論基于柔直電網(wǎng)的西部風(fēng)光能源集中開發(fā)與外送
潘垣，尹項(xiàng)根，胡家兵，何俊佳
(強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，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(qū)可再生能資源集中開發(fā)及其大規(guī)模外送方案展開論述。通過對(duì)西部高原、非高原及周邊地區(qū)資源及生態(tài)狀況的對(duì)比分析，提出了適應(yīng)西部可再生資源開發(fā)與外送的柔性直流電網(wǎng)構(gòu)成方式以及外送方案，介紹了研究?jī)?nèi)容的總體目標(biāo)和主要任務(wù)，并結(jié)合超高壓直流斷路器、柔性直流電網(wǎng)繼電保護(hù)等技術(shù)討論了需要研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)及裝備，以期為西部地區(qū)，尤其是西部高原地區(qū)可再生資源的開發(fā)利用提供參考。
關(guān)鍵詞：柔性直流;可再生能源;西部開發(fā);直流斷路器;繼電保護(hù)
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.12.001
0 引言
能源是一個(gè)國(guó)家最基本、最重要的基礎(chǔ)性資源。能源安全事關(guān)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全局和我國(guó)未來能否保持可持續(xù)發(fā)展。目前，世界能源供應(yīng)以化石能源為主。我國(guó)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(jié)構(gòu)。截止2015年，我國(guó)的煤炭資源儲(chǔ)量折合標(biāo)準(zhǔn)煤為817億t[1];石油和天然氣剩余可采儲(chǔ)量折合為36億t和47億t標(biāo)準(zhǔn)煤[2]。在現(xiàn)有條件下，煤炭、石油、天然氣儲(chǔ)采比分別僅為31 a、12 a和26 a[1]。長(zhǎng)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(huán)境污染等問題。目前，我國(guó)中東部燃煤電廠發(fā)電產(chǎn)生的污染嚴(yán)重超出了環(huán)境的承載能力，且西北向中東部地區(qū)大量輸煤的儲(chǔ)、運(yùn)環(huán)節(jié)也帶來嚴(yán)重污染。2013年國(guó)務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，提出加快清潔能源利用、嚴(yán)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(shí)現(xiàn)全國(guó)能源資源的優(yōu)化配置與高效利用。
在能源消費(fèi)方面，以電能替代化石能源的直接消費(fèi)，將有效提高能源利用效率、促進(jìn)清潔能源發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤電和清潔能源發(fā)電量比例達(dá)到40:60的能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)的中長(zhǎng)期規(guī)劃(2030—2050年)，電力消費(fèi)需求總量將達(dá)到12萬億kW×h，未來我國(guó)的電力裝機(jī)容量將增加至34億kW[3]。在我國(guó)的能源資源稟賦中，儲(chǔ)量有限且污染嚴(yán)重的化石能源在資源和環(huán)境約束條件下僅允許提供12億kW的裝機(jī)容量與5.7萬億kW×h的年發(fā)電量，水電最多可開發(fā)5億kW的裝機(jī)容量與1.75萬億kW×h的年發(fā)電量，核電按樂觀預(yù)測(cè)可提供3億kW的裝機(jī)容量與2.1萬億kW×h的年發(fā)電量，還有約15億kW裝機(jī)容量和2.45萬億kW×h發(fā)電量的能源缺口[3]。我國(guó)西部地區(qū)含有豐富的風(fēng)、光可再生能源，大規(guī)模開發(fā)利用這些可再生能源，可以有效補(bǔ)充我國(guó)未來能源需求，促進(jìn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)向清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型，為我國(guó)能源安全和可持續(xù)發(fā)展提供支撐。
目前西部風(fēng)光能源的開發(fā)主要在非高原地區(qū)，未來應(yīng)逐步加大青藏高原地區(qū)的開發(fā)力度，但需要關(guān)注資源與生態(tài)的特點(diǎn)。
開發(fā)西部地區(qū)的風(fēng)光資源，需要解決電網(wǎng)穩(wěn)定和規(guī)模化送出的問題。西部脆弱的生態(tài)環(huán)境無法采用就地“風(fēng)光火打捆”的開發(fā)方式;高海拔氣候使得設(shè)備絕緣性能下降[4]，難以通過特高壓電網(wǎng)外送。柔性直流輸電作為一種新型的輸電技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)：其獨(dú)立有功無功調(diào)節(jié)和故障阻斷能力，可避免可再生能源發(fā)電的不確定性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)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(zhǎng)，有利于將大范圍內(nèi)的可再生能源集中送出。因此，變革輸電方式，構(gòu)建可再生能源發(fā)電的柔性直流電網(wǎng)，可以有效解決西部高原地區(qū)可再生能源規(guī)模化開發(fā)與遠(yuǎn)距離外送的難題。
本文圍繞西部地區(qū)，并重點(diǎn)關(guān)注西部高原地區(qū)可再生能資源集中開發(fā)及其大規(guī)模外送方案展開研究，對(duì)西部及周邊地區(qū)的資源和生態(tài)狀況進(jìn)行了分析，提出了基于柔性直流電網(wǎng)的西部可再生能源開發(fā)及外送方案，并對(duì)方案的總體目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)以及關(guān)鍵技術(shù)展開討論，以期為西部，尤其是西部高原地區(qū)可再生資源的開發(fā)利用提供參考。
1 西部及其周邊地區(qū)的資源及生態(tài)狀況
