柔性直流輸電技術分析

楊常丁
德宏供電有限公司  云南 德宏 678400
摘要: 從技術上來說，柔性直流輸電是以電壓源換流器為核心的新一代直流輸電技術，其采用最先進的電壓源型換流器和全控器件，是常規直流輸電技術的換代升級。相比 于交流輸電和常規直流輸電，在傳輸能量的同時，還能靈活地調節與之相連的交流系統電壓。具有可控性較好、運行方式靈活、適用場合多等顯著優點。本文主要探 討了柔性直流、輸電在城市電網中的應用前景。
關鍵詞: 柔性直流；高壓直流輸電；應用
        1前 言
        電 力傳輸經歷了直流、交流和交直流混合輸電三個階段。早期的輸電工程是從直流輸電系統開始的, 但是由于不能直接給直流電升壓, 使得輸電距離受到較大的限制, 不能滿足輸送容量增長和輸電距離增加的要求。19 世紀80年代末發明了三相交流發電機和變壓器, 交流輸電就普遍地代替了直流輸電, 并得到迅速發展, 逐漸形成現代交流電網的雛形。大功率換流器的研究成功,為高壓直流輸電突破了技術上的障礙。
        2 柔性直流輸電技術概述
        2、1 基本原理
        輕 型直流輸電技術是20世紀90 年代開始發展的一種新型直流輸電技術, 核心是采用以全控型器件(如GTO 和IGBT 等) 組成的電壓源換流器(VSC ) 進行換流。這種換流器功能強、體積小, 可減少換流站的設備、簡化換流站的結構,故稱之為輕型直流輸電, 其系統原理如圖1所示。
         
        圖1 柔性直流輸電系統原理示意圖
        其 中兩個電壓源換流器VSC1和VSC2分別用作整流器和逆變器, 主要部件包括全控換流橋、直流側電容器; 全控換流橋的每個橋臂均由多個絕緣柵雙極晶體管IGBT 或門極可關斷晶體管GTO等可關斷器件組成, 可以滿足一定技術條件下的容量需求; 直流側電容為換流器提供電壓支撐, 直流電壓的穩定是整個換流器可靠工作的保證; 交流側換流變壓器和換流電抗器起到VSC 與交流系統間能量交換紐帶和濾波作用; 交流側濾波器的作用是濾除交流側諧波。由于柔性直流輸電一般采用地下或海底電纜, 對周圍環境產生的影響很小。假設換流電抗器是無損耗的, 在忽略諧波分量時, 換流器和交流電網之間傳輸的有功功率P及無功功率Q 分別為 
        　　　(1)
                (2)
        式中: UC 為換流器輸出電壓的基波分量; US 為交流母線電壓基波分量; 為和之間的相角差; XL為換流電抗器和換流變壓器的電抗。
        由式( 1)、( 2) 可以看出, 有功功率的傳輸主要取決于 無功功率的傳輸主要取決于UC 。而UC 是由換流器輸出的脈寬調制( PWM ) 電壓的脈沖寬度控制的。
        輕 型直流輸電技術是在大功率全控型器件組成的電壓源換流器( VSC ) 和用于高壓直流輸電的交聯聚乙烯(XLPE ) 電纜出現之后, 采用脈寬調制控制技術而發展起來的。柔性直流輸電技術中的一項核心技術是正弦脈寬調制, 其控制原理如圖2所示。圖2中A 相SPWM 的調制參考波UAref與三角載波Utri進行數值比較, 當參考波數值大于三角載波, 觸發A 相的上橋臂開關導通, 并關斷下橋臂開關, 反之則觸發下橋臂開關導通, 并關斷上橋臂開關。伴隨上下橋臂開關的交替導通與關斷,VSC交流出口電壓UAo將產生幅值為正負Ud /2的脈沖序列, Ud為VSC 的直流側電壓。該脈沖序列中的基頻電壓分量UAo1與調制參考波相位一致,幅值為Ud /2。因此從調制參考波與出口電壓基頻分量的關系上看, VSC 可視為無相位偏移、增益為Ud/2的線性放大器。由于調制參考波的幅值與相位可通過PWM的脈寬調制比M ( VSC 交流輸出基頻相電壓幅值與直流電壓的比值) 以及移相角 實現調節, 因此VSC 交流輸出電壓基頻分量的幅值與相位亦可通過這兩個變量進行調節。這樣, 采用SPWM 技術的VSC 可以同時獨立地控制調制比M和移相角兩個物理量。

