輕型直流輸電及其應用前景研究

1、輕型直流輸電及其應用前景研究摘要：隨著電壓源換流器(VSC)以及脈寬調(diào)制技術的引入，二十世紀九十年代產(chǎn)生了用PWM控制的VSC進行直流輸電的設想。在此基礎上，ABB公司把VSC與IGBT相結(jié)合，提出了HVDC-Light的概念。由于VSC中的電流可以關斷，VSC-HVDC系統(tǒng)不依賴交流系統(tǒng)的短路電流換相，故不要求受端電網(wǎng)必須是有源網(wǎng)絡，并且具有控制更加靈活、能夠同時控制同交流側(cè)系統(tǒng)交換的有功功率和無功功率等一系列優(yōu)點，因此日益受到人們的重視。本文首先比較了輕型HVDC與傳統(tǒng)的HVDC之間的區(qū)別，介紹了輕型直流輸電的基本原理和技術特點, 簡要介紹了輕型HVDC在國外的一些工程應用以及我國的研究現(xiàn)

2、狀,并指出目前的主要研究領域, 展望了其發(fā)展前景。1 輕型直流輸電簡介自1954年世界上第一個工業(yè)性直流輸電工程在瑞典投入商業(yè)運行以來，高壓直流輸電技術（HVDC）已經(jīng)在遠距離大功率輸電、海底電纜送電、不同額定頻率或相同額定頻率交流系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)結(jié)等場合得到了廣泛的應用1。直流輸電的廣泛應用，得益于其在經(jīng)濟與技術方面的諸多優(yōu)點1。盡管直流輸電具有顯著的技術特點，但由于交直流轉(zhuǎn)換的核心器件-換流器采用的是半控型晶閘管，這就決定了該項輸電技術也存在多處不足，主要為以下兩點：(1) 直流輸電受端系統(tǒng)必須是有源交流網(wǎng)絡，為換流器中晶閘管的可靠關斷提供換相電流，無法向無源系統(tǒng)輸送功率；(2) 晶閘管

3、換流器在進行換流時需要消耗大量的無功功率(約占工程輸送功率的40%-60%)2，每個換流站均需裝設無功補償設備。盡管人們對傳統(tǒng)直流輸電技術進行了不斷的改進，但這些改進措施均不能從根本上解決傳統(tǒng)直流輸電的不足。隨著電力電子技術的發(fā)展，特別是具有可關斷能力的電力電子器件的發(fā)展，如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、門極可關斷晶閘管(GTO)等，促進了直流輸電技術的一次重大變革。輕型高壓直流輸電(HVDC-light)是基于脈寬調(diào)制和電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)的新一代直流輸電技術，是現(xiàn)代大功率電力電子技術在電力系統(tǒng)中應用的進一步延伸與發(fā)展。與傳統(tǒng)基于相位控制

4、換流器(phase control converter，PCC)的高壓直流輸電相比，HVDC-light 具有控制靈活、不存在換相失敗、產(chǎn)生的諧波含量小、對受端電源系統(tǒng)無容量要求、可參與系統(tǒng)無功功率調(diào)節(jié)、可向無源負載供電等諸多優(yōu)點，該項輸電技術將高壓直流輸電的經(jīng)濟容量延伸到數(shù)兆瓦至數(shù)百兆瓦，適用于偏遠地區(qū)供電、城市電網(wǎng)增容改造等領域，具有良好的應用前景。 2 VSC-HVDC的基本原理2.1 電壓源換流器(VSC)換流站是HVDC輸電系統(tǒng)的核心部分，而換流器是換流站中最核心的部分，而且正是由換流器的發(fā)展變化來推動直流輸電技術發(fā)展的。20世紀50年代，可控汞弧閥換流器的研制成功并投入運行，為發(fā)展

5、高電壓、大功率直流輸電開辟了道路。隨著高壓、大容量的可控硅元件組成的晶閘管換流器的出現(xiàn)，逐漸代替汞弧閥，并將HVDC輸電帶入一個新的發(fā)展時期，即所謂的晶閘管換流時期。目前，HVDC中應用最廣泛的仍然是基于晶閘管的換流器，但是隨著新型電力電子器件的出現(xiàn)，特別是可關斷器件的發(fā)展，其電壓等級不斷提高，容量不斷增大，而且具有高頻開關特性，給HVDC技術注入新的活力。根據(jù)直流側(cè)的電壓或電流極性是否改變，換流器可以分為兩種基本類型：電流源換流器(CSC)和電壓源換流器(VSC)。CSC的直流側(cè)電流極性不變，功率方向隨著直流電壓方向的改變而改變，而VSC的直流側(cè)電壓極性不變，功率方向隨著直流電流方向的改變而

