轻型直流输电及其应用前景研究

1、轻型直流输电及其应用前景研究摘要：随着电压源换流器(VSC)以及脉宽调制技术的引入，二十世纪九十年代产生了用PWM控制的VSC进行直流输电的设想。在此基础上，ABB公司把VSC与IGBT相结合，提出了HVDC-Light的概念。由于VSC中的电流可以关断，VSC-HVDC系统不依赖交流系统的短路电流换相，故不要求受端电网必须是有源网络，并且具有控制更加灵活、能够同时控制同交流侧系统交换的有功功率和无功功率等一系列优点，因此日益受到人们的重视。本文首先比较了轻型HVDC与传统的HVDC之间的区别，介绍了轻型直流输电的基本原理和技术特点, 简要介绍了轻型HVDC在国外的一些工程应用以及我国的研究现

2、状,并指出目前的主要研究领域, 展望了其发展前景。1 轻型直流输电简介自1954年世界上第一个工业性直流输电工程在瑞典投入商业运行以来，高压直流输电技术（HVDC）已经在远距离大功率输电、海底电缆送电、不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同步联结等场合得到了广泛的应用1。直流输电的广泛应用，得益于其在经济与技术方面的诸多优点1。尽管直流输电具有显著的技术特点，但由于交直流转换的核心器件-换流器采用的是半控型晶闸管，这就决定了该项输电技术也存在多处不足，主要为以下两点：(1) 直流输电受端系统必须是有源交流网络，为换流器中晶闸管的可靠关断提供换相电流，无法向无源系统输送功率；(2) 晶闸管

3、换流器在进行换流时需要消耗大量的无功功率(约占工程输送功率的40%-60%)2，每个换流站均需装设无功补偿设备。尽管人们对传统直流输电技术进行了不断的改进，但这些改进措施均不能从根本上解决传统直流输电的不足。随着电力电子技术的发展，特别是具有可关断能力的电力电子器件的发展，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)等，促进了直流输电技术的一次重大变革。轻型高压直流输电(HVDC-light)是基于脉宽调制和电压源型换流器(voltage source converter，VSC)的新一代直流输电技术，是现代大功率电力电子技术在电力系统中应用的进一步延伸与发展。与传统基于相位控制

4、换流器(phase control converter，PCC)的高压直流输电相比，HVDC-light 具有控制灵活、不存在换相失败、产生的谐波含量小、对受端电源系统无容量要求、可参与系统无功功率调节、可向无源负载供电等诸多优点，该项输电技术将高压直流输电的经济容量延伸到数兆瓦至数百兆瓦，适用于偏远地区供电、城市电网增容改造等领域，具有良好的应用前景。 2 VSC-HVDC的基本原理2.1 电压源换流器(VSC)换流站是HVDC输电系统的核心部分，而换流器是换流站中最核心的部分，而且正是由换流器的发展变化来推动直流输电技术发展的。20世纪50年代，可控汞弧阀换流器的研制成功并投入运行，为发展

5、高电压、大功率直流输电开辟了道路。随着高压、大容量的可控硅元件组成的晶闸管换流器的出现，逐渐代替汞弧阀，并将HVDC输电带入一个新的发展时期，即所谓的晶闸管换流时期。目前，HVDC中应用最广泛的仍然是基于晶闸管的换流器，但是随着新型电力电子器件的出现，特别是可关断器件的发展，其电压等级不断提高，容量不断增大，而且具有高频开关特性，给HVDC技术注入新的活力。根据直流侧的电压或电流极性是否改变，换流器可以分为两种基本类型：电流源换流器(CSC)和电压源换流器(VSC)。CSC的直流侧电流极性不变，功率方向随着直流电压方向的改变而改变，而VSC的直流侧电压极性不变，功率方向随着直流电流方向的改变而

6、改变。在电压换流器中，由于其直流电流可以是任一方向，所以换流阀应具有双向导通的能力；而又因为其直流电压极性不变，所以换流阀不需要有电压反向的功能。 因此该可关断换流阀是非对称关断装置，即对直流电流的一个方向具有关断能力而另一个方向则无关断能力。通常组成电压源换流器的换流阀是由具有关断能力的器件(如GTO、IGBT、IGCT 等)与一个反并联二极管组成。反并联二极管，除了作为主回路外，还可以起到保护和续流的作用。2.2 脉宽调制技术3(PWM) 所谓脉宽调制(PWM)技术，即在每个工频周期内，通过多次开通和关断主开关器件，使得交流输出电压在半个周期内形成多脉冲序列，进而通过改变脉冲的宽度、数目和