我國(guó)西部地區(qū)可分為高原地區(qū)和非高原地區(qū)。高原地區(qū)指青藏高原地區(qū)，非高原區(qū)域指新疆、甘肅及內(nèi)蒙古西部諸省區(qū)。西部高原地區(qū)和非高原地區(qū)都具有豐富的風(fēng)光資源，某些非高原地區(qū)還蘊(yùn)藏大量煤炭等傳統(tǒng)化石能源。目前非高原區(qū)域風(fēng)光電能開發(fā)較快，而青藏高原作為風(fēng)光能源的密集區(qū)，在西部風(fēng)光能源進(jìn)一步的開發(fā)利用中應(yīng)受到高度關(guān)注，首先應(yīng)對(duì)其能源資源和生態(tài)保護(hù)進(jìn)行分析。
1.1 西部高原地區(qū)能源資源狀況
青藏高原是全球太陽能三大富集區(qū)之一，單位面積的年總輻射量高出非高原地區(qū)50%~100%，高達(dá)7000~8400 MJ/m2，如圖1所示。青藏地區(qū)海拔超過4 km，日照時(shí)間長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)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(dá)木盆地(25萬km2)是理想和寬廣的太陽能發(fā)電基地[5]。
青藏高原還是我國(guó)風(fēng)能資源的富集區(qū)，如圖2所示。其中西藏的羌塘高原年均有效風(fēng)能密度高達(dá)130~200 W/m2，年風(fēng)力小時(shí)數(shù)超過3000 h;青海的柴達(dá)木地區(qū)和青藏公路東西兩側(cè)的青南高原上，年均有效風(fēng)能密度達(dá)120~220 W/m2，年風(fēng)力小時(shí)數(shù)超過6000 h，風(fēng)能儲(chǔ)量達(dá)800~1060 kW·h/m2 [5]。更為有利的是，兩地區(qū)風(fēng)場(chǎng)與光場(chǎng)的地理位置幾乎重疊，且風(fēng)電與光電的出力既晝夜互補(bǔ)又季節(jié)互補(bǔ)，非常有利于以“風(fēng)光打捆”的方式外送。
根據(jù)上述資源保守估算，柴達(dá)木和羌塘兩地區(qū)各只需提供4萬平方公里的光場(chǎng)，峰值光電容量即可分別達(dá)16億kW，兩地年發(fā)電量分別可達(dá)2.2萬億kW×h。以兩場(chǎng)區(qū)為中心的風(fēng)電裝機(jī)容量分別可達(dá)5億kW，年發(fā)電量各有1萬億kW×h[6]。
圖1 中國(guó)年太陽能輻射總量
Fig. 1 The annual total solar radiation in China
圖2 中國(guó)有效風(fēng)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(qū)能源資源狀況
內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國(guó)內(nèi)陸風(fēng)資源最大的省份，其風(fēng)速大且分布廣。其風(fēng)能資源總儲(chǔ)量達(dá)8.98億kW，技術(shù)可開發(fā)量達(dá)1.5億kW，約占中國(guó)陸地的50%。內(nèi)蒙古風(fēng)電裝機(jī)容量在2014年已達(dá)1848.86萬kW，占當(dāng)時(shí)全國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量的24.5%，居全國(guó)首
位[7]。甘肅省地處黃土、青藏和蒙古三大高原交匯地帶。風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為2.37億kW，占全國(guó)總儲(chǔ)量的7.3%，技術(shù)可開發(fā)量2700萬kW，占全國(guó)的10.6%。甘肅省酒泉地區(qū)，擁有接近4000萬kW的可開發(fā)利用的風(fēng)能資源總量[8]。目前酒泉正在建設(shè)全球最大的風(fēng)力發(fā)電基地，根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃，到2020年裝機(jī)容量將達(dá)1360萬kW。同時(shí)，甘肅省太陽能資源開發(fā)利用潛力非常大。新疆的風(fēng)能可開發(fā)儲(chǔ)量約2000萬kW，居全國(guó)前列。風(fēng)區(qū)總面積達(dá)15.45萬平方公里;有效風(fēng)速時(shí)間為3000 h;總蘊(yùn)藏量約9100億kW×h。新疆的九大風(fēng)區(qū)多處于戈壁上，地形平坦，可開發(fā)面積大，建場(chǎng)條件優(yōu)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(guó)第二位，有極大的光伏開發(fā)潛能[10]。
1.3 西部周邊地區(qū)的能源資源狀況
與西部地區(qū)毗鄰的華北、西南地區(qū)擁有儲(chǔ)量豐富的清潔能源，為西部風(fēng)、光可再生能源的穩(wěn)定外送與充分消納提供了有利條件。
在我國(guó)華北的張家口、承德壩上地區(qū)和沿海秦皇島、唐山地區(qū)蘊(yùn)含有豐富的風(fēng)能、太陽能等可再生資源。風(fēng)能資源可開發(fā)量在4000萬kW以上，太陽能發(fā)電可開發(fā)量在3000萬kW以上[11]。此外，張家口的風(fēng)能資源主要分布于壩上草原，該地區(qū)地勢(shì)平緩、交通便利，非常利于大型風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)。
我國(guó)水能資源非常豐富，理論蘊(yùn)藏年發(fā)電量為6.08萬億kW×h，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)裝機(jī)容量4.02億kW，年發(fā)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(qū)，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(qū)豐富的水能資源，建設(shè)適當(dāng)容量的抽水蓄能電站，通過與西部可再生能源發(fā)電互補(bǔ)外送，可以有效平滑風(fēng)電、太陽能發(fā)電出力，減小其隨機(jī)性、波動(dòng)性，從而有效解決目前新能源面臨的送出困難問題，維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
1.4 西部地區(qū)生態(tài)狀況