6、改變。在電壓換流器中，由于其直流電流可以是任一方向，所以換流閥應具有雙向?qū)ǖ哪芰Γ欢忠驗槠渲绷麟妷簶O性不變，所以換流閥不需要有電壓反向的功能。 因此該可關斷換流閥是非對稱關斷裝置，即對直流電流的一個方向具有關斷能力而另一個方向則無關斷能力。通常組成電壓源換流器的換流閥是由具有關斷能力的器件(如GTO、IGBT、IGCT 等)與一個反并聯(lián)二極管組成。反并聯(lián)二極管，除了作為主回路外，還可以起到保護和續(xù)流的作用。2.2 脈寬調(diào)制技術3(PWM) 所謂脈寬調(diào)制(PWM)技術，即在每個工頻周期內(nèi)，通過多次開通和關斷主開關器件，使得交流輸出電壓在半個周期內(nèi)形成多脈沖序列，進而通過改變脈沖的寬度、數(shù)目和

7、位置等來調(diào)節(jié)交流輸出電壓的頻率、幅值等參數(shù)，并實現(xiàn)抑制諧波分量的目標。PWM方法適用于各種二電平和多電平變換器。隨著VSC、特別是多電平VSC在高性能、大容量電力電子裝置中應用的不斷推廣，PWM控制技術作為其共用的核心技術，得到了深入的研究。目前已經(jīng)提出并得到應用的PWM控制技術不下幾十種，研究的較多、應用較廣的是正弦脈寬調(diào)制(SPWM)、空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)和優(yōu)化脈寬調(diào)制等。圖1 SPWM調(diào)制原理及輸出波形在VSC-HVDC中，由于VSC中的換流器件是全控型器件，因此它可以采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術，即通過將給定的正弦波(期望的輸出電壓波形)與三角載波比較來決定每個橋臂全控型

8、器件的開通關斷時刻。當直流側(cè)電壓恒定時，SPWM的調(diào)制度(正弦給定信號與三角載波幅值之比，在0-1的范圍內(nèi))決定VSC輸出電壓的幅值，而正弦給定信號的相位決定VSC輸出電壓的相位。由于SPWM技術中，正弦給定信號的調(diào)制度和相位可以分別獨立地調(diào)節(jié)，因此VSC交流輸出端電壓的幅值和相位也可以被分別獨立地調(diào)節(jié)，由于VSC吸收的有功和無功的大小和方向取決于VSC交流端輸出電壓的相位和幅值，因此通過控制SPWM給定正弦信號的調(diào)制度和相位就可以實現(xiàn)有功和無功相互獨立的調(diào)節(jié)。VSC既能工作在整流狀態(tài)又能工作在逆變狀態(tài)，VSC-HVDC對電能的變換和傳輸，是通過對它兩側(cè)的VSC進行SPWM控制來實現(xiàn)的，其中一

9、側(cè)的VSC(VSC1)以整流狀態(tài)運行，VSC1把整流側(cè)的交流電變換為直流電，直流電沿著直流架空線路或直流電纜傳輸?shù)搅硪粋?cè)運行在逆變狀態(tài)的VSC(VSC2),VSC2將直流電變換為與該端交流系統(tǒng)同頻率的交流電。這樣，經(jīng)過VSC1整流直流傳輸線傳輸VSC2逆變的過程,VSC1側(cè)交流系統(tǒng)的電能就經(jīng)VSC-HVDC傳送到了VSC2側(cè)的交流系統(tǒng)。VSC-HVDC兩側(cè)的VSC各自都能運行在整流狀態(tài)或逆變狀態(tài)，因此如果VSC-HVDC兩側(cè)連接的都是有源交流電網(wǎng)，通過兩側(cè)VSC運行狀態(tài)的互換，可實現(xiàn)兩有源交流電網(wǎng)之間電能的互相傳送。由于自換相VSC不需要交流側(cè)為其提供換相電流，因此VSC-HVDC的逆變側(cè)的交

