大容量长距离输电的igb控制研究

大容量长距离输电的igb控制研究

0电压源换流器超声直流输电在能源工业的发展初期，使用了直接输电法。当时，技术不能用直线改变电压，只能用短距离电流供电。它的应用受到限制，正在逐渐被交换和取代。随着技术的进步,20世纪30年代人们开始认识到直流输电是进行高压大容量远距离输电的有效工具,汞弧阀换流器问世,视线又回到直流输电上来。1954年由瑞典本土向哥特兰岛送电的第一条高压直流线路投入商业运行,此后直流输电飞速发展,世界各地出现了许多大大小小的汞弧阀直流输电系统。20年后,晶闸管代替汞弧阀成为直流输电换流器的开关元件,自1972年始,相继有61个晶闸管直流输电项目开始投入运行,总输电容量达55000MW,其中ABB承担45000MW,最大的工程是Itaipu两条±600kV,3150MW的直流输电项目。随着新型高压大功率可控关断电力电子器件(如IGBT、GTO、IGCT)不断涌现,其额定电压、电流也快速增长,原来在中低压和小功率系统中广泛使用的基于PWM技术的新型换流技术已开始在输电领域得到了一定应用,并可能将来取代相控换流技术。20世纪末出现的采用电压源换流器技术的柔性直流输电技术(VSC-HVDC)首先由加拿大McGill大学的Boon-TeckOoi等人于1990年提出,得到了世界上众多学者和研究人员的关注。ABB公司首先实现了VSC技术在长距离电力传输、背靠背工程和静止无功控制器等领域的工程应用。该技术1997年开始用于电力传输,同年在赫尔斯扬上马示范工程,额定功率是3MW,直流电压±10kV,采用IGBT阀,三相桥结构和高压直流电容。IGBT阀具有可控开通和关断能力,完全不同于线换相HVDC的传统晶闸管阀,开通可控,而关断要依赖换相电压,存在一个换相过程。最早投入商业运行的柔性直流输电系统的输电功率是60MW,换流器采用两电平拓扑结构。PWM用于控制IGBT阀的开关。早期的VSC-HVDC系统开关频率较高,直流电压是±80kV。第二代采用三电平换流器,直流电压达到±150kV,输电功率达到330MW。这种最新的设计方案在CrossSound电缆工程(330MW)和MurrayLink工程(220MW)中成功应用。1流式机械产品柔性直流输电技术是一种以电压源换流器、可关断器件和脉宽调制技术为基础的新型输电技术,国际上权威的电力方面学术组织CIGRE和IEEE将其正式称为“VSC-HVDC”,即“电压源变流器直流输电”。目前,ABB公司则称为轻型直流输电(HVDCLight),并作为商标注册;西门子公司则称为新型直流输电(HVDCPlus)。国内常常称为轻型直流输电,为了促进并形成自有知识产权,2006年5月,中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开“柔性(轻型)直流输电系统关键技术研究框架研讨会”,与会专家一致建议国内将该技术统一命名为“柔性直流输电”,对应英文为VSC-HVDC。2国内柔性直流输电工程进展自1997年第一项柔性直流输电工程投入工业试验运行以来,国际上至今已有30多个柔性直流输电工程投入商业运行。这些工程大多数由ABB和西门子公司建设,主要应用于风力发电、电力交易、电网互联、海上钻井平台供电等领域。我国有四个柔性直流工程在建在运。国外已投运的柔性直流工程主要技术参数见表1。国外在建的柔性直流工程主要技术参数见表2。为掌握柔性直流输电技术,2006年5月国家电网公司启动了《柔性直流输电系统关键技术研究框架》;2007年12月完成第一阶段研究工作《柔性直流输电前期技术研究》和《柔性直流输电基础理论研究》;2008年8月国家电网公司启动第二阶段研究工作,开展重大科技专项工作,即柔性直流输电关键技术研究及示范工程;建设18MW/±30kV上海南汇风电场柔性直流输电示范工程,并于2011年7月投产运行。同时进一步启动舟山300MW/±200kV多端柔性直流输电技术研究,并预计于2014年投产运行;南方电网公司的南澳200MW/±160kV多端柔性直流输电工程也于2013年12月投产。为进一步掌握柔性直流输电核心技术,国家电网公司2013年10月批复建设厦门高压大容量柔性直流输电工程,输电容量1000MW,电压±320kV,为目前世界在建的电压最高容量最大的多电平柔性直流输电工程,也是世界唯一的双极柔性直流输电工程,计划2015年10月投运。