论基于柔直电网的西部风光能源集中开发与外送

　　潘垣，尹项根，胡家兵，何俊佳

　　(强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北省 武汉市 430074)

　　Centralized Exploitation and Large-Scale Delivery of Wind and Solar Energies in West China Based on Flexible DC Grid

　　PAN Yuan, YIN Xianggen, HU Jiabing, HE Junjia

　　(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China)

　　ABSTRACT: This paper discusses scheme of centralized exploitation and large-scale delivery of wind and solar energies in west China especially plateau area based on flexible DC grid. Energy resources and ecological regimes in plateau, non-plateau and neighboring areas in west China are compared and analyzed. Flexible DC grid structure and delivery method is proposed. Overall objectives and main tasks of research content are presented. Key technologies and equipment are discussed in respect of DC breaker and flexible DC grid protective relaying. This paper provides a reference for exploitation and utilization of renewable resources in west China especially plateau area.

　　KEY WORDS: flexible DC; renewable energy; west development; DC breaker; protective relaying

　　摘要：文章围绕西部高原地区可再生能资源集中开发及其大规模外送方案展开论述。通过对西部高原、非高原及周边地区资源及生态状况的对比分析，提出了适应西部可再生资源开发与外送的柔性直流电网构成方式以及外送方案，介绍了研究内容的总体目标和主要任务，并结合超高压直流断路器、柔性直流电网继电保护等技术讨论了需要研发的关键技术及装备，以期为西部地区，尤其是西部高原地区可再生资源的开发利用提供参考。

　　关键词：柔性直流;可再生能源;西部开发;直流断路器;继电保护

　　DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.12.001

　　0 引言

　　能源是一个国家最基本、最重要的基础性资源。能源安全事关经济社会发展的全局和我国未来能否保持可持续发展。目前，世界能源供应以化石能源为主。我国的化石能源资源人均占有量明显低于世界平均值，且石油、天然气资源短缺问题突显，尚难摆脱以煤为主的能源结构。截止2015年，我国的煤炭资源储量折合标准煤为817亿t[1];石油和天然气剩余可采储量折合为36亿t和47亿t标准煤[2]。在现有条件下，煤炭、石油、天然气储采比分别仅为31 a、12 a和26 a[1]。长期以来，化石能源的过度利用带来资源紧张、气候变化以及环境污染等问题。目前，我国中东部燃煤电厂发电产生的污染严重超出了环境的承载能力，且西北向中东部地区大量输煤的储、运环节也带来严重污染。2013年国务院发布《大气污染防治行动计划》，提出加快清洁能源利用、严控中东部燃煤电厂、以输电替代输煤等措施，以减少利用化石能源的污染，实现全国能源资源的优化配置与高效利用。

　　在能源消费方面，以电能替代化石能源的直接消费，将有效提高能源利用效率、促进清洁能源发展，以实现我国煤电和清洁能源发电量比例达到40:60的能源发展战略目标。根据我国电网的中长期规划(2030—2050年)，电力消费需求总量将达到12万亿kW×h，未来我国的电力装机容量将增加至34亿kW[3]。在我国的能源资源禀赋中，储量有限且污染严重的化石能源在资源和环境约束条件下仅允许提供12亿kW的装机容量与5.7万亿kW×h的年发电量，水电最多可开发5亿kW的装机容量与1.75万亿kW×h的年发电量，核电按乐观预测可提供3亿kW的装机容量与2.1万亿kW×h的年发电量，还有约15亿kW装机容量和2.45万亿kW×h发电量的能源缺口[3]。我国西部地区含有丰富的风、光可再生能源，大规模开发利用这些可再生能源，可以有效补充我国未来能源需求，促进我国能源结构向清洁化、低碳化转型，为我国能源安全和可持续发展提供支撑。

　　目前西部风光能源的开发主要在非高原地区，未来应逐步加大青藏高原地区的开发力度，但需要关注资源与生态的特点。

　　开发西部地区的风光资源，需要解决电网稳定和规模化送出的问题。西部脆弱的生态环境无法采用就地“风光火打捆”的开发方式;高海拔气候使得设备绝缘性能下降[4]，难以通过特高压电网外送。柔性直流输电作为一种新型的输电技术具有明显优势：其独立有功无功调节和故障阻断能力，可避免可再生能源发电的不确定性对系统稳定的影响;同等条件下，与交流输电相比，其输送容量更大和输送距离更长，有利于将大范围内的可再生能源集中送出。因此，变革输电方式，构建可再生能源发电的柔性直流电网，可以有效解决西部高原地区可再生能源规模化开发与远距离外送的难题。

