西门子打造未来电网的尖端骨干

西门子推出的HVDC PLUS输电技术将在今后几十年内为基于可再生能源的电力供应打下基础。

在理想情况下，可再生能源本应取自何处，就用之何处。然而，现实情况并非始终如此。譬如，海上风电场生产的电力必须输送至沿海地区。这一过程通常需要使用高压直流输电线路（HVDC）。当输电电缆长度超过80公里时，HVDC是最为高效的解决方案。HVDC系统通过换流站将海上风电场产生的交流电转换为直流电。这些直流电在被输送至陆地后，又会经换流站转换回交流电。举例来说，通过这一过程，北海上的一条海上直流输电线路可以实现低于4%的输电损耗。

陆地上的太阳能发电系统、风电场和水电站产生的电力往往需要跨越遥远的距离才能到达城市地区。例如，为了将德国北部风电场产生的电能传输至南部地区，一条总长度达3800公里的新输电线路正在规划之中。这一项目同样采用直流输电。西门子能源业务的HVDC换流器产品开发主管Jörg Dorn表示：“这些电力高速公路将构成未来电力网络的骨干。”

图为工人在西门子纽伦堡工厂内进行HVDC PLUS传输单元的最后组装。

这并不足为奇。因为输电容量为2500兆瓦的三相交流输电系统在800公里的输电距离内会产生约9%的输电损耗，而直流输电可以将损耗降低30%到50%不等。从2010年起，西门子在中国建成的一套HVDC系统就证明了直流输电线路能够成功运行。这套系统的输电容量高达5000兆瓦，可将在云南的水电站生产的电力输送至远在1400公里之外的广东省内的大城市。通过取代由燃煤产生的补充电力，广东省每年可减排二氧化碳约3000万吨。

不仅如此，HVDC输电还有一个独特的优点，它可以将由于电网频率不同而在技术上不可兼容的三相交流电网连接起来。因此，对西门子来说，继续优化HVDC技术是明智之举。目前，西门子是全球领先的HVDC系统制造商之一，拥有约40%的市场份额。

隔离故障

在一些应用场景中，使用传统HVDC技术需要耗费大量的精力且成本高昂，西门子为此开发出了专门的HVDC解决方案。比如说，2010年，HVDC PLUS技术被首次使用，通过一条穿越东湾区的长85公里的电缆将坐落于加利福尼亚州州匹兹堡的天然气电厂生产的电力输送至旧金山市中心。

鞋盒大小的设备被捆绑安装到像这样的换流塔中。这种塔有助于稳定输电系统。

HVDC PLUS设施能带来诸多益处。比方说，不同于传统HVDC系统，HVDC PLUS通常不要求在电网中使用交流滤波器。这是因为在HVDC PLUS系统中，电流转换所需的绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块能够以高度智能的方式实现精准开关，从而让换流过程产生接近理想的电流和电压波形。这样就无需使用滤波器，从而节省了空间，使HVDC PLUS解决方案极其适用于如海上风电场等系统。当然，西门子还在坚持不懈地改进其电力电子系统。例如，在2016年8月于巴黎举办的国际大电网委员会（CIGRE）展会上，西门子发布了性能是以往型号的两倍的IGBT模块。这意味着实现规定性能所需的模块数量更少，从而可以节省更多空间。

不仅如此，尽管常规HVDC系统需要在有输电干线电压的情况下才能从交流电转换为直流电，HVDC PLUS设施可自行产生这种电压。由此带来的好处是，当输电线上的电压发生中断，或当某个电厂彻底停机时，这项新技术能够自行生成干线电压，实现“黑启动”，从而降低断电风险。

除此之外，如果高架电力线遭遇雷击，那么采用全桥技术的新一代发电换流器将允许系统在短短数百毫秒内多次重新启动，确保故障被隔离而不扩散。

图为在法国与西班牙间的HVDC输电线路上位于法国境内的Baixas换流站的换流厅。

深埋地底还是架空

传统HVDC技术已融合了40多年持续研发所取得的成果，而HVDC PLUS技术则相对较新。不过，西门子已在对其进行进一步研发。目前，功率最大的HVDC PLUS系统连接法国Baixas与西班牙Santa Llogaia。它长65公里，有两套系统，通过两条输电容量各为1000兆瓦的地下电缆输送电力。迄今为止，HVDC PLUS技术一直被用于地下电缆线路。然而，借助采用全桥技术的新型IGBT模块，计划在2022年之前竣工的贯穿德国南北、长340公里的Ultranet输电线路，将能够使用输电容量高达2000兆瓦的灵活、可靠的高架线路。Ultranet项目只是朝着未来覆盖全欧洲的、基于可再生能源的直流电网迈出的第一步，欧洲电力输电系统运营商网络预计将在2050年建成这个电网。这些系统以及其他概念都旨在满足今后几十年的能源供应要求。

图为可承受1000兆瓦电压的HVDC PLUS换流器模块。该模块被安装在一条连接法国Baixas和西班牙Santa Llogaia的HVDC输电线路的换流站内。