站接入抽水蓄能以平抑可再生能源
圖3 張北柔性直流電網規劃方案
Fig. 3 VSC DC power grid planning of Zhang Bei
發電的波動，并落點于北京、河北受端電網，形成風、光、儲、抽蓄等多形態電源的廣域交互平臺，從而有效解決大規模再生能源安全并網、靈活匯集與穩定送出問題，滿足未來張家口地區可再生能源的外送需求。
以上方案仍處于規劃設計階段，尚未有柔性直流電網工程的投運，直流斷路器的實際工程應用亦仍是空白。
3 西部可再生能源并網及外送方案
青藏高原地區蘊含有豐富的風光可再生能源資源，然而西部電網網架薄弱，且不具備“風光打捆”條件，難以承受大量波動性、隨機性的可再生能源并網。因此，本文提出基于高壓柔性直流電網實現大規模可再生能源靈活匯集和集中外送的方案，如圖4所示。該方案采用VSC柔性直流輸電技術和多斷口直流斷路器技術，構建超高壓直流電網，匯集羌塘和柴達木地區的太陽能、風能，通過南北兩路分別與西北、華北風光能源基地和西南水力發電基地相連，并最終將可再生能源輸送至華北、華中以及華東電網的負荷中心。
圖4 西部可再生資源并網及外送方案
Fig. 4 The program for the integration and delivery of the regenerative resource in West China
采用柔性直流電網能夠有效解決青藏高原地區大規模、大范圍的多種類型的可再生能源并網與外送問題。其技術優勢包括：
1)為交流系統提供無功支撐，提高可再生能源電力并網安全性與故障穿越能力。西部地區交流電網薄弱，難以支撐大規模可再生能源的接入。柔性直流具有獨立的有功、無功控制能力[22]，能夠有效抑制可再生能源接入帶來的交流電壓波動問題，并且有效提升光伏發電和風機的故障穿越能力，提升可再生能源的安全性。歐洲海上風電的成功運行表明，在交流網架較弱地區，柔性直流是大規模可再生能源并網接入的最優方式。
2)有利于可再生能源規模化接入匯集，輸電能力強、效率高。交流同步電網受穩定性約束，接入與送出能力不能滿足西部大規模可再生能源開發與外送的需求。柔性直流電網無交流電網的穩定問題，其輸送容量和輸送距離遠超過交流電，便于實現青藏地區可再生能源的靈活接入與集中送出。借鑒文獻[23]提供的北美5端口高壓直流輸電系統(額定電壓450 kV，額定功率2000 MW，傳輸距離1480 km)的研究結論，預計自青藏高原通過±500 kV(或±600 kV)直流高壓外送的最遠距離可達1600 km(或2000 km)。則±500 kV直流電網可多路東送至川渝地區、漢中地區和關中地區;±600 kV直流電網可多路送至江漢平原和豫中平原。另外，各風光發電場的發電功率經柔直電網的整合外送，可明顯提高輸電通道的效率。
3)多網孔結構具有較高的可控性與可靠性，適宜作為多類型能源的廣域交互平臺。柔直電網可控能力較強，易于實現可再生能源、抽蓄、儲能與負荷間的靈活能量交互，通過潮流優化控制，能夠在內部平抑可再生能源發電功率的波動，減少間歇性能源對受端電網的擾動沖擊。此外，直流電網多網孔網架具有冗余，當直流線路發生故障時，可以利用直流斷路器切除故障線路，通過直流網絡內部的潮流轉移保障電能的可靠輸送。
4 青藏高原風光電力的開發與外送研究
4.1 總體研發目標與任務
青藏高原大規模太陽能、風能資源的科學開發分別以“青藏高原風光電力能源智能開發”和“基于柔性直流電網的風光電力能源基地互聯外送”為研究目標，分析已有及潛在的技術瓶頸，提出相適應的解決方案，為青藏高原太陽能、風能資源的合理開發和有效利用提供技術支撐，并建立適應青藏高原資源稟賦與區域特色的含高滲透率可再生能源的柔性直流電力系統技術體系和工程。
