柔性输电与直流输电技术.doc

柔性输电与直流输电技术1引言自从1882年法国人德普勒首次实现第一条直流输电线把电力送到57 km远的慕尼黑国际博览会驱动水泵电动机，1891年第一条三相交流高压输电线在德国劳奋至法兰克福竣工以来，开始了电力系统交直流输电一个多世纪的应用和发展。输电技术发展的特点是努力减少线路损失，提高输送距离和输送容量。目前，单纯提高输电电压的发展已出现明显的饱和趋势，传统的输电方法已不能适应现代电力输送的要求。未来输电发展的重点将是采用新的技术，充分利用线路走廊输送更多的电力，提高单位线路走廊的输电能力是许多国家共同面临的问题，于是多种新型输电方式的概念和技术被提出并得到积极地研究。1970年后发展起来的电力电子技术，可以通过电力半导体开关电路实现快速、有效、经济、方便的电力变换、电力补偿和电能控制，可以为传统电力系统中发电、输电、配电、用电各领域提供先进的技术手段：快速、经济、有效、便捷地实现电力系统中电压、电流、阻抗、功率的实时调控，将各种电力电子补偿控制器引入交流输电系统，可以实现交流输电系统的灵活、方便、经济有效的实时控制，提高交流输电功率极限值，而又确保其运行稳定性储备，优化输电电网潮流，减少功耗，节省能源，提供输电线路变压器等电力设备的利用率。引入了各种电力电子变换器、补偿控制器可实现灵活快速有效控制的交流输电系统被称为柔性交流输电系统FACTS（Flexible A.C Transmission System）。FACTS技术从根本上改变了交流输电系统中，对于电网的控制只能采用传统的缓慢、间断以及不精确设备进行机械控制的局面，为交流输电网提供了快速、连续和精确的控制手段以及优化潮流的能力，同时能够保证系统稳定性，且有助于在事故发生时防止连续造成的大面积停电。随着电力电子器件和控制技术的发展，换流站采用IGBT、IGCT等元件构成电压源型换流站（Voltage Source Converter，VSC）来进行直流输电成为可能。自上世纪九十年代后期，以ABB公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电（HVDC Light）技术，并成功应用于多个领域。这种直流输电技术是采用基于可关断型器件的电压源型换流器和PWM技术进行直流输电。从其技术特点和实际工程的运行来看，很适合应用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。 因此，根据国家中长期科技发展规划和“十一五”发展规划纲要，发展柔性输电与直流输电技术，建设新一代直流输电联网工程，促进大规模风力发电场的并网，城市供电和孤岛供电等新技术的发展，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，增强自主创新能力，符合我国国情和我国的经济发展规律，符合市场需求，符合电力工业发展规律和电网技术发展方向。2柔性输电技术2.1柔性交流输电技术柔性交流输电(FA rS：Hexible AlternativeCurrent Transmission Systems)又叫做灵活交流输电，最早是在1988年由美国电力科学研究院(EPRI)的NGHingorani博士提出来的。柔性交流输电技术是将电力电子技术、微处理机技术和控制技术等高新技术集中应用于高压输变电系统，以提高输配电系统可靠性、可控性、运行性能和电能质量并获取大量节电效益的一种新型综合技术。柔性交流输电技术的发展主要经历了以下几个阶段：从20多年前就出现的SVC开始，主要由晶闸管开关快速控制的电容器和电抗器组成的装置，以提供动态电压支持，其技术基础是常规晶闸管整流器(SCR：Semiconductor Controlled Rectifier)，后来出现的第一代FACTS装置是晶闸管控制的串联电容器(TCSC：Thyristorcontrolled Series Compensator)，它利用SCR控制串接在输电线路中的电容器组来控制线路阻抗，从而提高输送能力。第二代FACTS技术装置同样具有支持电压和控制功率等功能，但在外部回路中不需要加设大型的电力设备(指电容器和电抗器组或移相变压器等)。这些新装置如静止无功发生器(STATCOM：Static Compensator)和串联补偿器(SSSC：solid-state Series Compensator)设备采用了门极可关断设备(GT0：Gate Turn Off Thyristor；IGBT：Insu一1ated Gate Bipolar Transistor)等一类全控型器件，起到电子回路模拟出电容器和电抗器组的作用，装置造价大大降低，性能却明显提高。第三代FACTS技术将两台或多台控制器复合成一组FACT S装置，并使其具有一个共同的、统一的控制系统。