国内已投运及在建的柔性直流工程见表3。目前,世界输送容量最大的柔性直流输电工程是西班牙-法国联网工程,直流电压±320kV,直流电流1600A,每个换流单元输送容量1000MW,本期同时建设两个换流单元(四根电缆),总输送容量2000MW(采用SIMENSHVDCPlus技术),计划于2014年投运。ABB正在建设的挪威-丹麦的工程是世界直流电压最高的柔性直流联网工程,直流电压±500kV,(ABBHVDClight伪双极)700MW。双极运行,2014年投运。世界唯一架空线路柔性直流输电项目是纳米比亚-赞比亚CapriviLink工程,直流电压±350kV,(采用ABBHVDClight技术),双极设计,总容量2×300MW,2009年底单极投运,目前按双极并联大地返回方式运行。3柔性直流电压技术的描述3.1直流输电系统特点交流输电技术具有变压简单、成本低、运维方便等优点,国内外都采用交流输电系统构成电网的基本网架。随着送电距离和输送容量日益增大、对电能质量和电网安全稳定要求的提高,交流输电方式不能全面满足要求。传统直流输电对比交流输电主要优势:(1)输送容量大。由于直流系统不存在交流系统稳定极限问题,直流线路不输送无功功率,只要送受端电网可以承受,直流输电没有容量限制。(2)输电距离长。由于直流线路没有电容效应,随着线路距离增加,沿线电压分布均匀,不需要增加电抗补偿装置防止电压升高。(3)线路占用通道走廊小,输电损耗低。直流输电线路只需正负两极导线,输送同样功率相比交流线路走廊、损耗和造价有明显节省。(4)运行方式灵活。直流系统输送的无功功率和有功功率可以由控制系统快速控制,从而快速改变交流系统的运行性能,阻尼交流系统的低频振荡,提高交流系统电压和频率的稳定性。(5)故障时功率损失小。直流输电工程单极发生故障时另一个极能继续运行,可充分发挥其过负荷能力,故障时可减少输送功率损失。(6)互联系统可异步运行。直流输电系统与两端交流系统仅存在功率联系,频率和相角可不相同,所以可异步运行,迅速进行功率支援。3.2直流输电工程的现状及发展趋势传统直流输电系统基于电流源换流技术,主要应用于大容量远距离电能外送,与交流输电系统相比具有无法替代的优势,在海底电缆输电和交流电网的互联等领域也得到了广泛的应用。目前,技术已经十分成熟,我国±800kV特高压直流输电工程已经矗立在世界直流输电技术的制高点上。同时,我国又是直流输电技术和项目应用最多的国家,±500kV直流和±800kV直流输电工程的应用,很好的解决了西电东送、北电南送的能源输送格局,满足了我国经济社会发展需要。目前广泛采用电流源型高压直流输电技术由于晶闸管阀关断不可控,存在以下固有缺陷:(1)只能工作在有源逆变状态,且受端系统必须有足够大的短路容量,否则容易发生换相失败。(2)换流器运行时要产生大量低次谐波。(3)换流器需吸收大量无功功率,需要大量的滤波和无功补偿装置。(4)换流站占地面积大、投资大。3.3直流输电联网的概念随着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(VSC)进行直流输电成为可能。这种技术是采用可关断电压源型换流器和PWM技术进行直流输电,相当于在电网接入了一个阀门和电源,可以有效控制其通过的电能,隔离电网故障的扩散,还能根据电网需求,快速、灵活、可调地发出或者吸收一部分能量,从而优化电网潮流分布、增强电网稳定性、提升电网的智能化和可控性。它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并网,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,符合我国经济发展规律,电力工业发展规律、市场需求和电网技术发展方向。目前,世界各国充分认识到柔性直流输电在可再生能源和智能电网建设中的重要作用,工程应用开始呈现快速增长趋势。3.4换流站总功率的坚持多端直流输电系统是指含有多个整流站或多个逆变站的直流输电系统,通常由三个或三个以上换流站以及连接换流站之间的直流输电线路组成,与交流系统有三个或三个以上连接端口。