高压直流三极输电技术的应用

高压直流三极输电技术的应用

0电缆线路的增容改造随着经济的快速发展，一些运营的通信输电线无法满足电网的网架要求，导致输电压力的瓶颈效应。我国能源分布及负荷布局不均衡的客观现实,更加剧了远距离、大功率电能输送的迫切需求。交流输电线路增容的一般措施包括:新建交流输电线路,改造为紧凑型输电线路,提高导线最高允许温度,采用大截面导线,改用耐热导线以及加装串补或可控串补(thyristor-controlledseriescompensator,TCSC)装置。在这些措施中,若新建一条输电线路,需解决极为困难的输电线路走廊问题。若利用原路径将线路拆除重建,不仅工程投资大,且停电时间及工期进度都不能满足要求;另外这些需提高输送容量的线路,一般都位于负荷密集地区,其负荷增长速度极快,输电线路运行的时间一般都不太长,绝大部分铁塔、绝缘子、金具尚可二次利用,拆除原线路造成的资源浪费过大。对于改造为紧凑型输电线路、提高导线最高允许温度、采用大截面导线以及加装TCSC装置这几种增容措施,其共同缺陷是增容效果差,改造后的输送容量仅为原线路容量的1.2uf07e1.5倍,而且改造难度及成本大。若改建成耐热导线,虽然能成倍提高输送功率,但线损大,因此远距离输电线路以及长期大容量输电线路采用耐热导线不经济。一般认为提高输电线路输送容量的目标是使原线路输送容量扩大到1.6uf07e2.0倍,同时要求充分利用原线路的铁塔。高压直流(HVDC)输电以其特别适合于远距离、大容量输电的独特优势而在世界范围内得到广泛应用,已投运约百项直流工程,我国也已投运20多项直流工程,其中包含世界最高直流电压等级及最大直流输送功率的uf0b1800kV特高压直流输电工程3项。在远距离、大容量输电领域,高压直流输电已成为功率控制快速高效、运行维护经验丰富、设备制造技术成熟、具有经济优势的首选输电方案。将交流输电线路改造为高压直流输电线路(简称交改直)一直有工程实践,但改造目的不是增容,而是:1)降低电网短路容量,避免由于短路容量的增加而大规模更换断路器,或由于电缆热极限限制而被迫采取限流措施;2)被联电网可保持自己的电能质量而独立运行,不受联网的影响。1997年首次提出高压直流三极(tripolehighvoltagedirectcurrent,tripoleHVDC)输电的概念。高压直流三极输电技术采用电流调制控制模式,同时利用交流三相导线,只需对线路进行有限改造,可使直流输送容量提升为原线路容量的1.5uf07e3.0倍。因此高压直流三极输电技术是潜在的解决输电线路输送容量瓶颈效应的最佳方案之一。本文首先介绍高压直流三极输电技术的发展历程、系统结构、电流调制原理以及运行方式,详细分析了高压直流三极输电与常规高压直流输电相比的技术优势和经济特点,最后针对该技术的工程应用提出了需要重点研究的几个领域。1国外高压直流三极输电技术研究现状高压直流三极输电的概念由M.Haeusler、G.Schlayer和G.fitterer于1997年首次提出,发表于ABB评论(ABBReview)上。由于概念超前,同时没有工程需求,因此该技术并未引起人们的过多关注。从2005年起,美国电力科学研究院联合美国BPA公司、德国西门子公司等机构相继开展了高压直流三极输电技术的理论研究,主要从交直流转换的经济性、主电路拓扑结构及工作原理、电流调制理论、输电特性等方面进行理论分析,并将研究成果通过电气与电子工程师协会(IEEE)、国际大电网会议(CIGRE)以及英国电气工程协会(IET)等国际电气工程界知名协会举办的各种会议加以公布,因此取得了空前的宣传效果,世界各国开始关注高压直流三极输电技术。目前,国际上关于高压直流三极输电技术的研究工作主要集中在电路结构、电流调制原理、经济性分析等基础理论方面。研究热点包括如何在最大限度保留原线路的基础上提高高压直流三极输电技术的容量,如何构建双向换流器电路结构,使其容量大、可靠性高,同时控制损耗和造价。美国电科院已研制开发一套评估软件,可对不同电压等级交流输电线路进行不同交直流转换方案的输送容量和经济性进行评估。当前该技术没有工程应用,国内只出现一篇该技术的文章。2换流器的组成方式高压直流三极输电系统结构如图1所示。原交流线路的三相导线分别作为高压直流三极输电的正极(极1)、负极(极2)和第3极(极3)。