        圖2 VSC- HVDC系統SPWM控制原理圖
        2.2 技術特點
        1) VSC 電流能夠自關斷, 可以工作在無源逆變方式, 所以不需要外加的換相電壓, 受端系統可以是無源網絡, 克服了傳統的HVDC 受端必須是有源網絡的根本缺陷, 使利用HVDC 為遠距離的孤立負荷送電成為可能。
        2) 正常運行時, VSC 可以同時且獨立地控制有功功率和無功功率, 控制更加靈活方便。而傳統HVDC中控制量只有觸發角, 不可能單獨控制有功功率或無功功率。
        3) VSC不僅不需要交流側提供無功功率而且能夠起到STATCOM 的作用, 動態補償交流母線的無功功率, 穩定交流母線電壓。這意味著故障時, 如VSC容量允許, 那么柔性直流輸電系統既可向故障系統提供有功功率的緊急支援, 又可提供無功功率緊急支援, 從而既能提高系統的功角穩定性, 還能提高系統的電壓穩定性。
        4) 柔性直流輸電系統在潮流反轉時, 直流電流方向反轉而直流電壓極性不變, 與傳統的HVDC恰好相反。這個特點有利于構成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的并聯多端直流系統,克服了傳統多端HVDC 系統并聯連接時潮流控制不便、串聯連接時又影響可靠性的缺點。
        5) 由于VSC 交流側電流可以被控制, 所以不會增加系統的短路功率。這意味著增加新的柔性直流輸電線路后, 交流系統的保護整定基本不需改變。
        6) VSC 通常采用PWM 技術, 開關頻率相對較高, 經過低通濾波后就可得到所需交流電壓,可以不用變壓器, 從而簡化了換流站的結構, 并使所需濾波裝置的容量也大大減小。
        7) 模塊化設計使柔性直流輸電的設計、生產、安裝和調試周期大大縮短。同時, 換流站的占地面積僅為同容量下傳統直流輸電的20%左右。
        8) 換流站間的通訊不是必需的, 其控制結構易于實現無人值守。
        9) 柔性直流輸電具有良好的電網故障后的快速恢復控制能力。
        10) 在連接兩個獨立的交流系統的柔性直流輸電系統中, 一側交流系統發生故障或擾動時,并不會影響到另一側交流系統和換流器的工作。
        2.3應用領域
        1) 連接分散的小型發電廠。
        2) 不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統間的非同步運行。
        3) 構筑城市直流輸配電網。
        4) 向偏遠地區供電。
        5) 海上供電。
        6) 通過柔性直流輸電的直接連接, 可以構筑地區電力供應商之間交換電力的可行的技術平臺, 增加了運行靈活性和可靠性。
        3 柔性直流輸電應用前景
        由 于城市電網的用電負荷增長十分迅猛, 而城市負荷中心主力電廠建設不足, 大量的電能需要由500kV和220kV 線路進行遠距離輸送, 導致供電能力不足且供電可靠性差、城市電網短路電流過大、城市負荷中心缺乏足夠的電壓支撐、缺乏靈活的調節手段且抗擾動能力差等一系列問題,嚴重威脅著城 市電網的安全穩定運行。
        由于柔性直流輸電 能夠瞬時實現有功和無功的獨立解耦控制、結構緊湊、占地面積小、且易于構成多端直流系統。另外, 該輸電技術能同時向系統提供有功功率和無功功率的緊急支援, 在提高系統的穩定性和輸電能力等方面具有優勢。利用這些特點不僅可以解決目前城市電網存在的問題, 而且可以滿足未來城市電網的發展要求, 改善電力系統的安全穩定運行。
        4 結束語
        從 柔性直流輸電技術本身來說，它能夠給風電場提供良好的動態無功支撐，避免風電場的無功補償設備投資;同時提供優異的并網性能，防止風電場的電壓波動對交流 系統的影響，并同時改善風電場對系統波動的抗干擾能力。由于能夠提供電壓支撐作用，它還能大幅度提升風電場在交流系統發生故障情況下的低電壓穿越能力;另 外，由于柔性直流輸電不受距離限制，因此也是國外大型遠距離海上風電場并網的唯一選擇。基于以上顯著優勢，柔性直流輸電目前已成為國際上公認的風電場并網 的最佳技術方案。