　　本文围绕西部地区，并重点关注西部高原地区可再生能资源集中开发及其大规模外送方案展开研究，对西部及周边地区的资源和生态状况进行了分析，提出了基于柔性直流电网的西部可再生能源开发及外送方案，并对方案的总体目标、重点任务以及关键技术展开讨论，以期为西部，尤其是西部高原地区可再生资源的开发利用提供参考。

　　1 西部及其周边地区的资源及生态状况

　　我国西部地区可分为高原地区和非高原地区。高原地区指青藏高原地区，非高原区域指新疆、甘肃及内蒙古西部诸省区。西部高原地区和非高原地区都具有丰富的风光资源，某些非高原地区还蕴藏大量煤炭等传统化石能源。目前非高原区域风光电能开发较快，而青藏高原作为风光能源的密集区，在西部风光能源进一步的开发利用中应受到高度关注，首先应对其能源资源和生态保护进行分析。

　　1.1 西部高原地区能源资源状况

　　青藏高原是全球太阳能三大富集区之一，单位面积的年总辐射量高出非高原地区50%~100%，高达7000~8400 MJ/m2，如图1所示。青藏地区海拔超过4 km，日照时间长，统计表明，其典型年平均日照为3005.7 h，年总辐射量为8160 MJ/m2。特别是羌塘高原(40万km2)和柴达木盆地(25万km2)是理想和宽广的太阳能发电基地[5]。

　　青藏高原还是我国风能资源的富集区，如图2所示。其中西藏的羌塘高原年均有效风能密度高达130~200 W/m2，年风力小时数超过3000 h;青海的柴达木地区和青藏公路东西两侧的青南高原上，年均有效风能密度达120~220 W/m2，年风力小时数超过6000 h，风能储量达800~1060 kW·h/m2 [5]。更为有利的是，两地区风场与光场的地理位置几乎重叠，且风电与光电的出力既昼夜互补又季节互补，非常有利于以“风光打捆”的方式外送。

　　根据上述资源保守估算，柴达木和羌塘两地区各只需提供4万平方公里的光场，峰值光电容量即可分别达16亿kW，两地年发电量分别可达2.2万亿kW×h。以两场区为中心的风电装机容量分别可达5亿kW，年发电量各有1万亿kW×h[6]。

　　

 

　　图1 中国年太阳能辐射总量

　　Fig. 1 The annual total solar radiation in China

　　

 

　　图2 中国有效风功率密度分布图

　　Fig. 2 The distribution diagram of the effective wind power density in China

　　1.2 西部非高原地区能源资源状况

　　内蒙古自治区是我国内陆风资源最大的省份，其风速大且分布广。其风能资源总储量达8.98亿kW，技术可开发量达1.5亿kW，约占中国陆地的50%。内蒙古风电装机容量在2014年已达1848.86万kW，占当时全国风电总装机容量的24.5%，居全国首

　　位[7]。甘肃省地处黄土、青藏和蒙古三大高原交汇地带。风能资源总储量为2.37亿kW，占全国总储量的7.3%，技术可开发量2700万kW，占全国的10.6%。甘肃省酒泉地区，拥有接近4000万kW的可开发利用的风能资源总量[8]。目前酒泉正在建设全球最大的风力发电基地，根据项目建设计划，到2020年装机容量将达1360万kW。同时，甘肃省太阳能资源开发利用潜力非常大。新疆的风能可开发储量约2000万kW，居全国前列。风区总面积达15.45万平方公里;有效风速时间为3000 h;总蕴藏量约9100亿kW×h。新疆的九大风区多处于戈壁上，地形平坦，可开发面积大，建场条件优越[9]。新疆水平表面太阳辐照度年总量为5000~6500 MJ/m2，年平均值为5800 MJ/m2，居全国第二位，有极大的光伏开发潜能[10]。

　　1.3 西部周边地区的能源资源状况

　　与西部地区毗邻的华北、西南地区拥有储量丰富的清洁能源，为西部风、光可再生能源的稳定外送与充分消纳提供了有利条件。

　　在我国华北的张家口、承德坝上地区和沿海秦皇岛、唐山地区蕴含有丰富的风能、太阳能等可再生资源。风能资源可开发量在4000万kW以上，太阳能发电可开发量在3000万kW以上[11]。此外，张家口的风能资源主要分布于坝上草原，该地区地势平缓、交通便利，非常利于大型风电场的建设。