如将一台STATCOM 和一台SSSC复合而成的综合潮流控制器(UPFC：UnifiedPower Flow Controller)，它可以控制线路阻抗、电压或功角，同时可控制输电线路的有功和无功潮流。调节双回路潮流的线间潮流控制器(IFPC：InterPhase Power Flow controller)和可控移相器(TCPR：ThyristorControlled Phase angle Regulator)都属于复合控制器。FACT S技术用于配电领域也取得了显著进展，它主要用于改善配电网的电压和电流质量，包括有功、无功电压、电流的控制和高次谐波的消除，蓄能等应用。目前已开发的装置有SVC、配电静止补偿器(DSTAT COM)、电池蓄能器(BESS)、超导蓄能(SMEs)、有源电力滤波器(APF)、动态电压限制器(DVL)及固态断路器(SSCB)等。FACTS技术的出现，突破了过去单一控制器形成的局部作用及影响，开辟了提高交流输电线和输电网运行整体控制能力和水平的技术渠道。2.1.1 几种FACTS 元件并联型FACTS 元件可以是可变阻抗，可控电源或两者的组合。通常并联型FACTS控制器都是通过并联节点向电网注入电流来实现所需的控制功能。即使是对于采用并接可变阻抗形成的并联FACTS 控制器，电网电压作用在可变阻抗上形成的电流也可以看作是向电网注入相应的电流。如果并联FACTS 控制器注入的电流矢量与接入节点处的电压矢量垂直，则并联FACTS 元件只从电网中吸收/发送无功功率，若二者相位不垂直则并联FACTS 控制器和电网之间会产生有功交换。早在1970 年代并联型的FACTS 元件SVC（Static Var Compensator）就在美国投入了运行，随着技术的进步TCBR（Thyristor Controlled Braking Resistor），STATCOM（Static Synchronous Compensator）也在电力系统中得到了广泛应用。2.1.1.1 SVC（Static Var Compensator）SVC 一般被用来控制接入点电压在静、动态过程中维持在一定范围内，同时SVC还具有一定的稳定系统能力，但是SVC 并不能有效控制电力系统的功率潮流。SVC一般是通过晶闸管来实现快速投切并联电容器/电抗器来运行，有时也与机械控制的电容器/电抗器配合动作来实现上述功能。SVC 现有以下四种型式：可控硅控制空芯电抗器型(TCR 型)；可控硅开关控制电容器型(TSC 型)；自饱和电抗器型(SR 型)；可控硅控制高阻抗变压器型(TCT 型)，其基本结构如图1.1 所示： 图2.1常见的几种SVC基本结构2.1.1.2 STATCOM（Static Synchronous Compensator）早在1980 年日本三菱公司就研制成功了采用晶闸管强迫换相电路的20MVar 的静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator），但由于电路复杂未获得广泛应用22。自1990 年代以来，随着全控型电力电子器件（GTO、IGBT、IGCT、ETO 等）的发展，采用电力电子变流器构成的静态同步补偿器(STATCOM)得到了越来越多的重视和应用。通常情况下STATCOM 由直流侧接有储能电容的三相逆变器构成，如图1.2 所示，其输出电压与电网电压同相。当其输出电压高于/低于电网电压时将会导致输入电流的超前和滞后于电网电压，其电压差值的大小决定了输入电流的大小。因此可以通过调节电压的幅值大小来控制STATCOM 输出无功功率的极性和大小。 图2.2 STATCOM 基本结构与向量图由于STATCOM 采用电力电子变换器来产生无功功率具有响应速度快、无需负载电容、电抗等特点，因而具有控制节点电压、实现瞬时无功补偿、阻尼系统振荡、增强系统暂态稳定性等功能5,23,24。除此之外STATCOM 还可以在其直流侧配置大容量储能器件如蓄电池和超导磁储能系统（SMES）等，这样当系统掉电时配有储能系统的STATCOM 还可以为本地系统提供短时间的电力支撑。2.2柔性直流输电技术随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。2.2.1 柔性直流输电原理与基于自然换相技术的电流源型换流器的传统直流输电不同，VSC-HVDC是一种以电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制(PWM技术)为基础的新型直流输电技术。这种输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。下面详细介绍VSC-HVDC的系统结构及其基本工作原理。图2.3为柔性直流输电系统单线原理图，两端的换流站均采用VSC结构，它由换流站、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等部分组成。 