其中正、负极与常规高压直流输电的正、负极相同,极3则相当于单极接线方式的高压直流输电。因此高压直流三极输电系统可视为由一个双极直流和一个单极直流并联组成。三极换流器分别通过各自的换流变压器(T)并联接在同一个换流母线上。两侧换流站分别共用交流滤波器(ACF)、无功补偿设备(QC)和交流开关场,按极配置直流开关场以及控制保护系统。因此正、负极线及其对应的12脉动换流器(12p)、换流变压器、无功补偿设备以及控制保护系统已有十分成熟的设备制造和运行维护经验,不存在技术障碍。极3与正、负极的差别主要在于换流器不同。极3换流器(C3)具备双向导电性,而正、负极换流器仅能单向导电。为此极3需要特殊设计具有双向传输特性的换流器。极3换流器存在2种可能的组成方式:2组12脉动换流器反并联方式和2组换流阀反并联方式,对应电路如图2所示。对于12脉动换流器反并联方式,每一组12脉动换流器(12p)具有独立且相同的电路结构、阀塔布置以及控制保护系统配置,而且与常规高压直流输电的换流器完全相同。对于换流阀反并联方式,12个换流阀(VT1uf07eVT12)中的每一个换流阀均包含2组反向连接的换流阀,因此正、反向阀可共用阻尼电路、阳极电抗器、部分门极触发系统和阀冷却系统等设备。因此所用设备更少,经济性较好。而12脉动换流器反并联方式更好地沿袭了常规换流器的成熟设计理念,控制保护系统的实现更加常态,因此极3换流器宜采用2组12脉动换流器反并联的组成方式,至少在高压直流三极输电的初始应用阶段会如此。3直流电流极性同步改变为同时使用3根极线,高压直流三极输电采用电流调制控制模式。电流调制原理是:在任意时刻,极1和极2轮流交替输送直流电流最大值和最小值,极3则配合极1或极2输送直流返回电流。因此极3又称为调制极(modulatingpole)。3根极线的电流调制波形如图3所示。由图3可见,在一个调制周期TM中,极1和极2的直流电流Id1、Id2分别为直流电流最大值Idmax和最小值Idmin,极性不变;极3流过数值恒为|Idmax-Idmin|的直流电流,极性发生1次改变。三极直流电压数值恒为额定直流电压(Ud=1.0pu),但是极1和极2的极性分别保持正极性和负极性,而极3的极性却与其直流电流极性同步改变。在一个调制周期TM内,取每根极线的平均发热量与通以恒定直流电流(1.0pu)的发热量相等,则极1和极2导线的热平衡方程分别如式(1)和式(2)所示:式中t1和t2分别代表极1电流最大值和最小值的运行时间。如果同时希望极3的平均发热量与通以恒定直流电流(1.0pu)的发热量相等,则极3应满足:计及极1和极2具有相同的温升,则t1与t2相等,且存在:联立求解式(1)—(4),得:Idmax=1.37pu,Idmin=0.37pu。该结果表明,为保证每根极线的平均发热量与通以恒定直流电流(1.0pu)的发热量相等,则极3的直流电流平均值Id3应为1.0pu,同时极1和极2的直流电流平均值相等,均为规定每根极线的额定直流电流IdN=1.0pu,并且每根极线的平均发热量与通以IdN的发热量相等,则在此电流调制控制模式下,极1和极2的直流电流平均值低于额定值。定义电流调制比M为直流电流最大值与最小值之比,即三极直流电流平均值分别由式(7)和式(8)决定:三极直流输送总功率为由式(7)—(9)画出电流调制比M对三极直流电流平均值以及直流输送总功率的影响波形,如图4所示。由图4可知,电流调制比M对高压直流三极输电存在以下影响关系:1)M最小为1,此时极1和极2为额定运行状态,即Id1=Id2=1.0pu、Ud1=Ud2=1.0pu,极3空载。此时高压直流三极输电退化为常规双极直流输电,直流输送总功率Pd3T为原线路额定功率(PN)的1.15倍。2)当M=1.37/0.37=3.73时,极1、极2和极3的直流电流平均值分别为0.87、0.87、1.0pu,三极直流输送总功率为1.58倍原线路额定功率。3)当M<3.73时,极3电流平均值小于额定值。只有当M>3.73时,极3电流平均值才高于1.0pu。随着M的增加,极3电流平均值单调增大,极限值为。4)极1和极2的电流平均值不可能高于额定值。随着M的增加,正、负两极的电流平均值单调减小,极限值为。5)随着M的增加,三极直流输送总功率单调增大,数值范围为。4极线控制模式不计功率反送及降压运行时,高压直流三极输电存在4种运行方式:三极、双极、单极以及双极与单极并联运行方式。