　　我国水能资源非常丰富，理论蕴藏年发电量为6.08万亿kW×h，经济可开发装机容量4.02亿kW，年发电量1.75万亿kW×h，其中约70%的水电资源集中在四川、云南等西南地区，主要河流包括金沙江、雅砻江、大渡河和澜沧江等[12]。利用西南地区丰富的水能资源，建设适当容量的抽水蓄能电站，通过与西部可再生能源发电互补外送，可以有效平滑风电、太阳能发电出力，减小其随机性、波动性，从而有效解决目前新能源面临的送出困难问题，维护电网安全稳定运行。

　　1.4 西部地区生态状况

　　由于西部地区深处亚洲大陆腹地，绝大部分地区常年干旱少雨，水资源稀缺，土地沙化严重，故大、小绿洲及有限的地表水均只能来自高山冰雪。另外，由于西部高原地区多数土壤、植被尚处于年轻的发育阶段，生态系统的结构和功能简单，自身调节机制不健全，恢复能力较弱，若开发失当，一旦破坏即发生退化现象。因此，实施西部大开发尤须把保护生态环境放在更加突出的地位。切忌盲目照搬中、东部的“引进”，严防高耗水、高耗能、高污染所谓三高产业“转移”。

　　保护西部生态环境，特别重点保护三江源、黄河源、天山、祁连山的冰川雪山尤为重要。由于气候变暖，加上过度开发，许多高山冰雪正加速消融，形势已很严峻。近年，中、美科学家的研究均证实[13-16]，燃煤排放的煤烟颗粒物即黑碳气溶胶(简称黑碳)会造成冰川消退、雪线上升。大量黑碳沉降在冰雪表面，使冰雪颜色变暗，大大降低了其对阳光的反射率，增大了吸热力，从而导致了冰雪加速融化。19世纪正是欧洲工业化时期，尽管还处在小冰期的末期，气温下降了1°C，但阿尔卑斯山的冰川反而消退了1000 m;在亚洲喜马拉雅山中、东部，受来自南亚次大陆的不断增多的黑碳影响，冰川正在加速消退。因此，西部高原地区基本上不具备大范围、大规模新建火电厂的条件，无法采用“风光火”打捆送出的方式。另外，青藏高原平均海拔4000 m，输变电装备的外绝缘距离比中东部非高原地区高出80%以上，从技术经济角度考虑，采用特高压联网外送已非常困难。

　　2 柔性直流输电和直流电网技术优势

　　2.1 柔性直流输电的技术优势

　　目前，高压直流输电技术主要有基于电网换相换流器技术(LCC-HVDC)和基于电压源换流器技术(VSC-HVDC)，2006年5月，国家电网公司组织国内直流输电领域的权威专家在北京召开的“轻型直流输电系统关键技术研究框架”研讨会上建议将基于VSC技术的直流输电称为“柔性直流输电”。

　　与LCC-HVDC直流输电技术相比，柔性直流输电技术主要包括如下优势：1)有功无功的灵活自由控制;2)可向无源网络或者弱电网供电，并可由弱电网外送电能;3)不需要交流侧提供无功功率，可以为交流系统提供无功支撑;4)采用可关断器件，不存在换相失败问题;5)易于扩展实现多端直流输电系统和直流电网，实现直流潮流的灵活优化控制;6)柔性直流输电可以作为故障后的电网恢复启动电源，进行电网快速恢复;7)谐波水平低，所需的滤波器容量较小;8)在同等容量下柔性直流输电换流站的占地面积显著小于传统高压直流输电换流站(约为50%)。

　　2.2 直流电网的发展与现状

　　20世纪60年代中期，直流电网的雏形——多端直流输电(MTDC)的概念与基本原理被提出。多端直流输电是由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，能够实现多电源供电和多落点受电[17]。VSC-HVDC技术因潮流翻转时不改变电压极性而更适用于多端直流输电系统，并且可以在新能源并网、城市直流配电网等方面发挥巨大的应用价值。随着VSC-HVDC技术的飞速发展以及可关断器件、直流电缆制造水平工艺的不断提高，未来VSC-HDVC将成为多端直流输电系统和直流电网的主流形式。