由于西部地區(qū)深處亞洲大陸腹地，絕大部分地區(qū)常年干旱少雨，水資源稀缺，土地沙化嚴(yán)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(qū)多數(shù)土壤、植被尚處于年輕的發(fā)育階段，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)單，自身調(diào)節(jié)機(jī)制不健全，恢復(fù)能力較弱，若開發(fā)失當(dāng)，一旦破壞即發(fā)生退化現(xiàn)象。因此，實(shí)施西部大開發(fā)尤須把保護(hù)生態(tài)環(huán)境放在更加突出的地位。切忌盲目照搬中、東部的“引進(jìn)”，嚴(yán)防高耗水、高耗能、高污染所謂三高產(chǎn)業(yè)“轉(zhuǎn)移”。
保護(hù)西部生態(tài)環(huán)境，特別重點(diǎn)保護(hù)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(fā)，許多高山冰雪正加速消融，形勢(shì)已很嚴(yán)峻。近年，中、美科學(xué)家的研究均證實(shí)[13-16]，燃煤排放的煤煙顆粒物即黑碳?xì)馊苣z(簡(jiǎn)稱黑碳)會(huì)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(duì)陽光的反射率，增大了吸熱力，從而導(dǎo)致了冰雪加速融化。19世紀(jì)正是歐洲工業(yè)化時(shí)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(qū)基本上不具備大范圍、大規(guī)模新建火電廠的條件，無法采用“風(fēng)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(qū)高出80%以上，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，采用特高壓聯(lián)網(wǎng)外送已非常困難。
2 柔性直流輸電和直流電網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)
2.1 柔性直流輸電的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
目前，高壓直流輸電技術(shù)主要有基于電網(wǎng)換相換流器技術(shù)(LCC-HVDC)和基于電壓源換流器技術(shù)(VSC-HVDC)，2006年5月，國(guó)家電網(wǎng)公司組織國(guó)內(nèi)直流輸電領(lǐng)域的權(quán)威專家在北京召開的“輕型直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架”研討會(huì)上建議將基于VSC技術(shù)的直流輸電稱為“柔性直流輸電”。
與LCC-HVDC直流輸電技術(shù)相比，柔性直流輸電技術(shù)主要包括如下優(yōu)勢(shì)：1)有功無功的靈活自由控制;2)可向無源網(wǎng)絡(luò)或者弱電網(wǎng)供電，并可由弱電網(wǎng)外送電能;3)不需要交流側(cè)提供無功功率，可以為交流系統(tǒng)提供無功支撐;4)采用可關(guān)斷器件，不存在換相失敗問題;5)易于擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)多端直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)直流潮流的靈活優(yōu)化控制;6)柔性直流輸電可以作為故障后的電網(wǎng)恢復(fù)啟動(dòng)電源，進(jìn)行電網(wǎng)快速恢復(fù);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(tǒng)高壓直流輸電換流站(約為50%)。
2.2 直流電網(wǎng)的發(fā)展與現(xiàn)狀
20世紀(jì)60年代中期，直流電網(wǎng)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(gè)以上換流站，通過串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)方式連接起來的輸電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電和多落點(diǎn)受電[17]。VSC-HVDC技術(shù)因潮流翻轉(zhuǎn)時(shí)不改變電壓極性而更適用于多端直流輸電系統(tǒng)，并且可以在新能源并網(wǎng)、城市直流配電網(wǎng)等方面發(fā)揮巨大的應(yīng)用價(jià)值。隨著VSC-HVDC技術(shù)的飛速發(fā)展以及可關(guān)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(tǒng)和直流電網(wǎng)的主流形式。
對(duì)于直流電網(wǎng)，國(guó)內(nèi)外尚未有統(tǒng)一的定論。根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)資料，直流電網(wǎng)主要具備如下不同于多端直流輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)：
1)多端直流輸電系統(tǒng)中的換流站通過直流線路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接相連。而直流電網(wǎng)中，一個(gè)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(wǎng)孔”結(jié)構(gòu)的輸電系統(tǒng)。
2)多端直流輸電系統(tǒng)不能提供冗余，若整個(gè)拓?fù)渲腥魏我粋€(gè)換流站或線路發(fā)生故障，那么整條線路及該線路的兩側(cè)換流站將全部停運(yùn)。直流電網(wǎng)具有冗余，具有較高的可靠性。當(dāng)一條直流線路發(fā)生故障時(shí)，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(cè)的換流站可以保持正常運(yùn)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(tǒng)中，功率通過直流線路兩側(cè)的換流站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，換流站的送出/接受功率需要相互配合。在直流電網(wǎng)中，直流潮流能夠在直流線路形成的“網(wǎng)孔”中靈活分配，單個(gè)換流站可以獨(dú)立地傳輸功率，且在傳輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換(由發(fā)送/接收狀態(tài)變?yōu)榻邮?發(fā)送狀態(tài))過程中不影響其他換流站的狀態(tài)。