其中:1)三极运行方式采用电流调制控制模式,同时使用3根极线,无大地电流。2)双极运行方式采用常规定直流电流控制模式。正常运行时,极3作为金属回线,同样无大地电流;当极1或极2线路故障时,极3取代故障极线,此时入地电流为不足额定电流1%的双极不平衡直流电流。3)单极运行方式同样采用常规定直流电流控制模式,使用2根极线,其中一根极线作为金属回线,不存在大地电流。4)双极与单极并联运行方式采用定直流电流控制模式,其中极1和极2按常规双极运行,极3为单极大地回线运行方式,因此入地电流很大,等于极3电流。5电力技术的优势和经济特点5.1交流线路的dn、idn模型设交改直后直流额定电压和电流继续保持原线路的额定值,即UdN=UlN、IdN=IlN。其中UdN、IdN分别为直流极线的额定直流电压和额定直流电流;UlN、IlN分别为交流输电线路的额定电压和电流。交流输电线路的额定功率为。1直流输送总功率如果将交流输电线路改造为常规高压直流输电,即只使用2/3根导线,此时直流输送总功率为Pd2T=2UdNIdN=1.15PN;如果改造为高压直流三极输电,则直流输送总功率为Pd3T=UdN(2×0.87+1.0)×IdN=1.58PN=1.37Pd2T;如果改造为双极与单极并联直流输电,直流输送总功率为Pd3PT=UdN(2×1.0+1.0)×IdN=1.73PN=1.5Pd2T。2直流输送总功率一般晶闸管具有30min内过载15%的能力。此时,交改双极直流后,直流输送总功率为Pd2T=2UdN×1.15IdN=1.32PN;交改三极直流后,直流输送总功率为Pd3T=UdN(2×0.87+1.0)×1.15IdN=1.82PN=1.37Pd2T;交改双极与单极并联直流后,直流输送总功率为Pd3PT=UdN(2×1.0+1.0)×1.15IdN=1.99PN=1.5Pd2T。在上述2种过载能力下,不同交改直方案的直流输送总功率计算结果如表1所示。由表1可见,交改双极直流时,增容15%uf07e32%,而交改三极直流时,增容58%uf07e82%,即三极直流较双极直流多输送37%的功率。因此高压直流三极输电的增容效果十分显著。如果三极直流工作在双极与单极并联运行方式,则增容范围扩大为73%uf07e99%。直流输送总功率由双极直流的1.37倍提高到1.5倍,即较三极运行方式多增容9%。5.2交流直流系统的低冗余特性冗余是指单极停运时直流系统最大输送功率与额定功率之比。1)如果交改单极直流,直流系统的任何故障都会中断功率输送。2)如果交改双极直流,当一极停运时,利用大地回线还可送出50%的额定功率;如果不允许直流电流入地,则当单极故障来自换流站时,通过0.1uf07e0.2s的换流器旁路开关投入操作,形成单极金属回线运行方式,使直流功率恢复至50%的额定功率;当单极故障来自极线时,将金属回线替代故障极线,形成双极两端中性点接地运行方式,直流系统可输出全额功率,但直流系统的停电时间历时1uf07e2s,这将对两侧交流系统的稳定运行产生不利影响。电网越弱,影响越大。此时要求直流系统金属回线全绝缘,同时直流线路外绝缘水平足够高,不至于发生线路闪络。3)如果交改三极直流,单极停运后仍可送出73%(无过载)或84%(15%过载)的额定功率。由此可见,三极直流较单极直流和常规双极直流具有更高的冗余,其输电可靠性更高、可用率更强。高压直流三极输电的高冗余特性还意味着:1)单极停运对直流输送功率的影响小,仍可送出较多的直流功率,因此有利于两侧交流系统的运行稳定。2)并联交流输电线路在失去一极直流线路时的影响有限,故其有更高的负荷能力,可放宽交流系统的(N-1)限制;3)当与直流并联的交流输电线路退出运行时,直流输电可承受更多的转移功率。加之高压直流输电的快速可控性,一般只需要0.5uf07e1.0s即可完成直流功率的大幅度改变,因此使交直流系统具有更快速稳定的动态响应。5.3输电设备投运交改双极直流时,极3作为金属回线,也可平时闲置不用,故障时取代故障极线。因此正常运行时,只有2/3的输电设备投运;交改三极直流时,所有输电设备同时使用,提高了输电设备的利用率。5.4直流接地极无电流正常运行时,高压直流三极输电采用电流平衡控制,任意时刻三极电流之和为零,因此直流接地极中无电流。故障运行时,无论工作在双极还是单极运行方式,均同样无大地电流。