　　对于直流电网，国内外尚未有统一的定论。根据现有的相关资料，直流电网主要具备如下不同于多端直流输电系统的特点：

　　1)多端直流输电系统中的换流站通过直流线路点对点直接相连。而直流电网中，一个换流站可与多条直流线路相连，换流站之间由多条直流线路通过直流断路器相连，形成具有“网孔”结构的输电系统。

　　2)多端直流输电系统不能提供冗余，若整个拓扑中任何一个换流站或线路发生故障，那么整条线路及该线路的两侧换流站将全部停运。直流电网具有冗余，具有较高的可靠性。当一条直流线路发生故障时，可以通过直流断路器有选择性地切除故障线路，故障线路两侧的换流站可以保持正常运行，并可利用其他正常线路保持电能的可靠输送。

　　3)在多端直流输电系统中，功率通过直流线路两侧的换流站点对点传输，换流站的送出/接受功率需要相互配合。在直流电网中，直流潮流能够在直流线路形成的“网孔”中灵活分配，单个换流站可以独立地传输功率，且在传输状态转换(由发送/接收状态变为接收/发送状态)过程中不影响其他换流站的状态。

　　目前，国内外的科研结构和电力企业围绕柔性直流电网开展了大量研究与开发工作。2008年11月，欧盟各国正式推出了基于柔性直流输电技术的超级电网(Super Grid)计划[18-19]。该计划拟将北海和波罗的海海域的风力发电以及北非与中东的太阳能发电通过直流电网互联。美国在2011年提出了“Grid 2030”计划[20]。美国未来电网将建立覆盖东西两岸、北至加拿大、南连墨西哥的骨干网架。未来20年，计划建设60余条柔性直流输电线路，形成与现有交流电网并存的网络架构，以实现对不稳定可再生能源发电的灵活控制。2022年冬奥会将在北京-张家口举行，为了推进实现“绿色奥运”、“低碳奥运”的理念，国家发改委发布了《河北省张家口市可再生能源示范区发展规划》，该文件提出将张家口设立为可再生能源示范区;在张家口建设国际领先的“低碳奥运专区”，实现体育场馆用电100%来自可再生能源。目前国家电网公司正在规划建设张北柔性直流电网示范工程[21]，如图3所示。该方案计划构建±500 kV柔性直流环形电网，通过张北、康保两地换流站汇集当地风能和太阳能，在丰宁换流站接入抽水蓄能以平抑可再生能源

　　

 

　　图3 张北柔性直流电网规划方案

　　Fig. 3 VSC DC power grid planning of Zhang Bei

　　发电的波动，并落点于北京、河北受端电网，形成风、光、储、抽蓄等多形态电源的广域交互平台，从而有效解决大规模再生能源安全并网、灵活汇集与稳定送出问题，满足未来张家口地区可再生能源的外送需求。

　　以上方案仍处于规划设计阶段，尚未有柔性直流电网工程的投运，直流断路器的实际工程应用亦仍是空白。

　　3 西部可再生能源并网及外送方案

　　青藏高原地区蕴含有丰富的风光可再生能源资源，然而西部电网网架薄弱，且不具备“风光打捆”条件，难以承受大量波动性、随机性的可再生能源并网。因此，本文提出基于高压柔性直流电网实现大规模可再生能源灵活汇集和集中外送的方案，如图4所示。该方案采用VSC柔性直流输电技术和多断口直流断路器技术，构建超高压直流电网，汇集羌塘和柴达木地区的太阳能、风能，通过南北两路分别与西北、华北风光能源基地和西南水力发电基地相连，并最终将可再生能源输送至华北、华中以及华东电网的负荷中心。

　　

 

　　图4 西部可再生资源并网及外送方案

　　Fig. 4 The program for the integration and delivery of the regenerative resource in West China

　　采用柔性直流电网能够有效解决青藏高原地区大规模、大范围的多种类型的可再生能源并网与外送问题。其技术优势包括：

　　1)为交流系统提供无功支撑，提高可再生能源电力并网安全性与故障穿越能力。西部地区交流电网薄弱，难以支撑大规模可再生能源的接入。柔性直流具有独立的有功、无功控制能力[22]，能够有效抑制可再生能源接入带来的交流电压波动问题，并且有效提升光伏发电和风机的故障穿越能力，提升可再生能源的安全性。欧洲海上风电的成功运行表明，在交流网架较弱地区，柔性直流是大规模可再生能源并网接入的最优方式。