目前，國(guó)內(nèi)外的科研結(jié)構(gòu)和電力企業(yè)圍繞柔性直流電網(wǎng)開展了大量研究與開發(fā)工作。2008年11月，歐盟各國(guó)正式推出了基于柔性直流輸電技術(shù)的超級(jí)電網(wǎng)(Super Grid)計(jì)劃[18-19]。該計(jì)劃擬將北海和波羅的海海域的風(fēng)力發(fā)電以及北非與中東的太陽能發(fā)電通過直流電網(wǎng)互聯(lián)。美國(guó)在2011年提出了“Grid 2030”計(jì)劃[20]。美國(guó)未來電網(wǎng)將建立覆蓋東西兩岸、北至加拿大、南連墨西哥的骨干網(wǎng)架。未來20年，計(jì)劃建設(shè)60余條柔性直流輸電線路，形成與現(xiàn)有交流電網(wǎng)并存的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電的靈活控制。2022年冬奧會(huì)將在北京-張家口舉行，為了推進(jìn)實(shí)現(xiàn)“綠色奧運(yùn)”、“低碳奧運(yùn)”的理念，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了《河北省張家口市可再生能源示范區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，該文件提出將張家口設(shè)立為可再生能源示范區(qū);在張家口建設(shè)國(guó)際領(lǐng)先的“低碳奧運(yùn)專區(qū)”，實(shí)現(xiàn)體育場(chǎng)館用電100%來自可再生能源。目前國(guó)家電網(wǎng)公司正在規(guī)劃建設(shè)張北柔性直流電網(wǎng)示范工程[21]，如圖3所示。該方案計(jì)劃構(gòu)建±500 kV柔性直流環(huán)形電網(wǎng)，通過張北、康保兩地?fù)Q流站匯集當(dāng)?shù)仫L(fēng)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(wǎng)規(guī)劃方案
Fig. 3 VSC DC power grid planning of Zhang Bei
發(fā)電的波動(dòng)，并落點(diǎn)于北京、河北受端電網(wǎng)，形成風(fēng)、光、儲(chǔ)、抽蓄等多形態(tài)電源的廣域交互平臺(tái)，從而有效解決大規(guī)模再生能源安全并網(wǎng)、靈活匯集與穩(wěn)定送出問題，滿足未來張家口地區(qū)可再生能源的外送需求。
以上方案仍處于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，尚未有柔性直流電網(wǎng)工程的投運(yùn)，直流斷路器的實(shí)際工程應(yīng)用亦仍是空白。
3 西部可再生能源并網(wǎng)及外送方案
青藏高原地區(qū)蘊(yùn)含有豐富的風(fēng)光可再生能源資源，然而西部電網(wǎng)網(wǎng)架薄弱，且不具備“風(fēng)光打捆”條件，難以承受大量波動(dòng)性、隨機(jī)性的可再生能源并網(wǎng)。因此，本文提出基于高壓柔性直流電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)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(shù)和多斷口直流斷路器技術(shù)，構(gòu)建超高壓直流電網(wǎng)，匯集羌塘和柴達(dá)木地區(qū)的太陽能、風(fēng)能，通過南北兩路分別與西北、華北風(fēng)光能源基地和西南水力發(fā)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(wǎng)的負(fù)荷中心。
圖4 西部可再生資源并網(wǎng)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(wǎng)能夠有效解決青藏高原地區(qū)大規(guī)模、大范圍的多種類型的可再生能源并網(wǎng)與外送問題。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：
1)為交流系統(tǒng)提供無功支撐，提高可再生能源電力并網(wǎng)安全性與故障穿越能力。西部地區(qū)交流電網(wǎng)薄弱，難以支撐大規(guī)模可再生能源的接入。柔性直流具有獨(dú)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(dòng)問題，并且有效提升光伏發(fā)電和風(fēng)機(jī)的故障穿越能力，提升可再生能源的安全性。歐洲海上風(fēng)電的成功運(yùn)行表明，在交流網(wǎng)架較弱地區(qū)，柔性直流是大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)接入的最優(yōu)方式。
2)有利于可再生能源規(guī)模化接入?yún)R集，輸電能力強(qiáng)、效率高。交流同步電網(wǎng)受穩(wěn)定性約束，接入與送出能力不能滿足西部大規(guī)模可再生能源開發(fā)與外送的需求。柔性直流電網(wǎng)無交流電網(wǎng)的穩(wěn)定問題，其輸送容量和輸送距離遠(yuǎn)超過交流電，便于實(shí)現(xiàn)青藏地區(qū)可再生能源的靈活接入與集中送出。借鑒文獻(xiàn)[23]提供的北美5端口高壓直流輸電系統(tǒng)(額定電壓450 kV，額定功率2000 MW，傳輸距離1480 km)的研究結(jié)論，預(yù)計(jì)自青藏高原通過±500 kV(或±600 kV)直流高壓外送的最遠(yuǎn)距離可達(dá)1600 km(或2000 km)。則±500 kV直流電網(wǎng)可多路東送至川渝地區(qū)、漢中地區(qū)和關(guān)中地區(qū);±600 kV直流電網(wǎng)可多路送至江漢平原和豫中平原。另外，各風(fēng)光發(fā)電場(chǎng)的發(fā)電功率經(jīng)柔直電網(wǎng)的整合外送，可明顯提高輸電通道的效率。
3)多網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)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(tái)。柔直電網(wǎng)可控能力較強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)可再生能源、抽蓄、儲(chǔ)能與負(fù)荷間的靈活能量交互，通過潮流優(yōu)化控制，能夠在內(nèi)部平抑可再生能源發(fā)電功率的波動(dòng)，減少間歇性能源對(duì)受端電網(wǎng)的擾動(dòng)沖擊。此外，直流電網(wǎng)多網(wǎng)孔網(wǎng)架具有冗余，當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí)，可以利用直流斷路器切除故障線路，通過直流網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的潮流轉(zhuǎn)移保障電能的可靠輸送。