图2.3柔性直流输电单线原理图变压器T：变压器可以采用常规的单相或三相变压器。通常，为了使换流站能够达到最大的有功功功率和无功功率，变压器的二次侧绕组带有分接头开关。通过调节分接头来调节二次侧的基准电压，进而获得最大的有功和无功输送能力。另外，变压器连接交流系统侧的绕组（一次侧）一般采用星形接法，而靠近换流器侧的绕组（二次侧）则采用三角形接法。变压器绕组中基本不含谐波电流分量和直流电流分量；而且这种变压器接法能够防止由调制模式引起的零序分量向交流系统传递。此外，为了向换流站提供辅助交流电源，变压器还可以采用三绕组变压器。除了上述特点外，换流变压器的另一个重要作用是将系统交流电压变换到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关调制度不至于过小，以减小输出电压和电流的谐波量，进而可以减小交流滤波装置的容量。 换流电抗器L：在电压源换流站中，对应每一相分别安装一个换流电抗器。换流电抗器是电压源换流站的一个关键部分，它是VSC与交流系统之间传输功率的纽带，它决定换流器的功率输送能力、有功功率与无功功率的控制；同时，换流电抗器能抑制换流器输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压。另外，换流电抗器还能抑制短路电流。因此，对换流电抗器的参数必须进行优化设计。 直流侧电容器C：直流侧电容是VSC的直流侧储能元件，它可以缓冲桥臂开断的冲击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端站提供电压支撑。同时，直流侧电容的大小决定其抑制直流电压波动的能力，也影响控制器的响应性能。 交流滤波器：与基于晶阐管的传统直流输电系统不同，电压源型直流输电系统采用PWM技术。因此，换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电流中含有的低次谐波很少，又由于换流电抗器对输出电流具有滤波作用，使得电流的谐波能较容易符合标准。然而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含有一定量的高次谐波，且其总的谐波畸变率并不能达到相关的谐波标准。因此，通常要在换流母线处安装适当数量的交流滤波器(接地或不接地)。当然，交流滤波器的容量和参数选择与换流器所采用的拓扑结构、开关频率及其调制方式等因素有关。因此，在选择交流滤波器参数时，要视上述具体情况而定。如前所述，与基于晶闸管的传统直流输电技术不同，柔性直流输电采用电压源型换流器和PWM技术， 其基本工作原理如图5和图6所示。由调制波与三角载波比较产生的触发脉冲，使VSC上下桥臂的开关管高频开通和关断，则桥臂中点电压uc在两个固定电压+Ud和Ud之间快速切换， uc再经过电抗器滤波后则为网侧的交流电压us。进一步分析可知，在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为：图2.4 VSC-HVDC换流器稳态运行时的基波相量图式中：UC为换流器输出电压的基波分量；US为交流母线电压基波分量；为UC和US之间的相角差；X1为换流电抗器的电抗。 由式（1）和式（2）可以得到换流器稳态运行时的基波相量图。由图2.4可知，有功功率的传输主要取决于，无功功率的传输主要取决于UC。因此通过对的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小，通过控制UC就可以控制VSC发出或者吸收的无功功率。从系统角度来看，VSC可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机，几乎可以瞬时实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。2.2.2 柔性直流输电关键技术换流器的主电路拓扑结构是柔性直流输电技术的一个重要方面，它与实际工程的容量和电压等级、IGBT串联数目、开关频率、损耗、开关调制方式和系统可控性等因素密切相关。在工业驱动领域中，为了提高换流装置的容量，通常采用的方法有：桥臂器件的串并联、换流器的多重化技术以及目前广泛研究的多电平技术等。但从表1所示ABB公司的几个典型工程的相关参数可知，应用于柔性直流输电工程中的换流器拓扑结构突出以下几个特点：拓扑结构简单，主要采用两种结构：两电平结构（如瑞典的Hellsjon工程和美国的Directlink等工程）和三电平结构（如澳大利亚的Murraylink工程、美国墨西哥的 Eagle Pass等），其提升电压等级是采用最直接的桥臂器件串联的方式来实现。开关频率低、可控性好。换流器损耗小。另外，在设计主电路拓扑时，还要充分考虑装置的实现难易程度、造价、运行经济性等因素。