　　2)有利于可再生能源规模化接入汇集，输电能力强、效率高。交流同步电网受稳定性约束，接入与送出能力不能满足西部大规模可再生能源开发与外送的需求。柔性直流电网无交流电网的稳定问题，其输送容量和输送距离远超过交流电，便于实现青藏地区可再生能源的灵活接入与集中送出。借鉴文献[23]提供的北美5端口高压直流输电系统(额定电压450 kV，额定功率2000 MW，传输距离1480 km)的研究结论，预计自青藏高原通过±500 kV(或±600 kV)直流高压外送的最远距离可达1600 km(或2000 km)。则±500 kV直流电网可多路东送至川渝地区、汉中地区和关中地区;±600 kV直流电网可多路送至江汉平原和豫中平原。另外，各风光发电场的发电功率经柔直电网的整合外送，可明显提高输电通道的效率。

　　3)多网孔结构具有较高的可控性与可靠性，适宜作为多类型能源的广域交互平台。柔直电网可控能力较强，易于实现可再生能源、抽蓄、储能与负荷间的灵活能量交互，通过潮流优化控制，能够在内部平抑可再生能源发电功率的波动，减少间歇性能源对受端电网的扰动冲击。此外，直流电网多网孔网架具有冗余，当直流线路发生故障时，可以利用直流断路器切除故障线路，通过直流网络内部的潮流转移保障电能的可靠输送。

　　4 青藏高原风光电力的开发与外送研究

　　4.1 总体研发目标与任务

　　青藏高原大规模太阳能、风能资源的科学开发分别以“青藏高原风光电力能源智能开发”和“基于柔性直流电网的风光电力能源基地互联外送”为研究目标，分析已有及潜在的技术瓶颈，提出相适应的解决方案，为青藏高原太阳能、风能资源的合理开发和有效利用提供技术支撑，并建立适应青藏高原资源禀赋与区域特色的含高渗透率可再生能源的柔性直流电力系统技术体系和工程。

　　上述方案的实施过程可根据西部的实际建设条件，先近后远、先易后难。首先可开发青海柴达木及其周边地区，包括青藏公路沿线的风电。随着西藏电气化铁道向西延伸，进一步开发羌塘地区。

　　4.1.1 青藏高原风光电力能源开发

　　青藏高原风光电力能源智能开发包括5项子研究任务：1)青藏高原风光时空特性及宏观选址;2)青藏高原风光直流网络互联外送综合方案;3)青藏高原风光智能模块化汇集技术及装备;4)不确定性电源智能预测及规划调度运行技术;5)常规/新型调峰技术及智能装备。上述任务需要从基础前沿、重点技术、装置研发与示范应用3个方面进行部署。

　　基础前沿研究包括：青藏高原风能、太阳能资源时空分布特性;多约束条件下高原风光集中送出通道走廊的选取方法;适用于青藏高原风光汇集的模块化多电平换流器拓扑结构及参数的设计方法;风光发电容量置信度的理论和方法;含大规模可再生能源接入的电力系统调峰需求模型。

　　重点技术包括：高原地区风光资源评估与宏观选址技术;风光智能模块化汇集技术;不确定性电源的智能预测及规划调度运行技术;常规电源的深度调峰技术;大规模储能与常规电源协调控制技术。

　　装置研发与示范应用包括：高海拔风能、太阳能发电设备研发与示范工程应用;基于智能模块化汇集的高压大容量光伏/风电并网换流器研发与示范工程应用;适应调峰的大规模储能智能装备研发与示范工程应用。

　　4.1.2 基于柔性直流电网的风光电力能源基地互联外送

　　基于柔性直流电网的风光电力能源基地互联外送包括2项子研究任务：柔性直流电网关键装备及核心技术、柔性直流电网安全稳定技术。上述任务也需要从基础前沿、重点技术、装置研发与示范应用3个方面进行部署。

