柔性直流輸電，多場景應用發展潛力大

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電力傳輸方式改變，混合電網成為發展趨勢

滿足大容量長距離輸電需求，高壓直流輸電蓬勃發展

電力發展初期，直流輸電作為最初的輸電方式將電能從電源側輸送到用電側。但是由於不能直接給直流電升壓，輸電距離受到較大限制，在輸送容量增長和輸電距離增加的情況下，線路損耗較大，無法滿足需求。隨著19世紀80年代末三相交流發電機和交流變壓器的發明，交流電可以通過電磁感應很方便地進行升壓和降壓，從而可以以更小的電流進行電能的傳輸，減小輸電損耗，交流輸電開始普遍代替直流輸電，並且獲得快速發展，如今的電力系統建立在交流輸電的基礎之上。

隨著電網建設範圍的擴大，由於交流輸電需要電網同步，傳輸距離受限。同時，交流輸電需要大量無功補償設備，長距離輸電損耗較大且系統較為複雜，因此在長距離大容量電力傳輸中的局限性在實踐中愈發突出。20世紀50年代以後，全球電力需求大幅增長，電力系統規模迅速擴大，輸電容量和輸電距離進一步增加，直流輸電重新受到重視。隨著電力電子技術的發展，尤其是大功率換流器的研製成功，為高壓直流輸電突破了技術上的阻礙，促進了高壓直流輸電的發展。

高壓直流輸電系統中，電能從一側的交流電網導出，在換流站通過換流閥轉換成直流，通過架空線或電纜傳送到受端，直流電在受端換流站轉換成交流送入受端交流電網。直流輸電的核心設備集中於換流站設備，包括換流閥、控制保護系統、換流變壓器、交流濾波器和無功補償設備、直流濾波器、平波電抗器等。其中，換流閥是高壓直流輸電的核心設備。

直流輸電具有交流輸電不可取代的優點：由於直流輸電的輸送容量不受同步運行穩定性的限制，理論上直流輸電沒有容量的限制；同時，直流線路不存在對地電容，沿線電壓分布均勻，因此不需要無功補償裝置；通過直流輸電系統連接的兩端交流系統可以非同步運行，不需要解決電網同步問題。自從1954年第一條商業化的高壓直流輸電線路在瑞典建成以來，世界各國已建成多條高壓直流輸電項目，主要集中在歐洲、美洲和中國。

直流輸電存在無功功率和換相失敗問題，柔直可作為其升級替代品

傳統的直流輸電技術採用汞弧閥換流器，而汞弧閥換流器所用的晶閘管屬於半控型的元件，沒有自關斷的能力，換相過程仍需藉助外部的交流電壓來完成，因此只能工作在有源逆變狀態，且受端系統必須有足夠大的短路容量，否則容易發生換相失敗，從而導致直流系統的輸電通道中斷，甚至導致電網崩潰。換流器運行時要產生大量低頻諧波，需要較多的濾波裝備且濾除較為困難。同時，換流器需吸收大量無功功率，需要建設大量與其相匹配的無功補償裝置。在佔地方面，直流換流站佔地面積大、投資大。

20世紀90年代以後，電力電子技術逐漸發展成熟，出現了具有可關斷能力的新型半導體器件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、門極可關斷晶閘管（GTO）等，此類新型全控型器件逐漸取代傳統半控型晶閘管應用於直流輸電領域中，直流輸電技術迎來重大變革，柔性直流輸電(VSC-HVDC)技術應運而生。柔性直流輸電系統換流站的主要設備包括電壓源換流器、相電抗器、聯結變壓器、交流濾波器和控制保護系統，以及一些輔助系統等。

從世界範圍內看，國外柔性直流輸電起步較早，瑞典於1997年便建成了最早的柔性直流輸電實驗性工程。我國柔性直流輸電工程起步較晚，但起點高，受重視程度高，發展快，已建立多條在運柔性直流輸電項目，積累了豐富的實際經驗。目前，柔性直流輸電朝著大容量、遠距離以及直流組網方向發展。

應用場景豐富，柔直發展空間巨大

分布式能源併網，提高電能質量和系統穩定性

在分布式能源併網方面，目前柔性直流輸電是分布式電源接入最友好的方式。柔性直流輸電可以將來自多個站點的風能、太陽能等清潔能源，通過大容量、長距離的輸電線路將電能傳輸至負荷中心。柔性直流輸電具有進行動態無功補償的能力，能夠提高系統的電壓穩定性，從而提升供電的電能質量，提高併網時的暫態穩定性，且多條柔性直流可以獨立運行。此外柔性直流輸電的直流電纜採用XLPE材質，電氣性能極佳，環境影響較小。