换流站既可以工作在整流状态,也可以工作在逆变状态,但作为整流站运行的换流站总功率与作为逆变站运行的换流站总功率必须相等,即整个多端直流系统输入功率与输出功率保持相等。由于柔性直流输电具有在潮流翻转时,直流电压极性不变、仅电流反向的优点,可以非常方便构成并联多端直流输电系统,所以现有的多端直流输电网络全部采用柔性直流输电方式。在多端柔性直流工程中,直流侧形成一个直流网络,数个换流站中必须有一个充当电压调节器控制直流电网电压,类似于交流电网中的平衡节点,其余换流站实现功率分配。这种结构在稳态运行时可以方便地控制直流电压,将其维持在允许范围内,以保证换流器的安全,功率分配则通过调节电流实现。多端直流输电系统不仅可以解决多电源供电或多落点受电的输电问题,而且还可以联系多个交流系统或者将交流系统分成多个孤立运行的电网,应用前景十分广阔。多端直流网络由于需要稳定运行的直流电压,换流站之间的连接方式一般采用并联方式。3.5直流输电系统特点柔性直流输电除具有传统直流输电的技术优点外,还具备有功无功单独控制、可以黑启动、对系统强度要求低、响应速度快、可控性好、运行方式灵活等特点,目前,大容量高电压柔性直流输电技术已具备工程应用条件,将对我国未来电网发展方式产生重要影响。优点如下:(1)系统具有2个控制自由度,可同时调节有功功率和无功功率,当交流系统故障时,可提供有功功率的紧急支援,又可提供无功功率紧急支援,既能提高系统功角稳定性,还能提高系统电压稳定性;(2)系统在潮流反转时,直流电流方向反转而直流电压极性不变,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,实现多端之间的潮流自由控制;(3)柔性直流输电交流侧电流可被控制,不会增加系统的短路功率;(4)对比传统直流输电方式,采用多电平技术,无需滤波装置,占地面积很小;(5)各站可通过直流线路向对端充电,并根据直流线路电压采取不同的控制策略,因此换流站间可以不需要通讯;(6)柔性直流输电具有良好的电网故障后快速恢复控制能力;(7)系统可以工作在无源逆变方式,克服了传统直流受端必须是有源网络,可以为无源系统供电。4柔性直流输电系统互联互通柔性直流输电既具有传统直流输电的优点,又克服了传统直流输电的不足,使其应用范围得到很大扩展。主要应用领域如下:(1)连接分散的小型发电厂。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、风电场(含海上风电场)、潮汐电站、太阳能电站等,采用交流互联方案在经济和技术上均难以满足要求,利用柔性直流输电与主网实现互联有利于克服清洁能源并网带来的一系列问题,提高电能质量和系统稳定性。(2)异步联网。实现不同频率或相同频率的交流系统间的非同步运行。(3)构筑城市直流输配电网。由于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要求,采用柔性直流输电向城市中心区域供电,即将成为未来城市增容的最佳选择。(4)海上供电。远离陆地电网的海上负荷如:海岛或海上石油钻井平台等,通常靠价格昂贵的柴油或天然气发电,不但发电成本高、供电可靠性难以保证,而且破坏环境。采用柔性直流输电后,不但问题得以解决,还可将多余电能(如用石油钻井产生的天然气发电)反送给系统。(5)提高配电网电能质量。柔性直流输电系统可以独立快速控制有功和无功,能够保持交流系统的电压基本不变,使系统电压和电流较容易地满足电能质量相关标准,是改善配网电能质量的有效措施。5柔性直流输电技术近年来我国中东部地区出现长期雾霾天气,严重影响人民生活和身体健康。多项研究表明,我国以煤炭为主的能源消费结构正是大气污染日益严重的最主要原因,因此必须改变能源供给方式,将以煤为主的能源供给方式转变为以电为主的能源消耗方式,只有这样才能从根源上消除雾霾危害。因我国能源和负荷中心逆向分布,水电、煤电以及风电和太阳能资源等主要集中在西南部、西北部和北部地区,而负荷中心主要集中在中东部经济发达地区,为实现资源优化配置,解决煤电运力矛盾,促进新能源开发应用,保障国家能源安全供应,必须大力采用“电压等级高、输送容量大、送电距离长、运行损耗小”的输电技术,以实现西电东送和南北互供的电力分配格局。柔性直流输电技术在交流系统