　　基础前沿包括：柔性直流电网的等效数学模型;柔性直流电网换流器暂稳态特性;柔性直流换流器间的交互影响;交直流混联系统间的交互影响。

　　重点技术包括：柔性直流电网仿真技术;柔性直流电网分布式协调控制技术;高海拔下换流阀绝缘检测与在线预警技术;柔性直流电网广域测量与故障保护技术。

　　装置研发与示范应用包括：高压大容量电压源换流器研发与示范工程应用;高压直流断路器研发与示范工程应用;高压DC/DC变换器研发与示范工程应用。

　　4.2 研发任务的预期成果

　　在青藏高原风光时空特性及宏观选址方面，建立高原地区可开发风能、太阳能资源的评估体系及多边界条件下的宏观选址技术标准。

　　在青藏高原风光直流网络互联外送综合方案方面，提出多约束条件下，基于柔性直流网络的高原地区风光集中综合开发技术标准及送出通道走廊选取准则。

　　在青藏高原智能风光模块化汇集方面，提出适用于高原地区风光汇集的模块化多电平换流器拓扑结构、参数设计等技术标准，完成用于模块化汇集的换流器样机并推广应用。

　　在柔性直流电网关键装备及核心技术方面，形成高海拔模块化超高压直流断路器、高海拔高压大容量柔性直流输电换流器、高海拔高压大容量DC/DC变换器的整套设计体系，完成相应样机研制并在国内外柔性直流工程中推广使用。

　　在柔性直流电网安全稳定技术方面，开发柔性直流电网分布式协调控制、柔性直流电网广域测量与故障保护等关键技术，建立柔性直流电网仿真及试验平台并推广应用。

　　在不确定性电源智能预测及规划调度运行方面，基于大数据技术构建大规模高集中区域风光发电出力的多时空尺度爬坡特征预测信息平台，建立适应不确定性电源出力的电力系统电源规划、调度运行等技术标准，开发含大规模不确定电源的电力系统调度决策系统并在电网调度中心推广使用。

　　在常规/新型智能调峰方面，完善常规电源深度调峰技术标准，攻克适应调峰的大规模储能关键技术，确定多因素约束下的调峰方案评估体系，完成大规模储能装备研制并在大型风电场和太阳电站中推广使用。

　　4.3 关键技术及装备

　　根据目前直流输电技术的研究与应用现状，采用柔性直流电网开发西部可再生资源的关键技术及装备主要包括：柔性直流电网广域测量及故障检测技术、柔性直流电网控制保护技术、柔性直流电网安全可靠性评估方法与标准体系、高压大功率换流器、高压直流断路器、DC/DC变压器、直流电缆等。下文简要讨论超高压直流断路器和柔性直流电网继电保护技术。

　　4.3.1 超高压直流断路器

　　超高压直流断路器作为柔性直流电网的关键设备，与交流断路器相比，其技术难点在于：无电流过零点，需要通过特殊设计实现电流开断;直流故障电流上升速度快、幅值大，要求故障切断速度达到数毫秒;直流换流器存在桥臂电抗器和稳压电容器等大容量储能元件，加上相关直流线路分布电感和电容的影响，增加了直流电流的开断难度。

　　根据电流断开方式的不同，直流断路器主要可分为3类[24]：机械式、固态式和混合式。机械式直流断路器通过叠加LC回路产生过零点，实现熄弧和断流;当采用单断口时，动作行程大，动作时间长，目前采用多断口技术提高动作速度;其优点是机械开关导通电流，通态损耗低，结构简单，成本小。固态式直流断路器由全控型半导体组件完成电流的强制分断，分断时间短;但正常导通时由半导体组件导通电流，通态损耗高。目前，固态式直流断路器的改进方案是混合式直流断路器，它由机械开关和半导体组件混合构成，兼顾了机械式断路器低通态损耗和固态式断路器高分断速度的优点;但实际上在导通情况下，仍需要串入由半导体器件组成的辅助断路器，其通态损耗仍较机械式高。值得注意的是，在柔直电网条件下双向开断能力是直流断路器很重要的技术要求，对于上述各种类型断路器，这都将增加技术难度或设备成本。

　　目前，国内外的公司、研究机构和高校均开展了超高压直流断路器的研究工作，并且正在从理论设计、装置研制、现场测试向工程实践转化。2012年和2014年，ABB、Alstom和国内科研机构分别完成了80 kV、120 kV、200 kV混合式直流断路器实验样机研制。2014年和2015年，我国高校也分别完成了双断口55 kV、单断口40 kV，开断用时约为3 ms的机械式直流断路器实验样机研制。国内外直流断路器研发情况如表1所示，其中，电流值均为该型断路器可达到的额定电流，而故障开断电流能达到15 kA以上。

　　需要指出，机械式直流断路器具有结构简单、通态损耗小、造价低等优势，是直流断路器重要的发展方向。传统机械式多断口直流断路器需要通过高压储能元件和触发间隙形成直流电流的过零点，并通常按分断口多组配置，增加了实现难度和不可靠性;为了应对双向断流问题，需要判断故障电流方向并增加储能和触发器件，这都是目前亟待解决