發展分布式發電是《電力發展「十三五」規劃(2016-2020年)中的重要內容之一，「十三五」期間，風電開發按照「集中開發與分散開發並舉，就近消納」的原則，光伏建設按照「分散開發，就近消納」的原則，全面推進分布式光伏的建設。預計「十三五」期間風電新增投產0.79億千瓦以上，太陽能發電新增投產0.68億千瓦以上，因此將會有大量新增分布式能源接入電網。同時《規劃》明確指出大力推進分布式氣電建設，在「十三五」期間，全國氣電新增投產5000萬千瓦。由《規劃》可以看出，未來幾年我國分布式發電規模將進一步擴大，對柔性直流輸電的潛在需求也將得到進一步釋放，柔性直流輸電在分布式電源併網中的應用潛力巨大。

大型城市柔性直流供電，提高城市供電可靠性

在大型城市供電方面，柔性直流輸電最大的優勢是能夠實現故障隔離。由於城市負荷密度很高，若都採用交流電網，則會產生很大的短路容量，當主幹線路短路時，很可能超過短路電流的限制。若建設若干採用柔性直流輸電技術的主幹線路，則可以將一個大電網分隔成若干個小電網，其中一側的交流網路發生短路故障時，直流線路另一側的交流網路不會通過直流線路提供短路電流，從而實現了故障隔離，大大減小了輸配電網路的短路容量。由於城市電網的停電損失巨大，其帶來的潛在可靠性效益將會非常可觀。

出於對城市景觀及節約土地，提高供電可靠性等多方面考慮，城市配電網越來越多地選擇地下輸電方式，近年來大規模的城網改造為電纜供電帶來巨大需求。架空線入地是城市發展的趨勢。與交流電纜相比，直流輸電的電纜單位截面積傳輸功率是交流電纜的1.5倍以上，且不會造成電磁環境污染，方便維護。而相較於常規直流輸電，採用柔性直流輸電技術，無需投入額外的補償裝置；換流站的設計非常緊湊且佔地面積很小。其主要設備能夠先期在工廠中組裝完畢，並預先做完各種試驗。

一個65MW的換流站僅佔800平方米。一個250MW的換流站將佔地3000平方米，佔地面積僅為同等容量下傳統直流輸電換流站的20%，由於直流輸電不存在供電半徑的問題，中心城區甚至可以不建設變電站，從而節約城市用地，帶來的經濟效益顯著。目前國外成熟城市電纜化率達80-90%，我國部分城市也在電纜化率方面取得優秀成果，例如深圳的電纜化率達到90%，但整體來說，至2016年全國平均城市電纜化率僅10%左右。隨著大城市的用地愈發緊張，對配電損耗要求越來越高，柔性直流輸電在大型城市供電方面具有巨大的潛力。

交流電網背靠背工程，動態調節系統有功和無功功率

背靠背直流輸電系統是指輸電線路長度為零的兩端直流輸電系統，其整流側和逆變側均在同一個換流站內，在同一處完成交-直-交的轉換。這種類型的直流輸電主要用於連接兩個非同步運行的交流電力系統，實現電網的解列。

採用常規高壓直流輸電進行兩端交流系統的連接存在諸多缺陷，例如常規高壓直流輸電不僅不能獨立調節無功功率，反而需要大量的無功功率作支撐，因此對交流電網的變化比較敏感。另一方面，常規直流輸電可能存在換相失敗的問題。隨著交流電網的送點距離越來越遠，交直流混合運行的電網結構日趨複雜，發生多回直流同時閉鎖或相繼閉鎖故障的風險加大。採用柔性直流輸電可以有效避免上述問題，較常規直流輸電，柔性直流輸電可以獨立控制有功功率和無功功率，能夠提供更高的電能質量，換流站的佔地面積也更小。2016年8月29日，魯西背靠背直流工程柔性直流單元建成投運，採用常規直流和柔性直流相結合的方式。工程為柔性直流輸電在交流電網背靠背的應用指明了方向，實踐證明，採用柔性直流輸電的交流電網背靠背工程可有效化解交直流功率轉移引起的電網穩定性問題，大幅度提高電網主網架的供電可靠性。

孤島系統供電，同時方便多餘電能反饋系統

在對無源系統和含有分布式電源的孤島系統的供電方面，柔性直流輸電具有明顯優勢。由於常規高壓直流輸電不能向無源系統供電，對於諸如沒有電源的海島，常規直流輸電方式無法正常運行。相較於在海島上採用昂貴的柴油或者天然氣發電，利用柔直輸電的成本優勢明顯。而對於具有分布式電源的孤島系統，為了提升孤島供電的可靠性，以及考慮更好地容納風能、太陽能等分布式能源的接入，需要採用直流，甚至是多端直流技術。由於直流輸電不存在電壓電流的相角問題，各個換流站所連的交流系統可以不同步，適用於構建多個分布式發電併網的多端輸電網路。與常規直流不同，當電力潮流向相反方向流動時，柔性直流輸電的電壓極性並不改變，因此對線路的絕緣要求較低，不需要機械開關的操作，只需對換流器進行控制，可以方便地改變功率的傳輸方向，實現能量的雙向流動，方便分布式能源的多餘電量反饋給配網系統。同時，相較於傳統直流輸電，當直流線路故障時，每個換流站均可以提供無功功率的支撐，從而提升整個系統的穩定性水平。我國舟山建立了5端直流輸電工程，工程驗證了多端柔性直流輸電能夠提升舟山電網的供電可靠性和運行靈活性。

