基于双极管的轻型hvdc技术综述

基于双极管的轻型hvdc技术综述

0轻型化hvdc技术自1954年世界上第一条高压直流电压供电（hvdc）线引入商业运营以来，hvdc作为一项尚未开发的非同步关联技术，在遥远的大规模能源供电、海上公路运输以及两个通信系统之间的非同步连接方面取得了广泛应用。然而,由于技术和经济的原因,HVDC在近距离小容量的输电场合却难以应用。随着电力半导体技术尤其是绝缘栅双极晶体管(IGBT)的快速发展,促进了HVDC的轻型化。现在,以电压源换流器(VSC)和IGBT为基础的轻型高压直流输电(HVDClight),把HVDC的容量延伸到了只有几MW到几十MW。这种小功率的轻型HVDC系统有很好的应用前景。轻型HVDC除具有常规HVDC的优点外,还可直接向小型孤立的远距离负荷供电,更经济地向市中心送电,方便地连接分散电源,运行控制方式灵活多变,可减少输电线路电压降落和电压闪变,从而进一步提高电能质量。由于轻型HVDC技术才刚刚起步,许多基础理论和相关的应用基础问题尚需要深入探讨。本文在简要介绍轻型HVDC原理的基础上,分析了轻型HVDC的技术特点,比较了轻型HVDC与传统HVDC之间的区别,介绍了国外的一些工程应用以及我国的研究现状,并指出目前的主要研究领域,展望了其发展前景。1hvdc的基本原则和技术特点1.1交流滤波器和换流电抗器轻型HVDC是在IGBT和VSC基础上发展起来的,其基本原理如图1所示。设送端和受端换流器均采用VSC,则两个换流器具有相同的结构。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。换流桥每个桥臂均由多个IGBT串联而成。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。直流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。交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。另外,轻型HVDC的传输线路一般采用地下电缆,对周围环境没有什么影响。假设换流电抗器是无损耗的,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:P=USUCX1sinδ(1)Ρ=USUCX1sinδ(1)Q=US(US−UCcosδ)X1(2)Q=US(US-UCcosδ)X1(2)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;δ为U˙CU˙C和U˙SU˙S之间的相角差;X1为换流电抗器的电抗。可以看出,有功功率的传输主要取决于δ,无功功率的传输主要取决于UC。而UC是由换流器输出的脉宽调制(PWM)电压的脉冲宽度控制的。因此,通过对δ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发出或吸收无功功率及其大小。1.1.1工业驱动领域HVDC最初是从工业驱动系统中的整流技术发展起来的。在HVDC中通常使用的换相换流器(PCC)在工业驱动领域几乎全部已被VSC代替。这两种技术之间的主要区别在于:VSC需要有源元件,可以切断电流,而不像PCC那样只能接通电流。由于VSC能切断电流,不需要从所连接的交流电网获取有源换相电压,就使得轻型HVDC可以连接“无源”网络,即在电网中可以没有旋转电机,或者旋转电机的短路容量可以很小。1.1.2换相晶闸管功率与约束IGBT是一种可以自关断的半导体元件,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级换相频率范围内都具有很好的电压分布。IGBT技术发展很快,其额定电压已经达到2.5kV,而且有望实现更高的额定电压。1.1.3gm的运行过程应用IGBT实现了从PCC技术到VSC+PWM的技术转换。轻型HVDC采用了PWM控制方式。应用PWM技术,在一定限度内可以通过改变PWM型式获得任意相角与幅值,这一过程几乎是瞬间完成的。由于PWM允许单独控制有功功率和无功功率,使得VSC非常接近于理想的输电网中的一个分支。从系统角度来看,它可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机,几乎能够瞬时控制有功功率和无功功率。因为交流电流也是可以控制的,故换流器不会影响短路容量。1.1.4处理器的设计特点轻型HVDC的一个主要优点就是它具有强大的控制能力。轻型HVDC的工作站根据控制和保护的要求配备先进的微处理器系统。控制系统通过PWM部分控制直流电压、电流或功率,有时也通过变压器分接头进行调节。例如由ABB公司开发研制的MACH2TM全数字型控制和保护系统,把换流站所有的控制、监测和保护功能都集中在一块集成电路上,并由相应的软件对其进行控制。1.1.5导电材料的选用轻型HVDC传输电缆的表面是由压缩型聚合物做成的绝缘材料,由三芯绞线的屏蔽物和绝缘屏蔽物压缩在一起构成。导体材料为70mm2~1200mm2的铝导线,由铜材料作为屏蔽物,其直流电压可以达到±150kV,电流一般限制在1200A以内。与传统的HVDC相比,用于轻型HVDC的传输电缆可以用地下电缆而没有必要用架空线,对周围环境没有什么影响,这使得轻型HVDC工程在审批上较传统的HVDC有很大的优势。1.2交流侧提供无功功率a.VSC电流能够自关断,可以工作在无源逆变方式,不需要外加的换向电压,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。b.正常运行时VSC可以同时且独立控制有功和无功,控制更加灵活方便。c.