　　表1 各类典型高压直流断路器技术的性能对比

　　Tab. 1 The comparison of the typical DC breaker technologies

　　类型额定参数开断时间能否双向开断是否需要判别

　　电流方向预充电容

　　能量总容器

　　能量通态损耗同参数下

　　造价

　　国外技术混合式(ABB样机)320 kV/2kA3~5 ms理论上可行，但需要

　　双倍开断元件需要。并根据电流方向控制对应的电力电子器件或者触发器件//较高1~2亿

　　混合式(Alstom样机)120 kV/1.5kA5.5 ms//较高1~2亿

　　国内技术混合式200 kV/2kA3 ms//较高1~2亿

　　传统机械式55 kV/2kA约3 ms100%100%低1~2千万

　　新型机械式160 kV/2kA3 ms可以，且不增加开断元件不需要20%50%低1~2千万

　　的技术难题。目前，华中科技大学正在研制一种开断能力接近固态式直流断路器，采用模块化、组合式设计理念的新型机械式多断口高压直流断路器。该项技术有如下优点：预充电电容位于低压端，解决了高电位、多电位充电难题;将多个串联间隙减少为单个同电压等级间隙，并利用等离子体射流触发间隙，有效减小了触发间隙和提高了触发可靠性;应用全新换流方式，无需判断故障方向，实现了双向故障电流开断;采用多级串联高速直流开关模块，可满足高电压和大容量的扩展需求。

　　4.3.2 柔性直流电网继电保护

　　1)柔性直流电网对继电保护的要求。

　　柔性直流电网的继电保护涉及直流线路以及换流器、DC/DC变换器等相关直流输电设备的保护内容。柔性直流电网是一个“低惯量”系统，发生故障时，由于柔性直流换流设备电容及线路分布电容的迅速放电，短路电流快速上升(短路电流平均上升速度约2~4 kA/ms，与换流器及电网的结构、参数等因素均有关)，数毫秒内达到峰值，故障影响瞬间波及整个直流电网。因此，柔直电网保护在满足继电保护“四性”要求方面的技术难度更高。

　　在速动性方面，要求柔性直流电网继电保护超高速动作，其动作时间主要受3方面因素的制约：①柔直电网稳定性的约束;②直流换流设备耐受能力的约束;③直流断路器开断容量的约束。研究表明，柔直电网故障的典型切除时间仅允许为5~6 ms。

　　在选择性方面，柔性直流电网与传统直流和多端直流输电系统的根本区别之一在于直流断路器的应用，电网中的任何故障必须要断路器所限定的最小区域内切除，并需要保持主后备保护的配合。另外，线路保护需要在换流设备保护动作之前切除故障线路，从而保证换流设备以及正常线路的持续运行，维护直流电网的供电可靠性。

　　在灵敏性方面，受换流器控制调节作用和线路分布电容的影响，线路保护更难检测直流线路的高阻接地故障。

　　在可靠性方面，柔直电网的保护尤其是线路保护将独立于控制而自成系统，需要综合解决新型传感器、高速检测与通信等关键技术难题，这对保护系统的可靠性提出了更高的要求。

　　2)柔性直流电网线路保护方案研究。

　　柔性直流电网继电保护技术的研究主要包括如下内容：柔直电网故障特性分析与仿真，继电保护原理及配置方案，以及新型传感器、信息高速测量及通信等保护支撑技术。下面以柔性直流电网线路保护为例扼要讨论线路故障特性、保护原理及相关支撑技术。

　　直流线路故障短路电流的暂态过程和分布特性与换流器类型、系统网络结构、线路参数等因素密切相关。为了节省造价，目前直流电网倾向于采用半桥型MMC换流器，直流线路发生短路故障时，其短路过程可分解为电容放电、桥臂电抗续流以及电网电流馈入等几个阶段[25]。在线路发生故障后、换流器闭锁前，故障电流将会到达最大值。直流线路保护需要在故障电流上升至换流设备的耐受能力、直流断路器的切除容量之前快速动作隔离故障。根据某在建直流电网工程技术要求，要求线路故障的清除时间仅为6 ms，除去直流断路器的动作时间3 ms，留给线路保护的动作时间不大于3 ms，这时尚处于故障暂态的初始阶段。传统交流系统保护通常采用纵联保护作为主保护，它需要依赖通信实现基于双端量的故障检测，这种保护方式难以满足柔直电网的超高速保护要求。柔直电网线路故障信息以行波形式在直流电网传输，其传播延时会进一步压缩留给直流线路双端量保护判断故障的时间。以长度为300 km的直流架空线路靠近换流站侧发生短路故障为例，故障行波以近光速传播至对侧换流站需要约1 ms，对站检测到故障后通过光纤(折射率为1.4)将故障信息传回本站需要约1.4 ms，考虑到模拟量采样以及交换机等通信设备的延时，本站接受到对侧站发来故障信息的等待时间将超过3 ms，本站保护已没有时间进行故障判别，无法在3 ms内动作。因此，需要寻求基于单端信息的保护技术。