7、位置等来调节交流输出电压的频率、幅值等参数，并实现抑制谐波分量的目标。PWM方法适用于各种二电平和多电平变换器。随着VSC、特别是多电平VSC在高性能、大容量电力电子装置中应用的不断推广，PWM控制技术作为其共用的核心技术，得到了深入的研究。目前已经提出并得到应用的PWM控制技术不下几十种，研究的较多、应用较广的是正弦脉宽调制(SPWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)和优化脉宽调制等。图1 SPWM调制原理及输出波形在VSC-HVDC中，由于VSC中的换流器件是全控型器件，因此它可以采用正弦脉宽调制(SPWM)技术，即通过将给定的正弦波(期望的输出电压波形)与三角载波比较来决定每个桥臂全控型

8、器件的开通关断时刻。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0-1的范围内)决定VSC输出电压的幅值，而正弦给定信号的相位决定VSC输出电压的相位。由于SPWM技术中，正弦给定信号的调制度和相位可以分别独立地调节，因此VSC交流输出端电压的幅值和相位也可以被分别独立地调节，由于VSC吸收的有功和无功的大小和方向取决于VSC交流端输出电压的相位和幅值，因此通过控制SPWM给定正弦信号的调制度和相位就可以实现有功和无功相互独立的调节。VSC既能工作在整流状态又能工作在逆变状态，VSC-HVDC对电能的变换和传输，是通过对它两侧的VSC进行SPWM控制来实现的，其中一

9、侧的VSC(VSC1)以整流状态运行，VSC1把整流侧的交流电变换为直流电，直流电沿着直流架空线路或直流电缆传输到另一侧运行在逆变状态的VSC(VSC2),VSC2将直流电变换为与该端交流系统同频率的交流电。这样，经过VSC1整流直流传输线传输VSC2逆变的过程,VSC1侧交流系统的电能就经VSC-HVDC传送到了VSC2侧的交流系统。VSC-HVDC两侧的VSC各自都能运行在整流状态或逆变状态，因此如果VSC-HVDC两侧连接的都是有源交流电网，通过两侧VSC运行状态的互换，可实现两有源交流电网之间电能的互相传送。由于自换相VSC不需要交流侧为其提供换相电流，因此VSC-HVDC的逆变侧的交

10、流端可以连接纯负荷，这是采用电网换向LCC换流器的传统HVDC无法实现的。2.3 绝缘栅双极晶闸管(IGBT)应用IGBT，实现了从PCC技术到VSC加PWM的技术转换。IGBT是一种可以自关断的金属氧化物半导体元件，只需要用很小的功率进行控制。与用于控制换相晶闸管的功率相比较，其功率只需要用缓冲器电路提供，这就使串联成为可能，甚至在kHz极换相频率范围内都具有很好的电压分布。为了使串联在一起的每一个IGBT得到平均的电压分布，设计了一个特别的门单元GU(GateUnit)，该单元和一个电压分配器在一起，保证在转换的过程中使电压得到合理的分布。IGBT技术发展很快，其额定电压已经达到2.5kV

11、，很快就会实现更高的电压。2.4 双端VSC-HVDC输电系统的结构双端VSC-HVDC输电系统的主电路结构如图2所示。其中电压源换流器的主要器件包括：全控换流桥、直流侧电容器、交流侧换流变压器或换流电抗器以及交流滤波器。其中全控换流桥采用三相两电平的拓扑结构，每一桥臂均由多个IGBT或GTO等可关断器件组成；直流侧电容器为换流器提供电压支撑、并缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波；交流侧换流变压器或换流电抗器是VSC与交流系统间能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用；交流侧滤波器的作用则是滤除交流侧谐波。双端电压源换流器通过直流输电线路连接，一端运行于整流状态，另一端运行于逆变状态，共同实