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,故障时轻型HVDC系统既可以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,从而提高系统的电压和功角稳定性。d.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。e.由于VSC交流侧电流可以控制,所以不会增加系统的短路容量。这意味着增加新的轻型HVDC线路后,交流系统的保护整定无须改变。f.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交流电压,可以不用变压器,所需滤波装置的容量也大大减小。g.多个VSC可以接到一个固定极性的直流母线上,易于构成与交流系统具有相同拓扑结构的多端直流系统,运行控制方式灵活多变。2传统hvdc的特点a.功率范围:传统HVDC主要运行于较大的功率范围,约在250MW以上;而轻型HVDC输送的功率可以从几MW到几百MW,直流电压可达到±150kV。b.模型组件:轻型HVDC是以一套具有若干标准规格的换流站模块为基础,大多数设备在制造厂家就已被封装起来;而传统HVDC往往是根据系统运行的需要以及某些特殊的用途而设计和装配的。c.换流电路:轻型HVDC的换流站通过VSC控制IGBT和二极管的通断,因此,电路的结构与传统HVDC有很大的区别,其主要指标的比较如表1所示。此外,轻型HVDC的换流电路是自然双极性,直流电流没有接地,因此需要两根导线;而传统HVDC直流电流接地,可以用单根传输线。d.运行的独立性:轻型HVDC不依赖于交流系统去维持电压和频率的稳定,与传统HVDC相比,短路容量并不重要;轻型HVDC可以给无源网络直接供电,而传统HVDC在受端电网中必须有旋转电机。e.对功率的控制:传统HVDC可以通过滤波器和串联电抗器的通断以及在某种程度上对触发角的控制来达到对功率的控制,但是这种控制需要额外的设备和额外的损耗;轻型HVDC则可以在很短的时间内形成任意的相角或幅值,这对于独立地控制有功和无功提供了可能性。3国外小型hvdc的应用和发展3.1轻电和压电技术从1997年瑞典的赫尔斯扬(Hellsjon)工程试验成功,到现在已经有4条轻型HVDC线路相继投入商业运行。各工程的具体技术参数见表2。Hellsjon工程是世界上第1个以VSC为基础的轻型HVDC工业试验工程,用于连接现有10kV交流电网中的不同部分。该工程采用瑞典中部Hellsjon与格兰斯堡之间一条长10km的50kV交流输电线路。自工程投运以来,已经完成了复杂的试验计划,输电稳定,换流器能够满足关于噪声水平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面的技术要求。1999年6月,瑞典哥特兰岛(Gotland)轻型HVDC工程投入运行。这是世界上第1个商业化运行的轻型HVDC系统。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(电压和无功支撑),而且以地下电缆传输电能,对环境的影响相对较小。1999年底,在澳大利亚建成投运的Directlink轻型HVDC系统首次将新南威尔士(NewSouthWales)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。传输的电能根据NEMMCO(NationalElectricityMarketManagementCompanyLimited)市场的价格决定,因此在传输线上的功率有时每5min就要改变一次。2000年8月,在丹麦修建的第1个轻型HVDC示范工程——Tjaereborg工程正式投运,这也是轻型HVDC用于风力发电的又一成功范例。2000年9月,由EPRI,AEP和ABB联合在美国的伊格帕斯(EaglePass)建设了世界上第1个采用轻型HVDC技术实现电网背靠背互联的工程。该工程增加了向EaglePass的输电能力,解决了EaglePass电网的电压支撑问题,同时也解决了美国电网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。3.2不同的试验工程目前有两个轻型HVDC工程正在建设之中,它们分别是位于美国的CrossSoundCable工程和澳大利亚的Murraylink工程。其主要技术参数如表3所示。4对我国轻hvdc系统数字仿真的建议我国电力科技工作者一直关注轻型HVDC技术的发展,并开展了一些初步的研究工作。该技术的优势也已引起一些应用单位的注意,正考虑在实际输配电工程中予以采用。但总体上说,该项研究在我国基本处于空白。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。为此,建议目前着重开展以下几方面的工作:a.研究并提出轻型HVDC系统全部一、二次设备的新型数学模型及数字仿真新方法,建立轻型HVDC系统的数字仿真研究手段。b.通过VSC的运行特性及故障分析,研究并提出适用于VSC的PWM新技术及相关保护策略。c.建立轻型HVDC物理模型,利用高速数字信号处理芯片研制轻型HVDC控制器。d.研究轻型HVDC系统以及由多个VSC连接构成的多端直流系统的运行特性、控制方式(有功、无功潮流控制,电压控制)及保护策略。e.研究轻型HVDC系统对整个电网电能质量的影响及控制手段。f.进行技术经济论证,研究轻型HVDC技术在我国应用的可行性和必要性。5轻、提效的kvdc技术特点电力半导体及其控制技术的进步,特别是IGBT的不断发展,导致轻型HVDC技术的出现。已经投运或即将投运的各项轻型HVDC工程的成功经验表明,该技术正在不断进步和成熟。作为一项新型的输电技术,轻型HV