10、流端可以連接純負荷，這是采用電網(wǎng)換向LCC換流器的傳統(tǒng)HVDC無法實現(xiàn)的。2.3 絕緣柵雙極晶閘管(IGBT)應用IGBT，實現(xiàn)了從PCC技術到VSC加PWM的技術轉(zhuǎn)換。IGBT是一種可以自關斷的金屬氧化物半導體元件，只需要用很小的功率進行控制。與用于控制換相晶閘管的功率相比較，其功率只需要用緩沖器電路提供，這就使串聯(lián)成為可能，甚至在kHz極換相頻率范圍內(nèi)都具有很好的電壓分布。為了使串聯(lián)在一起的每一個IGBT得到平均的電壓分布，設計了一個特別的門單元GU(GateUnit)，該單元和一個電壓分配器在一起，保證在轉(zhuǎn)換的過程中使電壓得到合理的分布。IGBT技術發(fā)展很快，其額定電壓已經(jīng)達到2.5kV

11、，很快就會實現(xiàn)更高的電壓。2.4 雙端VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)雙端VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中電壓源換流器的主要器件包括：全控換流橋、直流側(cè)電容器、交流側(cè)換流變壓器或換流電抗器以及交流濾波器。其中全控換流橋采用三相兩電平的拓撲結(jié)構(gòu)，每一橋臂均由多個IGBT或GTO等可關斷器件組成；直流側(cè)電容器為換流器提供電壓支撐、并緩沖橋臂關斷時的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波；交流側(cè)換流變壓器或換流電抗器是VSC與交流系統(tǒng)間能量交換的紐帶，同時也起到濾波的作用；交流側(cè)濾波器的作用則是濾除交流側(cè)諧波。雙端電壓源換流器通過直流輸電線路連接，一端運行于整流狀態(tài)，另一端運行于逆變狀態(tài)，共同實

12、現(xiàn)兩端交流系統(tǒng)間有功功率的交換。圖2 兩端VSC-HVDC系統(tǒng)原理圖當忽略換流變壓器、換流電抗器的電阻及諧波分量時，VSC交流母線電壓基頻分量與出口電壓的基頻分量共同作用于換流變壓器或換流電抗器的電抗，換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖和無功功率Q分別為： 由以上兩式可以看出，有功功率的傳輸只要取決于和之間的相角差。當大于零時，VSC將從交流系統(tǒng)吸收有功功率，運行于整流狀態(tài)；當小于零時，VSC將向交流系統(tǒng)發(fā)出有功功率，運行于逆變狀態(tài)。因此，通過對的 ，即可以控制VSC-HVDC輸送的有功功率的大小和方向。無功功率的交換主要取決于，當大于零時，VSC吸收無功功率；當小于零時，VSC則輸出無功功

13、率。因此，通過對的控制，可以控制VSC吸收或發(fā)出無功功率?？梢姡琕SC不僅能提高功率因數(shù)，而且還能起到STATCOM的作用，實現(xiàn)向交流電網(wǎng)動態(tài)補償無功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。3 VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的技術特點4由于VSC-HVDC中交直流轉(zhuǎn)換的核心部件-電壓源換流器與傳統(tǒng)HVDC中的換流器存在顯著的差異，因此與傳統(tǒng)HVDC相比，VSC-HVDC具有如下一些顯著的技術優(yōu)勢：(1) VSC電流能夠自關斷，可以工作在無源逆變方式，不需要外加換相電壓，從而克服了傳統(tǒng)HVDC受端必須是有源網(wǎng)絡的根本缺陷，使利用HVDC為遠距離的孤立負荷送電成為可能。(2) 正常運行時，VSC可以同時且獨立控制有功和

14、無功，控制更加靈活方便，而傳統(tǒng)HVDC的控制量只有觸發(fā)角，不可能單獨控制有功功率或無功功率。(3) 潮流翻轉(zhuǎn)時直流電流方向反向而直流電壓極性不變，與傳統(tǒng)HVDC恰好相反。該特點有利于構(gòu)成既能方便地控制潮流又能有較高可靠性的并聯(lián)多端直流系統(tǒng)?？朔藗鹘y(tǒng)多端HVDC系統(tǒng)并聯(lián)連接時潮流控制不便、串聯(lián)連接時又影響可靠性的缺點。(4) VSC不僅不需要交流側(cè)提供無功功率，而且能夠起到STATCOM的作用，即動態(tài)補償交流母線無功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著如果VSC容量允許，故障時VSC-HVDC系統(tǒng)既可向故障區(qū)域提供有功功率的緊急支援，又可以提供無功功率的緊急支援，從而提高交流系統(tǒng)的電壓和功角穩(wěn)定性