上述方案的實施過程可根據西部的實際建設條件，先近后遠、先易后難。首先可開發青海柴達木及其周邊地區，包括青藏公路沿線的風電。隨著西藏電氣化鐵道向西延伸，進一步開發羌塘地區。
4.1.1 青藏高原風光電力能源開發
青藏高原風光電力能源智能開發包括5項子研究任務：1)青藏高原風光時空特性及宏觀選址;2)青藏高原風光直流網絡互聯外送綜合方案;3)青藏高原風光智能模塊化匯集技術及裝備;4)不確定性電源智能預測及規劃調度運行技術;5)常規/新型調峰技術及智能裝備。上述任務需要從基礎前沿、重點技術、裝置研發與示范應用3個方面進行部署。
基礎前沿研究包括：青藏高原風能、太陽能資源時空分布特性;多約束條件下高原風光集中送出通道走廊的選取方法;適用于青藏高原風光匯集的模塊化多電平換流器拓撲結構及參數的設計方法;風光發電容量置信度的理論和方法;含大規模可再生能源接入的電力系統調峰需求模型。
重點技術包括：高原地區風光資源評估與宏觀選址技術;風光智能模塊化匯集技術;不確定性電源的智能預測及規劃調度運行技術;常規電源的深度調峰技術;大規模儲能與常規電源協調控制技術。
裝置研發與示范應用包括：高海拔風能、太陽能發電設備研發與示范工程應用;基于智能模塊化匯集的高壓大容量光伏/風電并網換流器研發與示范工程應用;適應調峰的大規模儲能智能裝備研發與示范工程應用。
4.1.2 基于柔性直流電網的風光電力能源基地互聯外送
基于柔性直流電網的風光電力能源基地互聯外送包括2項子研究任務：柔性直流電網關鍵裝備及核心技術、柔性直流電網安全穩定技術。上述任務也需要從基礎前沿、重點技術、裝置研發與示范應用3個方面進行部署。
基礎前沿包括：柔性直流電網的等效數學模型;柔性直流電網換流器暫穩態特性;柔性直流換流器間的交互影響;交直流混聯系統間的交互影響。
重點技術包括：柔性直流電網仿真技術;柔性直流電網分布式協調控制技術;高海拔下換流閥絕緣檢測與在線預警技術;柔性直流電網廣域測量與故障保護技術。
裝置研發與示范應用包括：高壓大容量電壓源換流器研發與示范工程應用;高壓直流斷路器研發與示范工程應用;高壓DC/DC變換器研發與示范工程應用。
4.2 研發任務的預期成果
在青藏高原風光時空特性及宏觀選址方面，建立高原地區可開發風能、太陽能資源的評估體系及多邊界條件下的宏觀選址技術標準。
在青藏高原風光直流網絡互聯外送綜合方案方面，提出多約束條件下，基于柔性直流網絡的高原地區風光集中綜合開發技術標準及送出通道走廊選取準則。
在青藏高原智能風光模塊化匯集方面，提出適用于高原地區風光匯集的模塊化多電平換流器拓撲結構、參數設計等技術標準，完成用于模塊化匯集的換流器樣機并推廣應用。
在柔性直流電網關鍵裝備及核心技術方面，形成高海拔模塊化超高壓直流斷路器、高海拔高壓大容量柔性直流輸電換流器、高海拔高壓大容量DC/DC變換器的整套設計體系，完成相應樣機研制并在國內外柔性直流工程中推廣使用。
在柔性直流電網安全穩定技術方面，開發柔性直流電網分布式協調控制、柔性直流電網廣域測量與故障保護等關鍵技術，建立柔性直流電網仿真及試驗平臺并推廣應用。
在不確定性電源智能預測及規劃調度運行方面，基于大數據技術構建大規模高集中區域風光發電出力的多時空尺度爬坡特征預測信息平臺，建立適應不確定性電源出力的電力系統電源規劃、調度運行等技術標準，開發含大規模不確定電源的電力系統調度決策系統并在電網調度中心推廣使用。
在常規/新型智能調峰方面，完善常規電源深度調峰技術標準，攻克適應調峰的大規模儲能關鍵技術，確定多因素約束下的調峰方案評估體系，完成大規模儲能裝備研制并在大型風電場和太陽電站中推廣使用。
