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西門子推出的HVDC PLUS輸電技術將在今后幾十年內為基于可再生能源的電力供應打下基礎。

在理想情況下，可再生能源本應取自何處，就用之何處。然而，現情況并非始終如此。譬如，海上風電場生產的電力必須輸送至沿海地區。這一過程通常需要使用高壓直流輸電線路（HVDC）。當輸電電纜長度超過80公里時，HVDC是較為高效的解決方案。HVDC系統通過換流站將海上風電場產生的交流電轉換為直流電。這些直流電在被輸送至陸地后，又會經換流站轉換回交流電。舉例來說，通過這一過程，北海上的一條海上直流輸電線路可以實現低于4%的輸電損耗。

陸地上的太陽能發電系統、風電場和水電站產生的電力往往需要跨越遙遠的距離才能到達城市地區。例如，為了將德國北部風電場產生的電能傳輸至南部地區，一條總長度達3800公里的新輸電線路正在規劃之中。這一項目同樣采用直流輸電。西門子能源業務的HVDC換流器產品開發主管Jörg Dorn表示：“這些電力高速公路將構成未來電力網絡的骨干。”

圖為工人在西門子紐倫堡工廠內進行HVDC PLUS傳輸單元的最后組裝。

這并不足為奇。因為輸電容量為2500兆瓦的三相交流輸電系統在800公里的輸電距離內會產生約9%的輸電損耗，而直流輸電可以將損耗降低30%到50%不等。從2010年起，西門子在中國建成的一套HVDC系統就證明了直流輸電線路能夠成功運行。這套系統的輸電容量高達5000兆瓦，可將在云南的水電站生產的電力輸送至遠在1400公里之外的廣東省內的大城市。通過取代由燃煤產生的補充電力，廣東省每年可減排二氧化碳約3000萬噸。

不僅如此，HVDC輸電還有一個*的優點，它可以將由于電網頻率不同而在技術上不可兼容的三相交流電網連接起來。因此，對西門子來說，繼續優化HVDC技術是明智之舉。目前，西門子是全球*的HVDC系統制造商之一，擁有約40%的*。

隔離故障

在一些應用場景中，使用傳統HVDC技術需要耗費大量的精力且成本高昂，西門子為此開發出了專門的HVDC解決方案。比如說，2010年，HVDC PLUS技術被首次使用，通過一條穿越東灣區的長85公里的電纜將坐落于加利福尼亞州州匹茲堡的天然氣電廠生產的電力輸送至舊金山市中心。

鞋盒大小的設備被捆綁安裝到像這樣的換流塔中。這種塔有助于穩定輸電系統。

HVDC PLUS設施能帶來諸多益處。比方說，不同于傳統HVDC系統，HVDC PLUS通常不要求在電網中使用交流濾波器。這是因為在HVDC PLUS系統中，電流轉換所需的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊能夠以高度智能的方式實現精準開關，從而讓換流過程產生接近理想的電流和電壓波形。這樣就無需使用濾波器，從而節省了空間，使HVDC PLUS解決方案極其適用于如海上風電場等系統。當然，西門子還在堅持不懈地改進其電力電子系統。例如，在2016年8月于巴黎舉辦的國際大電網委員會（CIGRE）展會上，西門子發布了性能是以往型號的兩倍的IGBT模塊。這意味著實現規定性能所需的模塊數量更少，從而可以節省更多空間。

不僅如此，盡管常規HVDC系統需要在有輸電干線電壓的情況下才能從交流電轉換為直流電，HVDC PLUS設施可自行產生這種電壓。由此帶來的好處是，當輸電線上的電壓發生中斷，或當某個電廠*停機時，這項新技術能夠自行生成干線電壓，實現“黑啟動”，從而降低斷電風險。

除此之外，如果高架電力線遭遇雷擊，那么采用全橋技術的新一代發電換流器將允許系統在短短數百毫秒內多次重新啟動，確保故障被隔離而不擴散。

圖為在法國與西班牙間的HVDC輸電線路上位于法國境內的Baixas換流站的換流廳。

深埋地底還是架空

傳統HVDC技術已融合了40多年持續研發所取得的成果，而HVDC PLUS技術則相對較新。不過，西門子已在對其進行進一步研發。目前，功率最大的HVDC PLUS系統連接法國Baixas與西班牙Santa Llogaia。它長65公里，有兩套系統，通過兩條輸電容量各為1000兆瓦的地下電纜輸送電力。迄今為止，HVDC PLUS技術一直被用于地下電纜線路。然而，借助采用全橋技術的新型IGBT模塊，計劃在2022年之前竣工的貫穿德國南北、長340公里的Ultranet輸電線路，將能夠使用輸電容量高達2000兆瓦的靈活、可靠的高架線路。Ultranet項目只是朝著未來覆蓋全歐洲的、基于可再生能源的直流電網邁出的*步，歐洲電力輸電系統運營商網絡預計將在2050年建成這個電網。這些系統以及其他概念都旨在滿足今后幾十年的能源供應要求。