因此直流系统不会对变压器产生直流偏磁的危害。计及测量及控制误差时,直流接地极中会有少量的谐波电流和暂态电流,不会产生直流偏磁危害。5.5独立直流接地极高压直流三极输电无论工作在三极、双极还是单极运行方式,地中均无直流电流,因此可不设直流接地极。如果为钳制中性点,可考虑只装设一侧直流接地极。在直流接地极选址越来越困难的今天,只设单侧接地极具有工程意义。仿真研究表明:双极直流接地时,有利于抑制换流母线电压的波动。三极直流的另一个独特之处是当运行在双极与单极并联运行方式时,可人为控制从而减轻直流电流对阴极接地极的腐蚀。由于极3为双向换流器,可交替改变该极的入地电流,从而使两站的直流接地极交替作为阴极,从而延长直流接地极的使用寿命。5.6相互影响的因素由于采用电流调制技术,三极电流的整定值相互影响。此外,三个极的直流电流或数值或极性随时间改变,加之运行方式很多,使直流控制尤其是扰动下的暂态控制变得尤为复杂。5.7线路损坏三极直流的线损是双极直流的1.5倍,约为每kW多增线损10%。5.8双极直流系统比较在相同增容效果的条件下,无论哪一种交改直方案,每单位新增容量的改造投资均高于交流增容投资。三极直流相对于对应等级的双极直流而言,每kW传输能力的成本要高一些,原因在于:1)三极直流系统中的极3需要1组额外的换流器;2)为能持续一定时间的1.37倍负荷,要求相应的散热器参数更高,同时晶闸管元件通流能力的参数也要提高;3)由于设备并不都是全时段处于满负荷运行,减少了9%的总体设备有用容量。6三极高压供电的关键技术6.1主要道路规划6.1.1极直流的电压等级交改三极直流首先需要确定直流极线的额定容量和电压等级,进而确定换流器主电路拓扑结构、每个换流阀的晶闸管串联数目、过电压保护及绝缘配合。交改三极直流的改造原则是:获得最大的直流输送功率,同时充分利用原线路铁塔,尽可能不改造或少改造绝缘子和金具。在交流电的作用下,导线存在集肤效应以及钢芯的磁滞损耗和涡流损耗,使交流电阻高于直流电阻,因此在同一发热水平下,直流电流可以比交流电流略有提高。故极线的额定直流电流可取为原线路额定电流。在此额定直流电流下,极线的长期发热小于原线路最高允许温度。我国规定一般导线最高允许温度应不超过70℃,必要时可按不超过80℃考虑。确定极线的直流电压等级则要复杂得多,需要综合考虑的因素有:导线对地绝缘、线间绝缘、空气间隙以及导线表面电场强度。由于直流输电的“静电吸尘效应”,直流绝缘子的积污和污闪特性与交流绝缘子有较大不同,由此引起的污秽放电比交流更严重。另一方面,直流操作过电压倍数小于交流电,因此可适当降低导线对地间隙,进而可以增加绝缘子。文献研究认为:1)同样串长的绝缘子,不能承受同样数值的直流电压。2)如果将交流绝缘子更换为串长相同的大爬距直流绝缘子,则一般来说直流电压可取为交流相电压峰值。3)导线表面电场强度与所有投入使用的导线电压及其排列位置有关。以典型230kV水平排列导线为例,最大直流导线表面电场强度出现在边线上,一般比交流导线表面电场强度约高出5%。如果采用双极直流方案,当两根边线带电时,最大直流导线表面电场强度较正常运行的交流导线表面电场强度少6%;而当相临两根导线带电时,最大直流导线表面电场强度较正常运行的交流导线表面电场强度少2%。如果将垂直布置的同塔双回线路改造为三极直流,一般而言较交流值高出15%,如果改造为双极直流,则最大直流导线表面电场强度较交流值高出约8%。4)相对于345kV及以上电压等级,230kV及以下电压等级的绝缘、空气间隙及导线表面电场强度的裕度更大,因此改造为三极直流具有更好的经济优势。对于更高电压等级,如果为使导线表面电场强度低于交流水平或为避免更换绝缘子而降低直流电压,则如果交改三极直流的直流电压低于双极直流电压的37%,则三极直流的容量优势将不复存在。6.1.2源流阀的固定参数为减小价格昂贵的晶闸管换流阀的投资,晶闸管几乎不考虑过载。取晶闸管的额定电流为极线额定电流的1.37倍。6.1.3换流器的改造方案极1和极2换流器的主电路拓扑结构与常规换流器相同,极3换流器具有双向导电特性,因此无论采用2组12脉动换流器反并联方式还是2组换流阀反并联方式,均需要从简化换流器的主电路拓扑结构、有效降低控制保护系统的复杂性、减少换流器损耗等方面对换流器进行重新设计,应总体上保证系统的经济性和运行可靠性。6.2管理系统的设计6.2.1导