柔性直流输电技术的特点及应用前景分析
陕西省长安大学附属学校  贾勇鑫【摘要】柔性直流输电技术可以建设出灵活、坚强、高效的电网结构，是充分发挥可再生能源优势的有效途径，代表着直流输电领域的发展和研究方向，已在全世界得到了广泛的发展和应用。本文先介绍了柔性直流输电系统的构成，重点介绍了模块化多电平换流器的结构、子模块结构以及换流器的波形特点，从功率控制、输送容量、可靠性、输电距离等角度，分析了柔性直流输电系统的优点和缺点，分析展望了柔性直流输电系统的应用前景。
【关键词】柔性直流输电；模块化多电平换流器；分布式电源；孤岛供电
0  引言
高压直流(high voltage direct current, HVDC)输电已经广泛应用在远距离大容量输电、海底电缆输电和非同步联网等工程领域，目前世界范围内已投运了100多个直流输电工程。高压直流输电在我国“西电东送，全国联网”发展战略中，起着举足轻重的作用。在实际工程应用中，电力电子技术快速发展，取得了一系列新的研究成果，柔性直流作为电力领域中的新一代前沿科技，为电网中的诸多问题提供了优异的解决方案，为进行输电方式变革和建设坚强电网提供了有利的保障。
1990年，加拿大McGill大学Boon-Teck等学者最早提出了基于电压源型换流器的高压直流输电这一概念。
基于电压源型换流器的高压直流输电可以通过控制电压源换流器中全控型电力电子器件——绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的开断，调节系统电压，从而控制系统交流侧功率水平，因此可以进行功率输送和稳定电网，从而可以避免现有输电技术存在的许多问题，国内称之为柔性直流输电。
较早时期的柔性直流输电工程中，系统拓扑结构方面采用的是两电平或三电平换流器，这种系统在运行过程中的缺点是谐波含量高、开关损耗大，但是目前的实际工程对系统电压等级和容量水平的要求不断提高。2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学R.Marquart和A.Lesnicar共同提出了模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）拓扑，该拓扑结构通过将子模块进行标准化，然后将其进行串联，从而较为方便地实现系统的高压大容量化，输出多电平效果的电压，系统的谐波性能优异。MMC技术的提出和工程中的应用，提升了柔性直流输电系统的运行特性，加快了柔性直流输电技术的推广应用[1-3]。
本文先介绍了柔性直流输电系统的构成，重点介绍了模块化多电平换流器的结构，分析了柔性直流输电系统的特点，最后展望了其应用前景。
1.模块化多电平换流器（MMC）结构
柔性直流输电系统主要包括以下几部分：电压源换流器、桥臂电抗器、联结变压器、交流开关设备、直
流电容、输电线路、直流开关设备、测量系统、控制与保护装置等。换流站是柔性直流输电系统最主要的组成部分，根据其运行状态的不同，可以将其分为整流站和逆变站，换流器是构成换流站的重要设备之一。
MMC具有“模块化”的特点，可以根据系统需要，灵活控制输出的阶梯波波形。当系统子模块数量较少时，电平间压差大，阶梯波锯齿明显，但是当子模块数量较多时，波形品质明显变好。模块化多电平换流器这一拓扑结构可以采用最近电平逼近调制，这一调制方式不仅可以极大的降低子模块器件的开关频率，同时还能够保证系统较好的波形品质，还可以降低的谐波含量[2,3]。2.柔性直流输电的特点
2.1  优势
柔性直流输电相对于传统高压直流输电技术，存在以下几个方面的优势：
（1）不需要交流侧提供无功功率，没有换相失败问题。传统高压直流输电系统中，换流站需要吸收大量的无功功率，因此必须增设诸多无功补偿装置；同时，传统直流输电在换相过程中，依赖交流系统的电压支撑，如果交流系统的电压支撑能力较弱，可能导致系统发生换相失败，而柔性直流技术不存在换相失败的问题。
（2）柔性直流输电技术可以在4象限内运行，可以实现独立控制有功和无功功率，从而实现向无源网络
供电。柔性直流输电可以作为STA T-COM应用，对交流侧的无功功率进行补偿，稳定交流电压。传统直流输电只能在2象限运行，不能对有功功率和无功功率进行独立控制。
（3）谐波含量较小，几乎不需要滤波装置。柔性直流输电的开关频率相对较高，因此系统产生的谐波较少，从而几乎不需要进行滤波。
2.2  局限性
由于受到元件制造工艺水平和拓扑结构的制约，柔性直流输电技术也存在一定的局限性。
（1）输送容量有限。目前柔性直流输电工程的输送容量较低，一方面是受到电压源换流器器件结温容量的限制，系统单个器件的通流能力较低；另一方面受到直流电缆电压的制约。
（2）故障承受能力和可靠性偏低。由于目前工程中的直流断路器不能对系统的大电流进行开断，而在拓扑方面，柔性直流输电系统不能完全阻断故障电流，因此系统对直流侧故障不能够自清除，降低系统的故障承受能力和可靠性。
（3）损耗较大。柔性直流输电技术与传统直流输电相比来说，开关频率较高，因此导致开关损耗很大。目前模块化多电平的柔性直流输电工程中，系统损耗可以实现在系统输送功率的1%以内，与传统直流输电系统的损耗百分比很接近，但是系统容量较低，如将系统的容量提升，则系统损耗也进一步增大。
（4）输电距离较短。目前的技术中架空线传输的缺点仍然存在，因此柔性直流输电工程的电压水平很难得到进一步的提高，同时柔性直流输电系统的损耗相较于传统直流来说比较大，从而限制了柔性直流输电的输电距离[4,5]。
3.柔性直流输电的应用前景