4 青藏高原風(fēng)光電力的開發(fā)與外送研究
4.1 總體研發(fā)目標(biāo)與任務(wù)
青藏高原大規(guī)模太陽能、風(fēng)能資源的科學(xué)開發(fā)分別以“青藏高原風(fēng)光電力能源智能開發(fā)”和“基于柔性直流電網(wǎng)的風(fēng)光電力能源基地互聯(lián)外送”為研究目標(biāo)，分析已有及潛在的技術(shù)瓶頸，提出相適應(yīng)的解決方案，為青藏高原太陽能、風(fēng)能資源的合理開發(fā)和有效利用提供技術(shù)支撐，并建立適應(yīng)青藏高原資源稟賦與區(qū)域特色的含高滲透率可再生能源的柔性直流電力系統(tǒng)技術(shù)體系和工程。
上述方案的實(shí)施過程可根據(jù)西部的實(shí)際建設(shè)條件，先近后遠(yuǎn)、先易后難。首先可開發(fā)青海柴達(dá)木及其周邊地區(qū)，包括青藏公路沿線的風(fēng)電。隨著西藏電氣化鐵道向西延伸，進(jìn)一步開發(fā)羌塘地區(qū)。
4.1.1 青藏高原風(fēng)光電力能源開發(fā)
青藏高原風(fēng)光電力能源智能開發(fā)包括5項(xiàng)子研究任務(wù)：1)青藏高原風(fēng)光時(shí)空特性及宏觀選址;2)青藏高原風(fēng)光直流網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)外送綜合方案;3)青藏高原風(fēng)光智能模塊化匯集技術(shù)及裝備;4)不確定性電源智能預(yù)測(cè)及規(guī)劃調(diào)度運(yùn)行技術(shù);5)常規(guī)/新型調(diào)峰技術(shù)及智能裝備。上述任務(wù)需要從基礎(chǔ)前沿、重點(diǎn)技術(shù)、裝置研發(fā)與示范應(yīng)用3個(gè)方面進(jìn)行部署。
基礎(chǔ)前沿研究包括：青藏高原風(fēng)能、太陽能資源時(shí)空分布特性;多約束條件下高原風(fēng)光集中送出通道走廊的選取方法;適用于青藏高原風(fēng)光匯集的模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計(jì)方法;風(fēng)光發(fā)電容量置信度的理論和方法;含大規(guī)模可再生能源接入的電力系統(tǒng)調(diào)峰需求模型。
重點(diǎn)技術(shù)包括：高原地區(qū)風(fēng)光資源評(píng)估與宏觀選址技術(shù);風(fēng)光智能模塊化匯集技術(shù);不確定性電源的智能預(yù)測(cè)及規(guī)劃調(diào)度運(yùn)行技術(shù);常規(guī)電源的深度調(diào)峰技術(shù);大規(guī)模儲(chǔ)能與常規(guī)電源協(xié)調(diào)控制技術(shù)。
裝置研發(fā)與示范應(yīng)用包括：高海拔風(fēng)能、太陽能發(fā)電設(shè)備研發(fā)與示范工程應(yīng)用;基于智能模塊化匯集的高壓大容量光伏/風(fēng)電并網(wǎng)換流器研發(fā)與示范工程應(yīng)用;適應(yīng)調(diào)峰的大規(guī)模儲(chǔ)能智能裝備研發(fā)與示范工程應(yīng)用。
4.1.2 基于柔性直流電網(wǎng)的風(fēng)光電力能源基地互聯(lián)外送
基于柔性直流電網(wǎng)的風(fēng)光電力能源基地互聯(lián)外送包括2項(xiàng)子研究任務(wù)：柔性直流電網(wǎng)關(guān)鍵裝備及核心技術(shù)、柔性直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定技術(shù)。上述任務(wù)也需要從基礎(chǔ)前沿、重點(diǎn)技術(shù)、裝置研發(fā)與示范應(yīng)用3個(gè)方面進(jìn)行部署。
基礎(chǔ)前沿包括：柔性直流電網(wǎng)的等效數(shù)學(xué)模型;柔性直流電網(wǎng)換流器暫穩(wěn)態(tài)特性;柔性直流換流器間的交互影響;交直流混聯(lián)系統(tǒng)間的交互影響。
重點(diǎn)技術(shù)包括：柔性直流電網(wǎng)仿真技術(shù);柔性直流電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制技術(shù);高海拔下?lián)Q流閥絕緣檢測(cè)與在線預(yù)警技術(shù);柔性直流電網(wǎng)廣域測(cè)量與故障保護(hù)技術(shù)。
裝置研發(fā)與示范應(yīng)用包括：高壓大容量電壓源換流器研發(fā)與示范工程應(yīng)用;高壓直流斷路器研發(fā)與示范工程應(yīng)用;高壓DC/DC變換器研發(fā)與示范工程應(yīng)用。
4.2 研發(fā)任務(wù)的預(yù)期成果
在青藏高原風(fēng)光時(shí)空特性及宏觀選址方面，建立高原地區(qū)可開發(fā)風(fēng)能、太陽能資源的評(píng)估體系及多邊界條件下的宏觀選址技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
在青藏高原風(fēng)光直流網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)外送綜合方案方面，提出多約束條件下，基于柔性直流網(wǎng)絡(luò)的高原地區(qū)風(fēng)光集中綜合開發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及送出通道走廊選取準(zhǔn)則。
在青藏高原智能風(fēng)光模塊化匯集方面，提出適用于高原地區(qū)風(fēng)光匯集的模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完成用于模塊化匯集的換流器樣機(jī)并推廣應(yīng)用。
在柔性直流電網(wǎng)關(guān)鍵裝備及核心技術(shù)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(shè)計(jì)體系，完成相應(yīng)樣機(jī)研制并在國(guó)內(nèi)外柔性直流工程中推廣使用。