因此，理想的大容量换流器主回路拓扑结构应该不仅能够降低电力电子器件直接串联数目、器件开关频率，简化系统主电路拓扑结构，而且还能有效降低控制保护系统和主电路的复杂性、器件的开关损耗，为总体上保证系统的经济性、运行可靠性和有效缓解研发难度奠定良好的基础。 另外，主电路的开关调制方式直接关系到系统运行的可靠性、安全性、性能以及系统设计是否优化等诸多问题。在主电路拓扑结构确定的前提下，选择良好的调制方式能够降低换流器输出的谐波，减少交流滤波器容量，降低器件开关损耗，满足交流系统谐波方面的相应标准等对于柔性直流输电的控制策略，已有较多的相关文献进行了报道，总结起来主要分两类：一类是基于“电压幅值和相位控制”的间接电流控制策略；另一类是基于同步旋转坐标系下的直接电流控制策略。由于直接电流控制策略能够直接控制流过换流电抗器和变压器的电流，具有动态响应快、能实现限流等良好的控制性能，因此ABB公司的应用工程基本采用此种控制策略。基于同步旋转坐标系下的直接电流控制策略原理如图2.5所示。由图2.5可知，其基本结构主要由内环电流控制器、外环功率控制器、触发脉冲生成环节、以及锁相同步和同步坐标变换等环节（图中未标出）构成。对于外环功率控制器，其主要形式有：无功功率控制器、有功功率控制器、直流电压控制器、交流电压控制器等。上述这些控制器也构成了柔性直流输电系统的基本控制方式。然而对于柔性直流输电系统应用于不同的领域，如电网背靠背互联、大容量风电场接入、孤岛供电、多端柔性直流输电的并联运行、柔性直流输电与传统直流输电的混合运行、柔性直流输电与交流线路的混合并联运行等，其具体采用的控制方式也不尽相同。图2.5 柔性直流输电系统的控制系统示意图在柔性直流输电系统中，两站之间的有功功率控制应该协调一致，其中的一个VSC站采用直流电压控制模式，而另外一个站采用有功控制模式。恒定的直流电压控制可以使两个VSC站间的有功潮流自动保持平衡控制，两站之间不需要通讯。通常，受端站采用直流电压控制模式，而送端站采用有功控制，例如Gotland工程的控制方式就是这样。当然，也允许每个站从有功功率控制模式转变为直流电压控制模式，反之亦然。 两站之间无功功率的控制是完全独立的，所需无功功率可以由交流电压控制或直接无功功率控制来实现。由于换流器容量的限制，在同一个站实现独立有功功率和无功功率控制时，必须限制在一个特定的运行范围 VSC的PQ特性。当使用柔性直流输电连接风力发电场时，通常连接风场的VSC站使用频率控制模式和电压控制模式。另外，当使用柔性直流输电向无源交流网络供电时，通常连接无源交流系统侧的VSC站也使用交流电压控制模式和频率控制模式。与传统的直流输电相比，柔性直流输电还具有另外一个显著特点：在连接两个独立的交流系统的柔性直流输电系统中，一侧交流系统发生故障或扰动并不会影响到另一侧交流系统和换流器的工作。如图2.5所示，通过控制系统的设计，能够有效地抑制系统的过电流和过电压，而且能够在一侧交流系统发生单相故障或远处三相短路故障时，柔性直流输电系统仍能传输一定的有功功率。因此，在设计柔性直流输电的控制系统时，可以通过合理的控制策略来提高系统在故障情况下的不间断运行能力。3直流输电技术直流输电的发展与换流技术(特别是高电压、大功率换流设备)的发展有密切的关系。大功率汞弧阀使高压直流输电成为现实，从1954年世界上第一个工业性直流输电工程(哥特兰岛直流工程)在瑞典投入运行，到1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流输电工程(纳尔逊河l期工程)建成，世界上共有12项汞弧阀换流的直流输电工程投入运行这一时期可以称为汞弧阀换流时期。由于汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高、可靠性较差、运行维护不便等因素，使直流输电的应用和发展受到限制。20世纪70年代以后，电力电子技术迅速发展，高压大功率晶闸管问世。由于晶闸管换流阀不存在逆弧问题，有效地改善了直流输电的运行性能及可靠性，促进了直流输电的发展。自1972年世界上第一个采用晶闸管换流的伊尔河背靠背直流工程在加拿大投入运行以来，直流输电工程就进入了晶闸管换流阀时期。轻型半导体换流设备的应用进入90年代以后，轻型金属氧化物半导体器件一一绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor IGBT)首先在工业驱动装置上得到广泛的应用。1997年3月世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的直流输电工业性试验工程，在瑞典中部投入运行，其输送功率和电压为3MW和10kV，输送距离10km。