　　具有选择性的单端量主保护可行方案之一为行波保护。单端量行波保护的重点在于区分线路内外部故障，对此可通过边界保护的方法来解决。该方法通过在线路两侧加装电抗器以构建行波边界，利用故障行波经过电感后特性的变化，以区分线路内外部故障。此外，欠压微分保护作为传统直流线路广泛应用的单端量主保护，其通过判断电压及其跌落率的大小检测直流线路故障，通过选取合理的定值，也可以快速、准确地识别大部分线路故障特征并实现故障选线。上述方案涉及保护判据、电抗器参数以及传感器设计等关键技术，需要结合柔性直流电网的特点深入研究和论证。

　　纵联保护等基于双端信息的线路保护，受通信及故障行波传输的影响造成时间延迟，但仍可以作为直流线路的(准)后备保护。它需要研究解决2个问题：直流设备的调节作用和线路分布电容的充放电过程对保护灵敏度的影响;保护动作策略及其对换流器、直流断路器安全运行的影响。还需要加强其他的各种后备保护原理，譬如欠压过流保护和低电压保护等。

　　对于柔性直流电网线路的保护方案，尚未有工程应用实例。根据上述分析，目前柔直线路可以考虑采用基于单端电气量的行波保护、欠压微分保护作为直流线路的主保护，采用纵差保护、欠压过流保护和低电压保护作为后备保护。

　　3)柔直电网线路保护的相关技术。

　　为了实现柔直电网线路的超高速保护，相关的测量、通信等支撑技术需要进一步完善，以满足柔性直流电网的安全防护要求。现有直流工程主要采用光电式和基于罗氏线圈的电子式互感器，从原理上来说这些互感器具有较宽的响应频带，但是传统的直流保护并不要求高速动作，因此柔直电网的传感器系统需要重新按照超高速保护的应用要求进行论证和改进。相对于常规高压直流工程，柔性直流电网中对直流电压、电流测量性能提出了更高的性能要求：为了配合超高速保护算法的执行周期，要求采样频率由10 kHz提高至50 kHz;为减少保护检测故障的时间，要求采样延时由0.5 ms缩短至100 ms;采用单桥结构的换流器，故障电流更大，要求采集系统具备更宽的动态响应范围。柔直电网的双端量线路保护对通信速度有着较高的要求，目前柔直工程中的保护通信是通过控制系统的站间通信通道实现，这种复用方式延时较大，难以满足柔直电网线路保护的要求，需要配置专用的保护高速通信通道。

　　5 结语

　　我国的西部地区可分为高原地区和非高原地区，均含有丰富的风光可再生资源。充分开发利用西部包括高原地区的风光能源可以基本填补我国未来的电力缺口，促进能源结构向清洁化、低碳化转型。

　　西部高原地区的可再生能源开发与电力外送存在较高的技术难度，本文基于超高压柔性直流电网技术，并根据周边地区状况，提出了西部高原地区经南北两路通道电能外送方案，从基础前沿、重点技术、装置研发与示范应用讨论了“青藏高原风光电力能源智能开发”和“基于柔性直流电网的风光电力能源基地互联外送”2方面的研发任务，明确了预期成果。

　　针对西部风光能源资源开发的关键技术及装备问题，重点对超高压直流断路器和柔性直流电网继电保护进行了初步讨论。在总结直流断路器主要技术和形式的基础上，介绍了一种研制中的采用模块化、组合式设计理念的新型机械式多断口高压直流断路器，它在低价格、高可靠性、高适应性方面具有优势。在总结柔直电网故障时具有短路电流上升极快、安全约束条件苛刻特征的基础上，建议了以单端量暂态行波边界保护和欠压微分保护作为直流线路超高速主保护，以纵联保护等作为后备保护的配置方案，此方案能够满足3 ms快速切除故障的技术要求。

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