海上風電併網，提高系統建設經濟性

柔性直流輸電技術是實現海上風電併網最友好的方式。在風電場大規模集中併網方面，柔性直流輸電具有諸多優勢。風電場以直流形式接入電網，可以實現電源和電網之間的隔離，防止一側故障傳遞到另一側；可以防止出現系統電壓振蕩，功角失穩及風電場失速；柔性直流輸電可以精確控制有功功率和無功功率，提高併網系統的穩定性，大幅增加風機的低電壓穿越能力，提高併網系統的穩定性，同時避免風場無功補償裝置的投資；同時，柔性直流輸電可以實現多端直流輸電系統，提高風電場的風能利用率，減少線路走廊的施工環節，易於對風電場進行擴充。實踐證明，在傳輸相同容量的功率時，常規高壓直流比柔性直流方案佔地面積大很多，而在傳輸較小容量的電力時，常規直流的單位造價較高。因此，海上風電併網採用柔性直流輸電方案，不僅在技術上具有明顯優勢，在經濟上也表現出一定的競爭力。

我國海上風電發展迅速，2010年上海東海大橋102MW海上風電項目標誌著我國海上風電的發展開始啟動。根據電力「十二五」和「十三五」規劃，2020年我國海上風電有望達到1000MW，海上風電進入規模化發展階段。因此，柔性直流輸電在海上風電併網中的應用前景非常廣闊。

柔直輸電技術逐漸成熟，試點項目運行良好

柔直技術逐漸成熟，系統電壓和容量逐漸提高

柔性直流輸電的概念最早由加拿大McGill大學的學者於1990年提出，通過控制電壓源換流器中全控型電力電子器件的開通和關斷，可以改變換流器輸出的電壓幅值和相角，從而達到對有功功率和無功功率的控制，有效克服了常規直流輸電的固識別風險，發現價值 請務必閱讀末頁的免責聲明9 / 14專題研究|電氣設備有缺陷。柔性直流輸電的工程化應用始於1997年，赫爾斯揚實驗性工程在瑞典投入工業試運行，它是世界上第一個採用電壓源換流器進行直流輸電的工程；瑞典於1999年投運了世界上第一個風電接入柔性直流工程，該工程首次採用了兩電平技術以及XLPE電纜；2005年在挪威投運的Troll A柔性直流輸電工程首次實現從大陸向海上平台供電；2010年，Trans Bay Cable工程投入運行，該工程首次使用了模塊化多電平(MMC)技術，是柔性直流輸電發展史上的一座里程碑。柔性直流輸電發展至今，已有多條柔性直流輸電工程投入商業運行，主要應用於風力發電、電力交易、電網互聯、海島供電等領域。

國內試點項目運行良好，設備廠商已具備較強技術能力

我國在柔性直流輸電工程技術研究與應用方面起步較晚，但發展很快。2005年之前，國內對於柔性直流輸電的研究僅停留在模擬和建模階段，鮮有涉及工程技術的研究。2006年以後，由國家電網公司牽頭，對柔性直流輸電的研究和應用做出戰略性的部署，並組織相關單位和國內高校開展基礎理論和前期研究，並於2007年底開創了我國柔性直流輸電的基本技術體系。同年決定在上海南匯風電場建設柔性直流輸電示範工程。工程於2010年底正式啟動，並於2011年7月正式投運。我國柔性直流輸電工程的發展步入了快車道。目前，我國已有多項柔性直流輸電工程在運/在建，並在柔性直流輸電領域多項技術指標達到世界領先水平。

從上海南匯柔性直流輸電示範工程到張北綜合示範工程，我國柔性直流輸電的裝備和技術的自主化程度不斷提高。當前，換流閥、換流變壓器、直流斷路器等柔性直流核心設備已實現100％國產化，其控制保護技術也已經擁有了完全的自主知識產權。

豐富的應用場景和技術的優勢必將推動更多的柔性直流輸電項目工程建設，相關設備的購置需求也將進一步增加。在柔直項目中，超過60%來自設備投資，其中整流站中的主設備更是佔到總投資的30%以上，繼而帶動製造企業受益。由於柔性直流輸電關鍵設備技術門檻高，龍頭企業因技術實力雄厚，產品種類齊全，市場佔有率較高，將會首先受益。

附錄：柔直系統設備

來源：廣發證券 數據來源：廣發證券發展研究中心

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