在柔性直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定技術(shù)方面，開發(fā)柔性直流電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制、柔性直流電網(wǎng)廣域測(cè)量與故障保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，建立柔性直流電網(wǎng)仿真及試驗(yàn)平臺(tái)并推廣應(yīng)用。
在不確定性電源智能預(yù)測(cè)及規(guī)劃調(diào)度運(yùn)行方面，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建大規(guī)模高集中區(qū)域風(fēng)光發(fā)電出力的多時(shí)空尺度爬坡特征預(yù)測(cè)信息平臺(tái)，建立適應(yīng)不確定性電源出力的電力系統(tǒng)電源規(guī)劃、調(diào)度運(yùn)行等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)含大規(guī)模不確定電源的電力系統(tǒng)調(diào)度決策系統(tǒng)并在電網(wǎng)調(diào)度中心推廣使用。
在常規(guī)/新型智能調(diào)峰方面，完善常規(guī)電源深度調(diào)峰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，攻克適應(yīng)調(diào)峰的大規(guī)模儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)，確定多因素約束下的調(diào)峰方案評(píng)估體系，完成大規(guī)模儲(chǔ)能裝備研制并在大型風(fēng)電場(chǎng)和太陽電站中推廣使用。
4.3 關(guān)鍵技術(shù)及裝備
根據(jù)目前直流輸電技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，采用柔性直流電網(wǎng)開發(fā)西部可再生資源的關(guān)鍵技術(shù)及裝備主要包括：柔性直流電網(wǎng)廣域測(cè)量及故障檢測(cè)技術(shù)、柔性直流電網(wǎng)控制保護(hù)技術(shù)、柔性直流電網(wǎng)安全可靠性評(píng)估方法與標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)要討論超高壓直流斷路器和柔性直流電網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)。
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(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，與交流斷路器相比，其技術(shù)難點(diǎn)在于：無電流過零點(diǎn)，需要通過特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(dá)到數(shù)毫秒;直流換流器存在橋臂電抗器和穩(wěn)壓電容器等大容量?jī)?chǔ)能元件，加上相關(guān)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(jù)電流斷開方式的不同，直流斷路器主要可分為3類[24]：機(jī)械式、固態(tài)式和混合式。機(jī)械式直流斷路器通過疊加LC回路產(chǎn)生過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)熄弧和斷流;當(dāng)采用單斷口時(shí)，動(dòng)作行程大，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，目前采用多斷口技術(shù)提高動(dòng)作速度;其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械開關(guān)導(dǎo)通電流，通態(tài)損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本小。固態(tài)式直流斷路器由全控型半導(dǎo)體組件完成電流的強(qiáng)制分?jǐn)啵謹(jǐn)鄷r(shí)間短;但正常導(dǎo)通時(shí)由半導(dǎo)體組件導(dǎo)通電流，通態(tài)損耗高。目前，固態(tài)式直流斷路器的改進(jìn)方案是混合式直流斷路器，它由機(jī)械開關(guān)和半導(dǎo)體組件混合構(gòu)成，兼顧了機(jī)械式斷路器低通態(tài)損耗和固態(tài)式斷路器高分?jǐn)嗨俣鹊膬?yōu)點(diǎn);但實(shí)際上在導(dǎo)通情況下，仍需要串入由半導(dǎo)體器件組成的輔助斷路器，其通態(tài)損耗仍較機(jī)械式高。值得注意的是，在柔直電網(wǎng)條件下雙向開斷能力是直流斷路器很重要的技術(shù)要求，對(duì)于上述各種類型斷路器，這都將增加技術(shù)難度或設(shè)備成本。
目前，國(guó)內(nèi)外的公司、研究機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)、裝置研制、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試向工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化。2012年和2014年，ABB、Alstom和國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)分別完成了80 kV、120 kV、200 kV混合式直流斷路器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制。2014年和2015年，我國(guó)高校也分別完成了雙斷口55 kV、單斷口40 kV，開斷用時(shí)約為3 ms的機(jī)械式直流斷路器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制。國(guó)內(nèi)外直流斷路器研發(fā)情況如表1所示，其中，電流值均為該型斷路器可達(dá)到的額定電流，而故障開斷電流能達(dá)到15 kA以上。