4.3 關鍵技術及裝備
根據目前直流輸電技術的研究與應用現狀，采用柔性直流電網開發西部可再生資源的關鍵技術及裝備主要包括：柔性直流電網廣域測量及故障檢測技術、柔性直流電網控制保護技術、柔性直流電網安全可靠性評估方法與標準體系、高壓大功率換流器、高壓直流斷路器、DC/DC變壓器、直流電纜等。下文簡要討論超高壓直流斷路器和柔性直流電網繼電保護技術。
4.3.1 超高壓直流斷路器
超高壓直流斷路器作為柔性直流電網的關鍵設備，與交流斷路器相比，其技術難點在于：無電流過零點，需要通過特殊設計實現電流開斷;直流故障電流上升速度快、幅值大，要求故障切斷速度達到數毫秒;直流換流器存在橋臂電抗器和穩壓電容器等大容量儲能元件，加上相關直流線路分布電感和電容的影響，增加了直流電流的開斷難度。
根據電流斷開方式的不同，直流斷路器主要可分為3類[24]：機械式、固態式和混合式。機械式直流斷路器通過疊加LC回路產生過零點，實現熄弧和斷流;當采用單斷口時，動作行程大，動作時間長，目前采用多斷口技術提高動作速度;其優點是機械開關導通電流，通態損耗低，結構簡單，成本小。固態式直流斷路器由全控型半導體組件完成電流的強制分斷，分斷時間短;但正常導通時由半導體組件導通電流，通態損耗高。目前，固態式直流斷路器的改進方案是混合式直流斷路器，它由機械開關和半導體組件混合構成，兼顧了機械式斷路器低通態損耗和固態式斷路器高分斷速度的優點;但實際上在導通情況下，仍需要串入由半導體器件組成的輔助斷路器，其通態損耗仍較機械式高。值得注意的是，在柔直電網條件下雙向開斷能力是直流斷路器很重要的技術要求，對于上述各種類型斷路器，這都將增加技術難度或設備成本。
目前，國內外的公司、研究機構和高校均開展了超高壓直流斷路器的研究工作，并且正在從理論設計、裝置研制、現場測試向工程實踐轉化。2012年和2014年，ABB、Alstom和國內科研機構分別完成了80 kV、120 kV、200 kV混合式直流斷路器實驗樣機研制。2014年和2015年，我國高校也分別完成了雙斷口55 kV、單斷口40 kV，開斷用時約為3 ms的機械式直流斷路器實驗樣機研制。國內外直流斷路器研發情況如表1所示，其中，電流值均為該型斷路器可達到的額定電流，而故障開斷電流能達到15 kA以上。
需要指出，機械式直流斷路器具有結構簡單、通態損耗小、造價低等優勢，是直流斷路器重要的發展方向。傳統機械式多斷口直流斷路器需要通過高壓儲能元件和觸發間隙形成直流電流的過零點，并通常按分斷口多組配置，增加了實現難度和不可靠性;為了應對雙向斷流問題，需要判斷故障電流方向并增加儲能和觸發器件，這都是目前亟待解決
表1 各類典型高壓直流斷路器技術的性能對比
Tab. 1 The comparison of the typical DC breaker technologies
類型額定參數開斷時間能否雙向開斷是否需要判別
電流方向預充電容
能量總容器
能量通態損耗同參數下
造價
國外技術混合式(ABB樣機)320 kV/2kA3~5 ms理論上可行，但需要
雙倍開斷元件需要。并根據電流方向控制對應的電力電子器件或者觸發器件//較高1~2億
混合式(Alstom樣機)120 kV/1.5kA5.5 ms//較高1~2億
國內技術混合式200 kV/2kA3 ms//較高1~2億
傳統機械式55 kV/2kA約3 ms100%100%低1~2千萬
新型機械式160 kV/2kA3 ms可以，且不增加開斷元件不需要20%50%低1~2千萬