15、。(5) 由于VSC交流側(cè)電流可以被控制，所以不會增加系統(tǒng)的短路容量。這意味著增加新的VSC-HVDC線路后，交流系統(tǒng)的保護整定無需改變。(6) 模塊化設計使HVDC Light的設計、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大大縮短。同時，VSC通常采用SPWM技術，開關頻率相對較高，經(jīng)過低通濾波后就可得到所需的交流電壓，可以不用換流變壓器，簡化了換流站結(jié)構(gòu)，所需濾波裝置的容量也大大減小。在同等容量下VSC-HVDC換流站的占地面積顯著小于傳統(tǒng)HVDC換流站。(7) 控制器可根據(jù)交流系統(tǒng)的需要實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，所以兩側(cè)VSC 換流器不需要通信聯(lián)絡，從而減少通信的投資及其運行維護費用。4. VSC-HVDC系統(tǒng)的研究

16、現(xiàn)狀和應用前景4.1 VSC-HVDC系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀5-7(1) Hellsjon工程是世界上第1個VSC-HVDC工業(yè)試驗工程，額定容量為3MW，直流電流150A，直流電壓±10kV，試驗線路選擇Hellsjon附近一條10km長的10kV交流線路。該工程自工程投運以來，已完成了復雜的試驗計劃，輸電穩(wěn)定，換流器能夠滿足噪音水平、諧波畸變、電話干擾和電磁場等方面的技術要求。(2) 1999年6月，瑞典哥特蘭(Gotland)VSC-HVDC工程投入運行。這是世界上第一個商業(yè)化運行的VSC-HVDC工程，額定容量為54MW，兩端的交流電網(wǎng)電壓80kV，直流電壓±80kV，直流

17、電流350A。該系統(tǒng)為充分開發(fā)、利用當?shù)刎S富的風力資源提供了技術支持，解決了風力發(fā)電所帶來的電能質(zhì)量問題。(3) 1999年底，在澳大利亞建成投運的輕型Directlink HVDC系統(tǒng)首次將新南威爾士(New South Wales)電網(wǎng)和昆士蘭州(Queensland)電網(wǎng)聯(lián)接起來，并在兩個電網(wǎng)之間進行電能交易。(4) 2000年6月，丹麥投運的第1個用于風力發(fā)電的VSC-HVDC示范工程Tjaereborg工程正式投運，該工程主要為了解決風力發(fā)電引起的無功功率和電壓問題。(5) 2000年9月，由EPRI、AEP和ABB聯(lián)合在美國的Eagle Pass建設了世界上第1個采用VSC-HVD

18、C技術實現(xiàn)電網(wǎng)背靠背異步互聯(lián)的工程。該工程增加了向Eagle Pass的輸電能力，解決了Eagle Pass電網(wǎng)的電壓支撐問題，同時也解決了美國與墨西哥電網(wǎng)之間電能交換容量的限制問題。該工程的最大可傳輸功率為36MW，或以STATCOM方式運行為兩端電網(wǎng)提供36MVar的無功補償容量。該工程兩端交流電網(wǎng)電壓138kV，直流額定電壓±15.9kV，直流電流1100A。(6) 2002年7月投運，美國Cross-Sound直流工程，容量為330MW,直流電壓150kv,直流傳輸線為2*40km直流電纜，工程的目的是將New Mavend的Connecticut電網(wǎng)與紐約長島電網(wǎng)互聯(lián)。(7

19、) 2002年8月投運的澳大利亞Murray Link直流工程，額定容量220MW,兩端的交流網(wǎng)絡電壓132/220kV，直流電壓±150kV，直流電流739A，直流輸電線路為2×180km地下電纜，該工程是目前世界上最長的地下電纜輸電項目，工程的目的是電力市場交易和將澳大利亞南部River land電網(wǎng)與Victoria電網(wǎng)非同期互聯(lián)。(8) 2006年投運的愛沙尼亞Estlink工程：兩端換流站分別位于Espoo和Harku，利用105km的電纜連接，最大傳輸功率為350MW,直流電壓正負150kv,直流電流1230A,該工程主要用于電能交易并實現(xiàn)電網(wǎng)互連。在我國，已經(jīng)

