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張小平：能源互聯(lián)挑戰(zhàn)應(yīng)對之道——以柔克剛

2018-02-01 14:18:40 電力系統(tǒng)自動化　點擊量：評論 (0)

英國伯明翰大學(xué)張小平教授在首屆全球華人電氣與能源工程師大會暨能源互聯(lián)網(wǎng)裝備技術(shù)高峰論壇上作了題為全球能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵：柔性技術(shù)的大

5. 以柔克剛的思想的具體應(yīng)用：柔性化的傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)

對設(shè)備的剛性，可應(yīng)用柔性技術(shù)加以克服。眾所周知，直流輸電系統(tǒng)目前主要有兩大類，即傳統(tǒng)的基于晶閘管的直流輸電系統(tǒng)(LCC HVDC)和基于IGBT技術(shù)的柔性電壓源型直流輸電技術(shù)(VSC HVDC，MMC VSC HVDC)。傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)點包括低損耗、大功率及超大功率應(yīng)用(例如：特高壓直流)，低投資費用，直流側(cè)短路可有效控制，技術(shù)成熟，并成為特高壓直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)。其缺點包括逆變側(cè)交流故障引起的換相失敗，換流器的大量無功消耗，無法提供快速無功與電壓控制等。而與此相比，傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)點恰恰是柔性直流輸電技術(shù)的缺點。而傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的缺點恰恰是柔性直流輸電技術(shù)的優(yōu)點。為克服傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的換相失敗，工業(yè)界、學(xué)術(shù)界曾提出圖2所示的基于固定電容器的解決方案。在這一方案中，在換流閥與換流變之間接入固定電容器。這一方案對換流器的無功消耗有一定的幫助，而對換相失敗的改善非常有限。究其原因，主要是固定電容器是剛性的(即不可控的)。這一方案的本質(zhì)是以剛克剛，即以不可控的固定電容器抵御換相失敗的剛性，因而無法根本解決傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)換向失敗問題。

圖2 利用固定電容器解決傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的換相失敗(以剛克剛的實例)

可以想見，如能克服傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的缺點，即逆變側(cè)交流故障引起的換相失敗，換流器的大量無功消耗，無法提供快速無功與電壓控制，我們就可以使這項技術(shù)更為優(yōu)越。此處傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的剛性在于逆變側(cè)交流故障引起的換相過程的不可控性。為了克服傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的剛性，伯明翰大學(xué)最近提出了柔性傳統(tǒng)直流系統(tǒng)，我們在傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的換流閥與變壓器之間引入了由電力電子完全可控的電容器(即柔性可控的電容器)，如下圖3所示。其實質(zhì)是在傳統(tǒng)直流系統(tǒng)中引入可控(柔性)電容器，提供穩(wěn)定的換相電壓，從而消除交流側(cè)故障及無功功率的剛性，即不可控性，從而使直流系統(tǒng)換向過程完全可控，即完全實現(xiàn)直流系統(tǒng)換向過程的柔性化。這使得柔性傳統(tǒng)直流系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)直流系統(tǒng)與柔性直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)點，而克服各自的不足。在圖3中，由于柔性技術(shù)的引入，使得如傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)能夠完全消除逆變側(cè)交流故障引起的換相失敗，并能提供快速無功與電壓控制。我們稱這項技術(shù)為：柔性傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission Systems)。

柔性傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission Systems)具體詳見文獻：

Y. Xue, X.-P. Zhang, “Reactive Power and AC Voltage Control of LCC HVDC System with Controllable Capacitors,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 32, no. 1, pp. 753-764, Jan. 2017.DOI: 10.1109/TPWRS.2016.2557342. http://ieeexplore.ieee.org/document/7465837/

圖3 柔性傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)抵御換相失敗(以柔克剛的實例)

圖4 柔性傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的換相過程：從a相換到b相

圖4顯示柔性傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的換相過程：從a相換到b相。由于換相過程中可控電容的柔性作用，使得換相過程穩(wěn)定、可控，即柔性。

如上所述，筆者認為能源互聯(lián)網(wǎng)的根本挑戰(zhàn)是系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。各種技術(shù)發(fā)展應(yīng)服從于系統(tǒng)問題的解決。以柔克剛是能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)剛性挑戰(zhàn)的根本解決之道。希望有更多的學(xué)者參加討論，推動新型柔性技術(shù)的研發(fā)，助力低碳能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

作者介紹

張小平，英國伯明翰大學(xué)電氣、電子及系統(tǒng)工程學(xué)院教授。IEEE高級會員，擔任IEEE電力與能源學(xué)會電力經(jīng)濟標準測試系統(tǒng)工作組組長，國際自動控制聯(lián)合會電力與能源控制分會秘書長。中英智能電網(wǎng)戰(zhàn)略論壇創(chuàng)始人，中國電機工程學(xué)會英國分會副理事長。