的技術難題。目前，華中科技大學正在研制一種開斷能力接近固態式直流斷路器，采用模塊化、組合式設計理念的新型機械式多斷口高壓直流斷路器。該項技術有如下優點：預充電電容位于低壓端，解決了高電位、多電位充電難題;將多個串聯間隙減少為單個同電壓等級間隙，并利用等離子體射流觸發間隙，有效減小了觸發間隙和提高了觸發可靠性;應用全新換流方式，無需判斷故障方向，實現了雙向故障電流開斷;采用多級串聯高速直流開關模塊，可滿足高電壓和大容量的擴展需求。
4.3.2 柔性直流電網繼電保護
1)柔性直流電網對繼電保護的要求。
柔性直流電網的繼電保護涉及直流線路以及換流器、DC/DC變換器等相關直流輸電設備的保護內容。柔性直流電網是一個“低慣量”系統，發生故障時，由于柔性直流換流設備電容及線路分布電容的迅速放電，短路電流快速上升(短路電流平均上升速度約2~4 kA/ms，與換流器及電網的結構、參數等因素均有關)，數毫秒內達到峰值，故障影響瞬間波及整個直流電網。因此，柔直電網保護在滿足繼電保護“四性”要求方面的技術難度更高。
在速動性方面，要求柔性直流電網繼電保護超高速動作，其動作時間主要受3方面因素的制約：①柔直電網穩定性的約束;②直流換流設備耐受能力的約束;③直流斷路器開斷容量的約束。研究表明，柔直電網故障的典型切除時間僅允許為5~6 ms。
在選擇性方面，柔性直流電網與傳統直流和多端直流輸電系統的根本區別之一在于直流斷路器的應用，電網中的任何故障必須要斷路器所限定的最小區域內切除，并需要保持主后備保護的配合。另外，線路保護需要在換流設備保護動作之前切除故障線路，從而保證換流設備以及正常線路的持續運行，維護直流電網的供電可靠性。
在靈敏性方面，受換流器控制調節作用和線路分布電容的影響，線路保護更難檢測直流線路的高阻接地故障。
在可靠性方面，柔直電網的保護尤其是線路保護將獨立于控制而自成系統，需要綜合解決新型傳感器、高速檢測與通信等關鍵技術難題，這對保護系統的可靠性提出了更高的要求。
2)柔性直流電網線路保護方案研究。
柔性直流電網繼電保護技術的研究主要包括如下內容：柔直電網故障特性分析與仿真，繼電保護原理及配置方案，以及新型傳感器、信息高速測量及通信等保護支撐技術。下面以柔性直流電網線路保護為例扼要討論線路故障特性、保護原理及相關支撐技術。
直流線路故障短路電流的暫態過程和分布特性與換流器類型、系統網絡結構、線路參數等因素密切相關。為了節省造價，目前直流電網傾向于采用半橋型MMC換流器，直流線路發生短路故障時，其短路過程可分解為電容放電、橋臂電抗續流以及電網電流饋入等幾個階段[25]。在線路發生故障后、換流器閉鎖前，故障電流將會到達最大值。直流線路保護需要在故障電流上升至換流設備的耐受能力、直流斷路器的切除容量之前快速動作隔離故障。根據某在建直流電網工程技術要求，要求線路故障的清除時間僅為6 ms，除去直流斷路器的動作時間3 ms，留給線路保護的動作時間不大于3 ms，這時尚處于故障暫態的初始階段。傳統交流系統保護通常采用縱聯保護作為主保護，它需要依賴通信實現基于雙端量的故障檢測，這種保護方式難以滿足柔直電網的超高速保護要求。柔直電網線路故障信息以行波形式在直流電網傳輸，其傳播延時會進一步壓縮留給直流線路雙端量保護判斷故障的時間。以長度為300 km的直流架空線路靠近換流站側發生短路故障為例，故障行波以近光速傳播至對側換流站需要約1 ms，對站檢測到故障后通過光纖(折射率為1.4)將故障信息傳回本站需要約1.4 ms，考慮到模擬量采樣以及交換機等通信設備的延時，本站接受到對側站發來故障信息的等待時間將超過3 ms，本站保護已沒有時間進行故障判別，無法在3 ms內動作。因此，需要尋求基于單端信息的保護技術。