12、现两端交流系统间有功功率的交换。图2 两端VSC-HVDC系统原理图当忽略换流变压器、换流电抗器的电阻及谐波分量时，VSC交流母线电压基频分量与出口电压的基频分量共同作用于换流变压器或换流电抗器的电抗，换流器和交流电网之间传输的有功功率P和无功功率Q分别为： 由以上两式可以看出，有功功率的传输只要取决于和之间的相角差。当大于零时，VSC将从交流系统吸收有功功率，运行于整流状态；当小于零时，VSC将向交流系统发出有功功率，运行于逆变状态。因此，通过对的 ，即可以控制VSC-HVDC输送的有功功率的大小和方向。无功功率的交换主要取决于，当大于零时，VSC吸收无功功率；当小于零时，VSC则输出无功功

13、率。因此，通过对的控制，可以控制VSC吸收或发出无功功率。可见，VSC不仅能提高功率因数，而且还能起到STATCOM的作用，实现向交流电网动态补偿无功功率，稳定交流母线电压。3 VSC-HVDC输电系统的技术特点4由于VSC-HVDC中交直流转换的核心部件-电压源换流器与传统HVDC中的换流器存在显著的差异，因此与传统HVDC相比，VSC-HVDC具有如下一些显著的技术优势：(1) VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加换相电压，从而克服了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。(2) 正常运行时，VSC可以同时且独立控制有功和

14、无功，控制更加灵活方便，而传统HVDC的控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。(3) 潮流翻转时直流电流方向反向而直流电压极性不变，与传统HVDC恰好相反。该特点有利于构成既能方便地控制潮流又能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。(4) VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到STATCOM的作用，即动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压。这意味着如果VSC容量允许，故障时VSC-HVDC系统既可向故障区域提供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功率的紧急支援，从而提高交流系统的电压和功角稳定性

15、。(5) 由于VSC交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路容量。这意味着增加新的VSC-HVDC线路后，交流系统的保护整定无需改变。(6) 模块化设计使HVDC Light的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时，VSC通常采用SPWM技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需的交流电压，可以不用换流变压器，简化了换流站结构，所需滤波装置的容量也大大减小。在同等容量下VSC-HVDC换流站的占地面积显著小于传统HVDC换流站。(7) 控制器可根据交流系统的需要实现自动调节，所以两侧VSC 换流器不需要通信联络，从而减少通信的投资及其运行维护费用。4. VSC-HVDC系统的研究

16、现状和应用前景4.1 VSC-HVDC系统的研究现状5-7(1) Hellsjon工程是世界上第1个VSC-HVDC工业试验工程，额定容量为3MW，直流电流150A，直流电压±10kV，试验线路选择Hellsjon附近一条10km长的10kV交流线路。该工程自工程投运以来，已完成了复杂的试验计划，输电稳定，换流器能够满足噪音水平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面的技术要求。(2) 1999年6月，瑞典哥特兰(Gotland)VSC-HVDC工程投入运行。这是世界上第一个商业化运行的VSC-HVDC工程，额定容量为54MW，两端的交流电网电压80kV，直流电压±80kV，直流

17、电流350A。该系统为充分开发、利用当地丰富的风力资源提供了技术支持，解决了风力发电所带来的电能质量问题。(3) 1999年底，在澳大利亚建成投运的轻型Directlink HVDC系统首次将新南威尔士(New South Wales)电网和昆士兰州(Queensland)电网联接起来，并在两个电网之间进行电能交易。(4) 2000年6月，丹麦投运的第1个用于风力发电的VSC-HVDC示范工程Tjaereborg工程正式投运，该工程主要为了解决风力发电引起的无功功率和电压问题。(5) 2000年9月，由EPRI、AEP和ABB联合在美国的Eagle Pass建设了世界上第1个采用VSC-HVD

18、C技术实现电网背靠背异步互联的工程。该工程增加了向Eagle Pass的输电能力，解决了Eagle Pass电网的电压支撑问题，同时也解决了美国与墨西哥电网之间电能交换容量的限制问题。该工程的最大可传输功率为36MW，或以STATCOM方式运行为两端电网提供36MVar的无功补偿容量。该工程两端交流电网电压138kV，直流额定电压±15.9kV，直流电流1100A。(6) 2002年7月投运，美国Cross-Sound直流工程，容量为330MW,直流电压150kv,直流传输线为2*40km直流电缆，工程的目的是将New Mavend的Connecticut电网与纽约长岛电网互联。(7

