将电卖到外国去!中国电网掀起的这场革命 将美国远远甩在身后

多端直流输电技术

多端直流输电(MTDC)系统是由3个或3个以上换流站通过串联、并联或混联方式连接起来的输电系统，能够实现多点直流联网、分区电力消纳，各换流站的出线大大减少，比采用多个两端直流输电系统更为经济。多端直流输电系统中的换流站既可作为整流站运行，也可作为逆变站运行，运行方式更加灵活，能够充分发挥直流输电的经济性和灵活性。

由于多端直流系统存在控制保护技术复杂、关键设备制造困难以及潮流翻转需要改变电压极性等因素，导致目前投运的常规直流输电工程中绝大多数为两端直流输电系统。而VSC}IVDC技术具有潮流翻转时不改变电压极性的技术优势，可实现向弱交流系统供电和连接海上风电场等功能，因此更适合构成多端直流系统[[I A]。

直流输电网络技术

直流输电网络(HVDC grid)是大量直流端以直流形式互联组成的网格化能量传输网络，相当于多端直流系统的扩展。其与多端直流系统最根本的区别在于:多端直流系统是从交流系统引出多个换流站，通过多组点对点直流连接不同的交流系统，多端直流没有网格，没有冗余，可靠性低;而直流输电网是一个具有“网孔”的输电系统，交流系统通过一个换流站直接与电网连接，换流站之间有多条直流线路通过直流断路器连接，整个系统拥有冗余，可靠性高， 由于直流电网中换流站数量的大幅减少，从而降低了建设投资成本和电能传输损耗;与此同时，直流电网中换流站可以自由改变传输状态，而不影响其他换流站;直流电网运行方式更加可靠，即使某条线路停运或检修，也不会影响到整个直流电网。直流电网含有多个直流电压等级，集成多种直流输电方式，运行方式多样，控制手段灵活，可提高整个交直流混合电力系统的运行稳定性。

利用直流电网“多点对一点”的网架结构可以实现风电、光伏发电等新能源发电基地的可靠接入，最大限度地大范围消纳新能源电力，并减小波动功率注入对电网的影响，同时，可充分利用现有交直流输电设备，实现交直流电网之间的连接和故障隔离[Czol。而且直流电网网架结构简单，易于扩建，为新能源并网规模的提升与扩建提供了良好的网架支持。

海底电缆技术

跨海输电和海上风电送出均需依托直流海底电缆技术，预计到2020年，欧洲电网将新增直流线路9 600 km(主要是海底电缆)，用于北海海上风电的送出、波罗的海三国与北欧国家的连接、意大利与地中海国家的连接[}z o。由于交流电缆存在较大容性电流，当海底电缆长度超过40 km时，直流电缆在技术和经济上更具优势。依托直流输电技术的海底电缆输送容量大、损耗小，海水散热快，海缆绝缘热老化损坏程度低，因此己成为世界各国海底电缆输电工程建设的主流。

目前，直流海底电缆输送容量及输送电压等级却存在一定限制，其中交联聚乙烯(XLPE)电缆最高参数为320 kV /500 MW豁性浸渍纸绝缘(MI)电缆最高参数为500 kV /1 000 MW，而电压等级可达到800 kV的自容式充油(SCOF)电缆则由于有漏油污染环境的隐患，不适宜用于海底电缆的制造。MI电缆虽有较高的电压等级，但造价较高，难以大范围推广，因此研究重点集中在XLPE电缆上。目前，士500 kV的XPLE电缆己处于试验阶段，有望在近两年内得到工程应用。

储能技术

储能技术是实现风能、太阳能等可再生能源发电规模化利用的关键技术[}zo。电力系统的储能技术包括抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超导储能、超级电容器储能及电池储能等。不同储能形式具有明显的差异，包括储能容量、储放时间、全过程效率及储能经济性等。储能技术在超级电网中的应用如下。

1)小规模储能。可用于电力电子换流器对旋转电机的惯性仿真，由于其所需能量少，甚至可以直接整合进换流器中。此外，换流器和旋转电机藕合进入交流系统(例如风力发电机)，电网侧惯性仿真所需能量可以通过旋转电机的暂时加速或减速得到，为了达到这一目的，所需储能装置的响应速度必须是毫秒级或秒级的。

2)中规模储能。可用于初级、次级控制备用能量以维持系统频率稳定，即旋转备用。当可再生能源取代常规发电时，需要结合储能设备缓解其输出波动，例如飞轮储能和电池储能等。

3)大规模储能。分布式能源通常受天气变化而出现出力波动，然而机组发电与负荷需求情况却常存在反调峰特性，例如夜间用电低谷时，风能资源恰好较为丰富。因此，需要储能在负荷低谷时充电、负荷高峰时放电，抽水蓄能、压缩空气储能常用于此。此外，抽水蓄能多用于为大型电网提供初级备用控制。

超级电网需较多地利用大规模储能技术以保证系统的稳定、平衡。而从整体上看，有些新型的、可储存几天到一周能量的大规模储能技术(例如德国己开发应用的制氢和制甲烷技术)，仍处于产业化初级阶段，目前效率较低、成本较高，需要更长时间的运行验证。超过100 MW级别的大规模储能技术中，抽水储能和压缩空气储能技术相对成熟，但其对应的大型电站都对选址有一些特殊要求，还需要架设输电线路和一定的输电走廊。

智能输电控制中心

可再生能源由于输出不确定性，接入电网后将对系统电压、频率、阻尼特性等产生影响。超级电网连接了大规模可再生能源，电网安全性面临严峻挑战。智能输电控制中心利用广域测量系统(WAMS)对电力系统动态过程进行监测，分析电网动态特性，及时发现故障并予以解决，优化输电网运行，从而实现超级电网的安全稳定优化运行Czz3a73超级电网函待解决的问题。