需要指出，機(jī)械式直流斷路器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通態(tài)損耗小、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，是直流斷路器重要的發(fā)展方向。傳統(tǒng)機(jī)械式多斷口直流斷路器需要通過高壓儲(chǔ)能元件和觸發(fā)間隙形成直流電流的過零點(diǎn)，并通常按分?jǐn)嗫诙嘟M配置，增加了實(shí)現(xiàn)難度和不可靠性;為了應(yīng)對(duì)雙向斷流問題，需要判斷故障電流方向并增加儲(chǔ)能和觸發(fā)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(shù)的性能對(duì)比
Tab. 1 The comparison of the typical DC breaker technologies
類型額定參數(shù)開斷時(shí)間能否雙向開斷是否需要判別
電流方向預(yù)充電容
能量總?cè)萜?/p>
能量通態(tài)損耗同參數(shù)下
造價(jià)
國(guó)外技術(shù)混合式(ABB樣機(jī))320 kV/2kA3~5 ms理論上可行，但需要
雙倍開斷元件需要。并根據(jù)電流方向控制對(duì)應(yīng)的電力電子器件或者觸發(fā)器件//較高1~2億
混合式(Alstom樣機(jī))120 kV/1.5kA5.5 ms//較高1~2億
國(guó)內(nèi)技術(shù)混合式200 kV/2kA3 ms//較高1~2億
傳統(tǒng)機(jī)械式55 kV/2kA約3 ms100%100%低1~2千萬
新型機(jī)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(shù)難題。目前，華中科技大學(xué)正在研制一種開斷能力接近固態(tài)式直流斷路器，采用模塊化、組合式設(shè)計(jì)理念的新型機(jī)械式多斷口高壓直流斷路器。該項(xiàng)技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：預(yù)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(gè)串聯(lián)間隙減少為單個(gè)同電壓等級(jí)間隙，并利用等離子體射流觸發(fā)間隙，有效減小了觸發(fā)間隙和提高了觸發(fā)可靠性;應(yīng)用全新?lián)Q流方式，無需判斷故障方向，實(shí)現(xiàn)了雙向故障電流開斷;采用多級(jí)串聯(lián)高速直流開關(guān)模塊，可滿足高電壓和大容量的擴(kuò)展需求。
4.3.2 柔性直流電網(wǎng)繼電保護(hù)
1)柔性直流電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)的要求。
柔性直流電網(wǎng)的繼電保護(hù)涉及直流線路以及換流器、DC/DC變換器等相關(guān)直流輸電設(shè)備的保護(hù)內(nèi)容。柔性直流電網(wǎng)是一個(gè)“低慣量”系統(tǒng)，發(fā)生故障時(shí)，由于柔性直流換流設(shè)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(wǎng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)等因素均有關(guān))，數(shù)毫秒內(nèi)達(dá)到峰值，故障影響瞬間波及整個(gè)直流電網(wǎng)。因此，柔直電網(wǎng)保護(hù)在滿足繼電保護(hù)“四性”要求方面的技術(shù)難度更高。
在速動(dòng)性方面，要求柔性直流電網(wǎng)繼電保護(hù)超高速動(dòng)作，其動(dòng)作時(shí)間主要受3方面因素的制約：①柔直電網(wǎng)穩(wěn)定性的約束;②直流換流設(shè)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(wǎng)故障的典型切除時(shí)間僅允許為5~6 ms。
在選擇性方面，柔性直流電網(wǎng)與傳統(tǒng)直流和多端直流輸電系統(tǒng)的根本區(qū)別之一在于直流斷路器的應(yīng)用，電網(wǎng)中的任何故障必須要斷路器所限定的最小區(qū)域內(nèi)切除，并需要保持主后備保護(hù)的配合。另外，線路保護(hù)需要在換流設(shè)備保護(hù)動(dòng)作之前切除故障線路，從而保證換流設(shè)備以及正常線路的持續(xù)運(yùn)行，維護(hù)直流電網(wǎng)的供電可靠性。
在靈敏性方面，受換流器控制調(diào)節(jié)作用和線路分布電容的影響，線路保護(hù)更難檢測(cè)直流線路的高阻接地故障。
在可靠性方面，柔直電網(wǎng)的保護(hù)尤其是線路保護(hù)將獨(dú)立于控制而自成系統(tǒng)，需要綜合解決新型傳感器、高速檢測(cè)與通信等關(guān)鍵技術(shù)難題，這對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。
2)柔性直流電網(wǎng)線路保護(hù)方案研究。
柔性直流電網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)的研究主要包括如下內(nèi)容：柔直電網(wǎng)故障特性分析與仿真，繼電保護(hù)原理及配置方案，以及新型傳感器、信息高速測(cè)量及通信等保護(hù)支撐技術(shù)。下面以柔性直流電網(wǎng)線路保護(hù)為例扼要討論線路故障特性、保護(hù)原理及相關(guān)支撐技術(shù)。
直流線路故障短路電流的暫態(tài)過程和分布特性與換流器類型、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、線路參數(shù)等因素密切相關(guān)。為了節(jié)省造價(jià)，目前直流電網(wǎng)傾向于采用半橋型MMC換流器，直流線路發(fā)生短路故障時(shí)，其短路過程可分解為電容放電、橋臂電抗續(xù)流以及電網(wǎng)電流饋入等幾個(gè)階段[25]。在線路發(fā)生故障后、換流器閉鎖前，故障電流將會(huì)到達(dá)最大值。直流線路保護(hù)需要在故障電流上升至換流設(shè)備的耐受能力、直流斷路器的切除容量之前快速動(dòng)作隔離故障。根據(jù)某在建直流電網(wǎng)工程技術(shù)要求，要求線路故障的清除時(shí)間僅為6 ms，除去直流斷路器的動(dòng)作時(shí)間3 ms，留給線路保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間不大于3 ms，這時(shí)尚處于故障暫態(tài)的初始階段。傳統(tǒng)交流系統(tǒng)保護(hù)通常采用縱聯(lián)保護(hù)作為主保護(hù)，它需要依賴通信實(shí)現(xiàn)基于雙端量的故障檢測(cè)，這種保護(hù)方式難以滿足柔直電網(wǎng)的超高速保護(hù)要求。柔直電網(wǎng)線路故障信息以行波形式在直流電網(wǎng)傳輸，其傳播延時(shí)會(huì)進(jìn)一步壓縮留給直流線路雙端量保護(hù)判斷故障的時(shí)間。以長(zhǎng)度為300 km的直流架空線路靠近換流站側(cè)發(fā)生短路故障為例，故障行波以近光速傳播至對(duì)側(cè)換流站需要約1 ms，對(duì)站檢測(cè)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(jī)等通信設(shè)備的延時(shí)，本站接受到對(duì)側(cè)站發(fā)來故障信息的等待時(shí)間將超過3 ms，本站保護(hù)已沒有時(shí)間進(jìn)行故障判別，無法在3 ms內(nèi)動(dòng)作。因此，需要尋求基于單端信息的保護(hù)技術(shù)。