具有選擇性的單端量主保護可行方案之一為行波保護。單端量行波保護的重點在于區分線路內外部故障，對此可通過邊界保護的方法來解決。該方法通過在線路兩側加裝電抗器以構建行波邊界，利用故障行波經過電感后特性的變化，以區分線路內外部故障。此外，欠壓微分保護作為傳統直流線路廣泛應用的單端量主保護，其通過判斷電壓及其跌落率的大小檢測直流線路故障，通過選取合理的定值，也可以快速、準確地識別大部分線路故障特征并實現故障選線。上述方案涉及保護判據、電抗器參數以及傳感器設計等關鍵技術，需要結合柔性直流電網的特點深入研究和論證。
縱聯保護等基于雙端信息的線路保護，受通信及故障行波傳輸的影響造成時間延遲，但仍可以作為直流線路的(準)后備保護。它需要研究解決2個問題：直流設備的調節作用和線路分布電容的充放電過程對保護靈敏度的影響;保護動作策略及其對換流器、直流斷路器安全運行的影響。還需要加強其他的各種后備保護原理，譬如欠壓過流保護和低電壓保護等。
對于柔性直流電網線路的保護方案，尚未有工程應用實例。根據上述分析，目前柔直線路可以考慮采用基于單端電氣量的行波保護、欠壓微分保護作為直流線路的主保護，采用縱差保護、欠壓過流保護和低電壓保護作為后備保護。
3)柔直電網線路保護的相關技術。
為了實現柔直電網線路的超高速保護，相關的測量、通信等支撐技術需要進一步完善，以滿足柔性直流電網的安全防護要求。現有直流工程主要采用光電式和基于羅氏線圈的電子式互感器，從原理上來說這些互感器具有較寬的響應頻帶，但是傳統的直流保護并不要求高速動作，因此柔直電網的傳感器系統需要重新按照超高速保護的應用要求進行論證和改進。相對于常規高壓直流工程，柔性直流電網中對直流電壓、電流測量性能提出了更高的性能要求：為了配合超高速保護算法的執行周期，要求采樣頻率由10 kHz提高至50 kHz;為減少保護檢測故障的時間，要求采樣延時由0.5 ms縮短至100 ms;采用單橋結構的換流器，故障電流更大，要求采集系統具備更寬的動態響應范圍。柔直電網的雙端量線路保護對通信速度有著較高的要求，目前柔直工程中的保護通信是通過控制系統的站間通信通道實現，這種復用方式延時較大，難以滿足柔直電網線路保護的要求，需要配置專用的保護高速通信通道。
5 結語
我國的西部地區可分為高原地區和非高原地區，均含有豐富的風光可再生資源。充分開發利用西部包括高原地區的風光能源可以基本填補我國未來的電力缺口，促進能源結構向清潔化、低碳化轉型。
西部高原地區的可再生能源開發與電力外送存在較高的技術難度，本文基于超高壓柔性直流電網技術，并根據周邊地區狀況，提出了西部高原地區經南北兩路通道電能外送方案，從基礎前沿、重點技術、裝置研發與示范應用討論了“青藏高原風光電力能源智能開發”和“基于柔性直流電網的風光電力能源基地互聯外送”2方面的研發任務，明確了預期成果。
針對西部風光能源資源開發的關鍵技術及裝備問題，重點對超高壓直流斷路器和柔性直流電網繼電保護進行了初步討論。在總結直流斷路器主要技術和形式的基礎上，介紹了一種研制中的采用模塊化、組合式設計理念的新型機械式多斷口高壓直流斷路器，它在低價格、高可靠性、高適應性方面具有優勢。在總結柔直電網故障時具有短路電流上升極快、安全約束條件苛刻特征的基礎上，建議了以單端量暫態行波邊界保護和欠壓微分保護作為直流線路超高速主保護，以縱聯保護等作為后備保護的配置方案，此方案能夠滿足3 ms快速切除故障的技術要求。
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