关键设备的研制编辑

直流断路器

由于直流网络的阻抗较小，一旦发生故障，其影响面广且波及速度快。为保证系统可靠性，直流断路器应能根据不同拓扑结构在发生故障2 } 5 ms内切除故障电流，这给直流断路器的性能提出了很大的挑战。此外，直流短路电流无自然过零点，需强迫电流过零，同时还要综合考虑燃弧时间和系统过电压问题，因此开断直流电流比开断交流电流要困难很多。

结合常规开关和电力电子器件的混合式直流断路器被认为是最有可能实现工业应用的技术方案。它兼具机械断路器良好的静态特性以及固态断路器无弧快速分断的动态特性，具有运行损耗低、分断时间短˙使用寿命长、可靠性高和稳定性好等优点。2012年年底，ABB公司研制成功的320 kV直流断路器样机即为此类型。然而由于其固态开关由全IGBT组件串联构成，且未采用限流开断技术，高压应用场合下需解决大量IGBT串联均压等问题[1] 。

直流变压器

直流变压器主要用于不同电压等级的直流电网互联及直流输电线路的潮流调节。由于目前直流电网尚无统一的电压标准，超级电网广域系统内存在多种电压等级的直流输电线路，利用直流变压器实现直流线路的互联具有极大应用前景Czi .z}7 如今的直流变压器多集中于低功率场合，难以适应高压直流输电系统。因此，需要从原理研究、拓扑设计、性能比较、仿真计算等多方面考虑，研制出适用于超级电网的新型直流变压器。

新型半导体器件

换流器、断路器、变压器等装置的研制及工艺提高，很大程度上受限于电力电子器件的容量，而碳化硅因在耐压水平、通流能力、工作温度等方面的优势，成为近年来研究的热点网。基于碳化硅的电力电子器件所构成的输电系统，工程容量可提高10倍以上，这将给电力系统的发展带来革命性的改变。由于碳化硅材料的质量和工艺控制等方面尚存在较多难题，现在还只停留在小容量研制阶段，短期内还无法真正投入到大容量的工程应用中[1] 。但可以预见，随着材料工艺的不断改进，碳化硅将是未来大功率电力器件发展的主要方向之一。

超级电网的拓扑结构编辑

同交流电网一样，超级电网拓扑设计过程中也应遵循安全、经济、可靠三要素。由于直流断路器、直流变压器、换流站等成本很高，电网结构规划过程中需尽可能减少其数量。有些专家提出的超级电网结构是在现有电网基础上叠加一层直流电网，通过换流站将直流电网与交流电网融合在一起，各条直流线路可以自由连接、互为冗余

此种拓扑结构中，并不是每条直流线路的两端都有换流站，换流站的数量等于直流节点数即可。由于换流站是直流电网中最昂贵、最灵敏且损耗最多的部件，如此一来，可极大地降低超级电网的建设与运营成本，便于电网可靠控制运行，提高电网传输效率。

目前的直流输电大多采用点对点的形式，多端直流尚较少应用，网状直流电网由于构成和控制十分复杂，运行较为困难，则更是无相关商业案例，因此，理想的网状直流电网拓扑架构的实现仍存在不少挑战。

超级电网的建模仿真

由于超级电网在拓扑结构、运行特性上与交流电网存在本质区别，需重新建立用于超级电网仿真的数学模型。超级电网的稳态仿真，即潮流计算，受直流电网控制模式的直接影响。需根据不同的控制模式(例如主从控制、下垂控制等)，在潮流方程中增加相应的参数，并设置不同的直流节点类型。而超级电网的电磁暂态仿真，由于受到系统中多换流器、多开关的影响，仿真步长小、资源要求高，目前的离线仿真系统难以满足超级电网仿真的需求。此外，由于超级电网潮流分布与协调控制的复杂性，其直流系统仿真技术的节点要求高，特别是直流换相特性和控制保护系统的准确模拟，目前的数字仿真精度亦无法满足超级电网系统仿真的要求。物理仿真能部分弥补数字仿真技术在模型和仿真方法上的不足，建设超级电网数字和物理混合仿真平台，可在低电压小电流的模拟情境下，从一定程度上实现对超级电网的仿真[1] 。

超级电网的潮流调节与控制

与相同电压等级的交流电网相比，超级电网中的直流输电在远距离输电方面具有经济高效的优势，然而其负荷的灵活分配却面临一定局限性，需要与交流电网或下一级电网配合进行负荷的分配和消纳，以避免潮流的迂回送电。

在辐射状直流系统中，输电线上的潮流可以通过换流站的电压进行控制。然而在网状直流系统中，由于两个换流站之间连接了多条线路，线路中的潮流不仅受到换流站电压的影响，还要受到线路阻抗的影响，因此需要额外的直流线路潮流控制器( DC line power flow controller)来实现潮流的调节[2] 。

控制直流电压的调节方法能够根据设置的换流器负荷平衡点，实现潮流自动控制，控制速度J决，且不依赖于通信。而线路阻抗的调节方法则是利用直流线路潮流控制器，通过在线路中插入直流电压源来改变线路电流，从而实现潮流的调节。值得一提的是，由于交直流的功率交换可以通过换流器控制实现，使得交直流系统的潮流控制增加了一个自由度，有利于系统的优化运行。

此外，换流站之间的协调控制是系统面临故障时能否及时提供辅助服务和保持稳定性的关键因素，系统控制的复杂性也将随着直流电网中终端数量的增多而增加。超级电网在制定控制策略时，需考虑诸多问题，包括网络拓扑中需操作协调的换流站数量;加入一个新机组后，控制系统能否平稳过渡;恶劣天气危害电网中大量可再生能源机组时，系统又将发生什么样的变化等。