19、) 2002年8月投运的澳大利亚Murray Link直流工程，额定容量220MW,两端的交流网络电压132/220kV，直流电压±150kV，直流电流739A，直流输电线路为2×180km地下电缆，该工程是目前世界上最长的地下电缆输电项目，工程的目的是电力市场交易和将澳大利亚南部River land电网与Victoria电网非同期互联。(8) 2006年投运的爱沙尼亚Estlink工程：两端换流站分别位于Espoo和Harku，利用105km的电缆连接，最大传输功率为350MW,直流电压正负150kv,直流电流1230A,该工程主要用于电能交易并实现电网互连。在我国，已经

20、开展了关于轻型HVDC 技术的研究工作。但是，目前还属于起步阶段，轻型HVDC技术还有很多技术方面的问题还没有解决好8,9。尽快提高该技术的研究水平, 尽快投入应用, 具有十分迫切而重要的现实意义。4.2 轻型直流输电应用前景10,11(1) 代替本地发电装置，向偏远地区、岛屿等小容量负荷供电12偏远的小城镇、村庄以及远离大陆电网的海上岛屿、石油钻井平台等负荷，其负荷容量通常较小且波动较大，因此通过长距离的交流线路对这些地区供电既不经济有时又受交流传输功率极限的限制，因而不是一个较好的选择。传统的HVDC不能向无源网路供电，而采用VSC-HVDC输电技术，可向无源网络供电且不受输电距离的限制，

21、几兆瓦到数百兆瓦都符合VSC-HVDC的经济输电范围。因此，从技术和经济性角度考虑，采用VSC-HVDC技术向这类负荷供电是一种理想的选择。(2) 城市配电网增容改造13城市特别是大中城市的空中输电走廊已没有发展余地，原有架空配电网络已不能满足电力增容的要求，合理的方法是采用电缆输电。而直流电缆不仅比交流电缆占有空间小，而且能输送更多的功率，因此采用轻型直流输电向城市中心区供电有可能成为未来城市增容的唯一可行办法。 据有关资料14介绍，由原有交流架空导线改送直流电，可提高50%的输送功率。(3) 直流环网供电和不同额度频率交流系统互联环网比辐射网及链式网的供电可靠性都高。 多个VSC 换流器容

22、易构成并联多端供电的直流环网，从而提高直流输电的可靠性和灵活性。VSC-HVDC可用于不同额定频率和相同额定频率交流系统间的互联，改善系统的运行性能。(4) 提高配电网电能质量非线性负荷和冲击性负荷使配电网产生电能质量问题，如谐波污染、电压间断、电压凹陷/突起以及波形闪变等问题，使一些敏感设备如工业过程控制装置、现代化办公设备、电子安全系统等失灵。 轻型直流输电有快速控制有功/无功的能力并能够保持电压基本不变，使电压、电流满足电能质量标准要求，将是未来改善配网电能质量的有效措施。(5) 清洁能源发电受环境条件限制, 清洁能源发电一般装机容量小、供电质量不高并且远离主网, 如中小型水电厂、风力发

23、电站、潮汐电站、太阳能电站等, 由于其运营成本很高以及交流线路输送能力偏低等原因使采用交流互联方案在经济和技术上均难以满足要求, 利用轻型直流输电与主网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式, 有利于保护环境。5 结论电力半导体特别是IGBT 的不断发展，导致HVDC-Light技术的出现。由于VSC- HVDC输电系统轻型、高效,具有可观的经济效益和环保价值，同时由于它的操作极其灵活且可大大改善电能质量，可以预见,轻型高压直流输电必将在今后的电力传输发展应用中发挥更大的作用。世界上各项HVDC-Light 工程的顺利投入运行，表明HVDC-Light 技术在不断的成熟，必将有着很好的发展前景

24、。在寻求更大容量及更有效的换流器方面,将是今后研究的热点。参考文献1 王官浩,任震.高压直流输电技术M.重庆:重庆大学出版社,1997.2 周波. 直流输电系统控制与运行M. 北京：华北电力大学，1998.3 谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用M. 北京：清华大学出版社.2006.4 张桂斌，徐政. 直流输电技术的新发展. 中国电力，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