20、開展了關于輕型HVDC 技術的研究工作。但是，目前還屬于起步階段，輕型HVDC技術還有很多技術方面的問題還沒有解決好8,9。盡快提高該技術的研究水平, 盡快投入應用, 具有十分迫切而重要的現(xiàn)實意義。4.2 輕型直流輸電應用前景10,11(1) 代替本地發(fā)電裝置，向偏遠地區(qū)、島嶼等小容量負荷供電12偏遠的小城鎮(zhèn)、村莊以及遠離大陸電網(wǎng)的海上島嶼、石油鉆井平臺等負荷，其負荷容量通常較小且波動較大，因此通過長距離的交流線路對這些地區(qū)供電既不經(jīng)濟有時又受交流傳輸功率極限的限制，因而不是一個較好的選擇。傳統(tǒng)的HVDC不能向無源網(wǎng)路供電，而采用VSC-HVDC輸電技術，可向無源網(wǎng)絡供電且不受輸電距離的限制，

21、幾兆瓦到數(shù)百兆瓦都符合VSC-HVDC的經(jīng)濟輸電范圍。因此，從技術和經(jīng)濟性角度考慮，采用VSC-HVDC技術向這類負荷供電是一種理想的選擇。(2) 城市配電網(wǎng)增容改造13城市特別是大中城市的空中輸電走廊已沒有發(fā)展余地，原有架空配電網(wǎng)絡已不能滿足電力增容的要求，合理的方法是采用電纜輸電。而直流電纜不僅比交流電纜占有空間小，而且能輸送更多的功率，因此采用輕型直流輸電向城市中心區(qū)供電有可能成為未來城市增容的唯一可行辦法。 據(jù)有關資料14介紹，由原有交流架空導線改送直流電，可提高50%的輸送功率。(3) 直流環(huán)網(wǎng)供電和不同額度頻率交流系統(tǒng)互聯(lián)環(huán)網(wǎng)比輻射網(wǎng)及鏈式網(wǎng)的供電可靠性都高。 多個VSC 換流器容

22、易構(gòu)成并聯(lián)多端供電的直流環(huán)網(wǎng)，從而提高直流輸電的可靠性和靈活性。VSC-HVDC可用于不同額定頻率和相同額定頻率交流系統(tǒng)間的互聯(lián)，改善系統(tǒng)的運行性能。(4) 提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量非線性負荷和沖擊性負荷使配電網(wǎng)產(chǎn)生電能質(zhì)量問題，如諧波污染、電壓間斷、電壓凹陷/突起以及波形閃變等問題，使一些敏感設備如工業(yè)過程控制裝置、現(xiàn)代化辦公設備、電子安全系統(tǒng)等失靈。 輕型直流輸電有快速控制有功/無功的能力并能夠保持電壓基本不變，使電壓、電流滿足電能質(zhì)量標準要求，將是未來改善配網(wǎng)電能質(zhì)量的有效措施。(5) 清潔能源發(fā)電受環(huán)境條件限制, 清潔能源發(fā)電一般裝機容量小、供電質(zhì)量不高并且遠離主網(wǎng), 如中小型水電廠、風力發(fā)

23、電站、潮汐電站、太陽能電站等, 由于其運營成本很高以及交流線路輸送能力偏低等原因使采用交流互聯(lián)方案在經(jīng)濟和技術上均難以滿足要求, 利用輕型直流輸電與主網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)是充分利用可再生能源的最佳方式, 有利于保護環(huán)境。5 結(jié)論電力半導體特別是IGBT 的不斷發(fā)展，導致HVDC-Light技術的出現(xiàn)。由于VSC- HVDC輸電系統(tǒng)輕型、高效,具有可觀的經(jīng)濟效益和環(huán)保價值，同時由于它的操作極其靈活且可大大改善電能質(zhì)量，可以預見,輕型高壓直流輸電必將在今后的電力傳輸發(fā)展應用中發(fā)揮更大的作用。世界上各項HVDC-Light 工程的順利投入運行，表明HVDC-Light 技術在不斷的成熟，必將有著很好的發(fā)展前景

24、。在尋求更大容量及更有效的換流器方面,將是今后研究的熱點。參考文獻1 王官浩,任震.高壓直流輸電技術M.重慶:重慶大學出版社,1997.2 周波. 直流輸電系統(tǒng)控制與運行M. 北京：華北電力大學，1998.3 謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應用M. 北京：清華大學出版社.2006.4 張桂斌，徐政. 直流輸電技術的新發(fā)展. 中國電力，2000：32-35.5 Sackey T,Zakhary S Z. Power wheeling through the west African interconnected system. Sixth Itternational Conference on AC and DC Power Transmission(IEE Conference Publication No.423),Sweden,1996.13-186Bahrman,M.P.(ABB Inc.Zurich,Switzerland;);Johansson,J.G.;Nilsson,B.A. Voltage source co