由于这种换流器的功能强、体积小，可以减少换流站的滤波装置，省去换流变压器，简化换流站结构，从而称之为轻型高压直流输电(Light high voltage direct current transmissionI-IVDC Light)HVDC Light比传统HVDC具有更简单经济的结构，更广泛的应用领域，它是未来直流输电的一个发展方向。31直流输电基本原理所谓HVDC Light就是基于电压源换流器(VoRage source convertcrVSC)的直流输电，其基本原理如图ll所示，设送端、受端换流器均采用VSC，则两个换流器具有相同的结构。换流器采用两电平六脉动型，每个桥臂都由多个IGBT或GTO串联而成。直流侧电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波；换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带同时也起到滤波的作用；交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波。图3.1 轻型直流输电原理图由式(1)可见，有功功率的传输主要取决于，当万0时VSC吸收有功功率，相当于传统HVDC中的整流器运行；当0时，VSC吸收无功功率；Us-Uccos0时，VSC发出无功功率。所以，通过控制以的大小就可以控制VSC发出或吸收的无功功率及其大小。可见，VSC不仅能提高功率因数，而且还能起到STATCOM的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。在HVDC Light中，VSC通常采用正弦脉宽调SPWM技术，SPWM的基小原理是：把给定的正弦波(期望输出的电压波形)与三角载波比较来决定每个桥臂的丌通关断时刻。当直流侧电压恒定时，SPWM的调制度(正弦给定信号与三角载波幅值之比，在Ol的范围内)决定VSC输出电压的幅值，而正弦给定信号的频率与相位决定VSC输出电压的频率与相位。因为VSC吸收的有功功率和无功功率取决于VSC输出电压的相位和幅值，所以通过控制SPWM给定正弦信号的相位和调制度就可以控制有功功率和无功功率的大小及传输方向，从而可以实现对有功功率、无功功率同时且相互独立的调节3.2 HVDC Light的技术特点与传统的HVDC相比，HVDC Light有以下技术特点：(1)HVDCLight电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络，克服了传统的HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用I-IVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能(2)正常运行时HVDC Light可以同时且相互独立控制有功功率、无功功率，控制更加灵活方便。而传统HVDC中控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。(3)HVDC Light不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到STATCOM的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。这意味着故障时，如HVDC Light容量允许，那么HVDC Light系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援又可提供无功功率紧急支援，从而既能提高系统的功角稳定性又能提高系统的电压稳定性。(4)潮流反转时直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统的HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，克服了传统多端HVDC系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。(5)由于HVDC Light交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的I-IVDC Light线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。(6)HVDC Light通常采用PWM技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，所需滤波装置容量也大大减小。从而降低造价。3.3 HVDC Light的应用领域由于电力电子器件容量及开关损耗的限制，HVDC Light的输送容量尚不能与传统的HVDC相比。但是，由于HVDC Light克服了传统HVDC的固有缺陷，大大拓宽了H