具有選擇性的單端量主保護(hù)可行方案之一為行波保護(hù)。單端量行波保護(hù)的重點(diǎn)在于區(qū)分線路內(nèi)外部故障，對(duì)此可通過邊界保護(hù)的方法來解決。該方法通過在線路兩側(cè)加裝電抗器以構(gòu)建行波邊界，利用故障行波經(jīng)過電感后特性的變化，以區(qū)分線路內(nèi)外部故障。此外，欠壓微分保護(hù)作為傳統(tǒng)直流線路廣泛應(yīng)用的單端量主保護(hù)，其通過判斷電壓及其跌落率的大小檢測(cè)直流線路故障，通過選取合理的定值，也可以快速、準(zhǔn)確地識(shí)別大部分線路故障特征并實(shí)現(xiàn)故障選線。上述方案涉及保護(hù)判據(jù)、電抗器參數(shù)以及傳感器設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，需要結(jié)合柔性直流電網(wǎng)的特點(diǎn)深入研究和論證。
縱聯(lián)保護(hù)等基于雙端信息的線路保護(hù)，受通信及故障行波傳輸?shù)挠绊懺斐蓵r(shí)間延遲，但仍可以作為直流線路的(準(zhǔn))后備保護(hù)。它需要研究解決2個(gè)問題：直流設(shè)備的調(diào)節(jié)作用和線路分布電容的充放電過程對(duì)保護(hù)靈敏度的影響;保護(hù)動(dòng)作策略及其對(duì)換流器、直流斷路器安全運(yùn)行的影響。還需要加強(qiáng)其他的各種后備保護(hù)原理，譬如欠壓過流保護(hù)和低電壓保護(hù)等。
對(duì)于柔性直流電網(wǎng)線路的保護(hù)方案，尚未有工程應(yīng)用實(shí)例。根據(jù)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(hù)、欠壓微分保護(hù)作為直流線路的主保護(hù)，采用縱差保護(hù)、欠壓過流保護(hù)和低電壓保護(hù)作為后備保護(hù)。
3)柔直電網(wǎng)線路保護(hù)的相關(guān)技術(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)柔直電網(wǎng)線路的超高速保護(hù)，相關(guān)的測(cè)量、通信等支撐技術(shù)需要進(jìn)一步完善，以滿足柔性直流電網(wǎng)的安全防護(hù)要求。現(xiàn)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(yīng)頻帶，但是傳統(tǒng)的直流保護(hù)并不要求高速動(dòng)作，因此柔直電網(wǎng)的傳感器系統(tǒng)需要重新按照超高速保護(hù)的應(yīng)用要求進(jìn)行論證和改進(jìn)。相對(duì)于常規(guī)高壓直流工程，柔性直流電網(wǎng)中對(duì)直流電壓、電流測(cè)量性能提出了更高的性能要求：為了配合超高速保護(hù)算法的執(zhí)行周期，要求采樣頻率由10 kHz提高至50 kHz;為減少保護(hù)檢測(cè)故障的時(shí)間，要求采樣延時(shí)由0.5 ms縮短至100 ms;采用單橋結(jié)構(gòu)的換流器，故障電流更大，要求采集系統(tǒng)具備更寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。柔直電網(wǎng)的雙端量線路保護(hù)對(duì)通信速度有著較高的要求，目前柔直工程中的保護(hù)通信是通過控制系統(tǒng)的站間通信通道實(shí)現(xiàn)，這種復(fù)用方式延時(shí)較大，難以滿足柔直電網(wǎng)線路保護(hù)的要求，需要配置專用的保護(hù)高速通信通道。
5 結(jié)語
我國(guó)的西部地區(qū)可分為高原地區(qū)和非高原地區(qū)，均含有豐富的風(fēng)光可再生資源。充分開發(fā)利用西部包括高原地區(qū)的風(fēng)光能源可以基本填補(bǔ)我國(guó)未來的電力缺口，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)向清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型。
西部高原地區(qū)的可再生能源開發(fā)與電力外送存在較高的技術(shù)難度，本文基于超高壓柔性直流電網(wǎng)技術(shù)，并根據(jù)周邊地區(qū)狀況，提出了西部高原地區(qū)經(jīng)南北兩路通道電能外送方案，從基礎(chǔ)前沿、重點(diǎn)技術(shù)、裝置研發(fā)與示范應(yīng)用討論了“青藏高原風(fēng)光電力能源智能開發(fā)”和“基于柔性直流電網(wǎng)的風(fēng)光電力能源基地互聯(lián)外送”2方面的研發(fā)任務(wù)，明確了預(yù)期成果。
針對(duì)西部風(fēng)光能源資源開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)及裝備問題，重點(diǎn)對(duì)超高壓直流斷路器和柔性直流電網(wǎng)繼電保護(hù)進(jìn)行了初步討論。在總結(jié)直流斷路器主要技術(shù)和形式的基礎(chǔ)上，介紹了一種研制中的采用模塊化、組合式設(shè)計(jì)理念的新型機(jī)械式多斷口高壓直流斷路器，它在低價(jià)格、高可靠性、高適應(yīng)性方面具有優(yōu)勢(shì)。在總結(jié)柔直電網(wǎng)故障時(shí)具有短路電流上升極快、安全約束條件苛刻特征的基礎(chǔ)上，建議了以單端量暫態(tài)行波邊界保護(hù)和欠壓微分保護(hù)作為直流線路超高速主保護(hù)，以縱聯(lián)保護(hù)等作為后備保護(hù)的配置方案，此方案能夠滿足3 ms快速切除故障的技術(shù)要求。
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