柔性直流输电在我国的发展前景较好，应用广泛，主要分析以下几个方面。
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流供电供于部分动力机房使用，该方式所消耗的能耗相对于集中供电方式而言有所减少。通信电源系统中，谐波治理技术的应用可预防谐波失真，通过对电网负载特性的积极改善，可使对其他网络设备造成谐波干扰的情况得到控制，不但能实现电源设备额定容量的节省，还能使设备的利用效率提高、能量损耗降低。
2.3  通信网络中节能技术的应用
移动通信业务规模扩大的同时，也增加了的耗电总量。针对移动通信节能而言，应在尽量减少移动通信使用数量的同时，获取相同的网络覆盖范围，以此实现移动通信耗电量的减少。具体
来说，应从以下几个方面进行：其一，优化无线网络，在确保通信质量的前提下，尽量将数量减少；其二，不断深入风能、太阳能等清洁能源的研究工作，在移动通信中应用新能源供电技术；其三，通过发射功率的充分应用，可实现设备功率管的有效控制。在与通信网络实际应用状况相结合的情况下，通过上述方法可实现通信综合能耗的有效降低。
2.4  通信网络系统机房空调中节能技术的应用
对于通信网络系统机房空调节能而言，可通过部分重要控制技术的积极引进，实现空调设备能源损耗的降低。首先，将新型的变频空调设备安装至通信网络机房中，以此对空调设备制冷剂损耗进行控制，通过对空调设备换热运行过程中隔绝，推动新型节能系统的形成；其次，对开关空调设备的冷热运行通道进行隔离，通过运行方式合理的构建，实现更为健康的空调设备动力服务、更为合理的气流运行，并在借助通信网络机房环境监控系统对机房环境变化实时监测的基础上，实现机房环境内环境指数的稳定与健康。
对于通信网络机房空调系统而言，持续、高效运行的压缩机与电机是其能耗的主要来源，通过变频节能方式的应用，可实现空调设备能耗的减少[4]。在对空调设备压缩机转速合理调节、控制的前提下，实现科学的变频调节，以此使空调设备能耗降低，最终实现空调设备服务运行效率的提升。在构建新型的通信网络机房节能系统时，对于机房外部的自然环境可积极利用，将温度监测系统构建于机房外，一旦所
监测的机房外部环境温度、湿度超出机房环境运行标准时，借助机房节能控制系统在机房内部引入机房外部的自然、新鲜空气，通过对机房内部空气环境质量的调节，实现空调设备长期运行所耗能源的降低。
3  结语
综上所诉，在现代经济体系的组成中，建立在现代信息技术上的通信网络行业十分重要，能立足于多角度进行必要信息服务的提供，实现独特、全方位的信息网络体系。通信网络能耗问题与节能技术之间所存在的关系是相辅相成的，而非相互排斥，对于节能技术而言，高耗能是其发展的前提，而降低能耗则是其应用的保障。当前，科学技术的地位更加突出，各国之间核心技术的竞争也逐渐成为经济竞争的一个内容。
参考文献
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[3]陈锦勇.分析通信网络能耗与节能技术应用[J].移动信息,2016(5): 00012-00012.
[4]郑坤.通信网络能耗分析与节能技术应用探究[J].电子测试,2016(13):78-79.
（上接第51页）
（1）大规模送电和交直流系统联网
我国西部地区能源含量充足，负荷较少；而东部地区的特点是能源含量缺乏，负荷较多。能源储备和负荷分布有地区差异，对系统进行大容量、远距离输电提出了要求，因此需要大量布局特高压直流输电工程。
（2）分布式电源并网
分布式电源单台机组容量较小，非常容易受到风、光等气候因素干扰，具有明显的波动性和间歇性。
（3）电网增容改造与进行直流供电
柔性直流输电系统运行过程中的谐波含量较少，可以快速地控制系统功率，从而有效提高电能质量；柔性直流输电换流站比传统直流输电占地面积小，可以进一步节约土地资源，减少不必要的浪费；同时系统能够根据系统需求控制交流侧的电流，使得控制系统短路容量成为可能。
（4）向弱系统或孤岛供电
柔性直流输电系统在换相过程中，不需系统外提供换相电压，同时系统可以在无源逆变状态下运行，无源网络也可以作为受端系统，可以很好的为偏远地区进行供电，但是柔性直流输电采用架空线路时所存在的供电可靠性问题仍需解决[4,6-7]。
4  结论
柔性直流输电技术可以建设出灵活、坚强、高效的电网结构，是充分发挥可再生能源优势的有效途径，代表着直流输电领域的发展和研究方向，已在全世界得到了广泛的发展和应用。
（1）柔性直流输电系统主要由电压源换流器、桥臂电抗器、联结变压器、交流开关设备、直流电容、输电线路、直流开关设备、测量系统、控制与保护装置等构成，模块化多电平换流器的特点之一就是模块化，可以根据系统要求方便地进行多电平阶梯波输出。
（2）柔性直流输电不存在换相失败问题，可以独立控制系统的有功和无功功率，具有谐波含量小等优势；但同时也有输送容量有限，可靠性较低，损耗较大，输电距离较短等局限性。
（3）柔性直流输电主要应用于大规模送电和交直流联网，分布式电源并网，大城市电网增容与直流供电，向弱系统或孤岛供电。
参考文献
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模块化电源
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[7]徐政，陈海荣.电压源换流器型直流输电技术综述[J].高电压技术,2007,(01):1-10.
作者简介：
贾勇鑫（2001—），男，汉族，陕西西安人，现就读于长安大学附属学校高，研究方向：柔性直流输电。