張小平：能源互聯挑戰應對之道——以柔克剛
英國伯明翰大學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網裝備技術高峰論壇上作了題為全球能源互聯網的關鍵：柔性技術的大...
5. 以柔克剛的思想的具體應用： 柔性化的傳統直流輸電系統
對設備的剛性，可應用柔性技術加以克服。眾所周知，直流輸電系統目前主要有兩大類，即傳統的基于晶閘管的直流輸電系統(LCC HVDC)和基于IGBT技術的柔性電壓源型直流輸電技術(VSC HVDC，MMC VSC HVDC)。傳統直流輸電系統的優點包括低損耗、大功率及超大功率應用(例如：特高壓直流)，低投資費用，直流側短路可有效控制，技術成熟，并成為特高壓直流輸電的關鍵技術。其缺點包括逆變側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，傳統直流輸電系統的優點恰恰是柔性直流輸電技術的缺點。而傳統直流輸電系統的缺點恰恰是柔性直流輸電技術的優點。為克服傳統直流輸電系統的換相失敗，工業界、學術界曾提出圖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直流輸電系統換向失敗問題。
圖2 利用固定電容器解決傳統直流輸電系統的換相失敗(以剛克剛的實例)
可以想見，如能克服傳統直流輸電系統的缺點，即逆變側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更為優越。此處傳統直流輸電系統的剛性在于逆變側交流故障引起的換相過程的不可控性。為了克服傳統直流輸電系統的剛性，伯明翰大學最近提出了柔性傳統直流系統，我們在傳統直流輸電系統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。其實質是在傳統直流系統中引入可控(柔性)電容器，提供穩定的換相電壓，從而消除交流側故障及無功功率的剛性，即不可控性，從而使直流系統換向過程完全可控，即完全實現直流系統換向過程的柔性化。這使得柔性傳統直流系統結合了傳統直流系統與柔性直流輸電系統的優點，而克服各自的不足。在圖3中，由于柔性技術的引入，使得如傳統直流輸電系統能夠完全消除逆變側交流故障引起的換相失敗，并能提供快速無功與電壓控制。我們稱這項技術為：柔性傳統直流輸電系統(Flexible AC Transmission Systems)。
柔性傳統直流輸電系統(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 柔性傳統直流輸電系統抵御換相失敗(以柔克剛的實例)
圖4 柔性傳統直流輸電系統的換相過程：從a相換到b相
圖4顯示柔性傳統直流輸電系統的換相過程：從a相換到b相。由于換相過程中可控電容的柔性作用，使得換相過程穩定、可控，即柔性。
如上所述，筆者認為能源互聯網的根本挑戰是系統的挑戰。各種技術發展應服從于系統問題的解決。以柔克剛是能源互聯網系統剛性挑戰的根本解決之道。希望有更多的學者參加討論，推動新型柔性技術的研發，助力低碳能源互聯網的發展。
作者介紹
張小平，英國伯明翰大學電氣、電子及系統工程學院教授。IEEE高級會員，擔任IEEE電力與能源學會電力經濟標準測試系統工作組組長，國際自動控制聯合會電力與能源控制分會秘書長。中英智能電網戰略論壇創始人，中國電機工程學會英國分會副理事長。
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