柔性直流輸電技術(shù)分析

楊常丁
德宏供電有限公司  云南 德宏 678400
摘要: 從技術(shù)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(shù)，其采用最先進(jìn)的電壓源型換流器和全控器件，是常規(guī)直流輸電技術(shù)的換代升級(jí)。相比 于交流輸電和常規(guī)直流輸電，在傳輸能量的同時(shí)，還能靈活地調(diào)節(jié)與之相連的交流系統(tǒng)電壓。具有可控性較好、運(yùn)行方式靈活、適用場(chǎng)合多等顯著優(yōu)點(diǎn)。本文主要探 討了柔性直流、輸電在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞: 柔性直流；高壓直流輸電；應(yīng)用
        1前 言
        電 力傳輸經(jīng)歷了直流、交流和交直流混合輸電三個(gè)階段。早期的輸電工程是從直流輸電系統(tǒng)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(jì)80年代末發(fā)明了三相交流發(fā)電機(jī)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(fā)展, 逐漸形成現(xiàn)代交流電網(wǎng)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(shù)上的障礙。
        2 柔性直流輸電技術(shù)概述
        2、1 基本原理
        輕 型直流輸電技術(shù)是20世紀(jì)90 年代開始發(fā)展的一種新型直流輸電技術(shù), 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(jìn)行換流。這種換流器功能強(qiáng)、體積小, 可減少換流站的設(shè)備、簡(jiǎn)化換流站的結(jié)構(gòu),故稱之為輕型直流輸電, 其系統(tǒng)原理如圖1所示。
         
        圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)原理示意圖
        其 中兩個(gè)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?fù)Q流橋、直流側(cè)電容器; 全控?fù)Q流橋的每個(gè)橋臂均由多個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT 或門極可關(guān)斷晶體管GTO等可關(guān)斷器件組成, 可以滿足一定技術(shù)條件下的容量需求; 直流側(cè)電容為換流器提供電壓支撐, 直流電壓的穩(wěn)定是整個(gè)換流器可靠工作的保證; 交流側(cè)換流變壓器和換流電抗器起到VSC 與交流系統(tǒng)間能量交換紐帶和濾波作用; 交流側(cè)濾波器的作用是濾除交流側(cè)諧波。由于柔性直流輸電一般采用地下或海底電纜, 對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響很小。假設(shè)換流電抗器是無損耗的, 在忽略諧波分量時(shí), 換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無功功率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(diào)制( PWM ) 電壓的脈沖寬度控制的。
        輕 型直流輸電技術(shù)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(lián)聚乙烯(XLPE ) 電纜出現(xiàn)之后, 采用脈寬調(diào)制控制技術(shù)而發(fā)展起來的。柔性直流輸電技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)是正弦脈寬調(diào)制, 其控制原理如圖2所示。圖2中A 相SPWM 的調(diào)制參考波UAref與三角載波Utri進(jìn)行數(shù)值比較, 當(dāng)參考波數(shù)值大于三角載波, 觸發(fā)A 相的上橋臂開關(guān)導(dǎo)通, 并關(guān)斷下橋臂開關(guān), 反之則觸發(fā)下橋臂開關(guān)導(dǎo)通, 并關(guān)斷上橋臂開關(guān)。伴隨上下橋臂開關(guān)的交替導(dǎo)通與關(guān)斷,VSC交流出口電壓UAo將產(chǎn)生幅值為正負(fù)Ud /2的脈沖序列, Ud為VSC 的直流側(cè)電壓。該脈沖序列中的基頻電壓分量UAo1與調(diào)制參考波相位一致,幅值為Ud /2。因此從調(diào)制參考波與出口電壓基頻分量的關(guān)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(diào)制參考波的幅值與相位可通過PWM的脈寬調(diào)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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié), 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(gè)變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣, 采用SPWM 技術(shù)的VSC 可以同時(shí)獨(dú)立地控制調(diào)制比M和移相角兩個(gè)物理量。

        圖2 VSC- HVDC系統(tǒng)SPWM控制原理圖
        2.2 技術(shù)特點(diǎn)
        1) VSC 電流能夠自關(guān)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(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡(luò), 克服了傳統(tǒng)的HVDC 受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷, 使利用HVDC 為遠(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電成為可能。
        2) 正常運(yùn)行時(shí), VSC 可以同時(shí)且獨(dú)立地控制有功功率和無功功率, 控制更加靈活方便。而傳統(tǒng)HVDC中控制量只有觸發(fā)角, 不可能單獨(dú)控制有功功率或無功功率。
        3) VSC不僅不需要交流側(cè)提供無功功率而且能夠起到STATCOM 的作用, 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無功功率, 穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著故障時(shí), 如VSC容量允許, 那么柔性直流輸電系統(tǒng)既可向故障系統(tǒng)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(tǒng)的功角穩(wěn)定性, 還能提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。
        4) 柔性直流輸電系統(tǒng)在潮流反轉(zhuǎn)時(shí), 直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變, 與傳統(tǒng)的HVDC恰好相反。這個(gè)特點(diǎn)有利于構(gòu)成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的并聯(lián)多端直流系統(tǒng),克服了傳統(tǒng)多端HVDC 系統(tǒng)并聯(lián)連接時(shí)潮流控制不便、串聯(lián)連接時(shí)又影響可靠性的缺點(diǎn)。
        5) 由于VSC 交流側(cè)電流可以被控制, 所以不會(huì)增加系統(tǒng)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(tǒng)的保護(hù)整定基本不需改變。
        6) VSC 通常采用PWM 技術(shù), 開關(guān)頻率相對(duì)較高, 經(jīng)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(jiǎn)化了換流站的結(jié)構(gòu), 并使所需濾波裝置的容量也大大減小。
        7) 模塊化設(shè)計(jì)使柔性直流輸電的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大大縮短。同時(shí), 換流站的占地面積僅為同容量下傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)無人值守。
        9) 柔性直流輸電具有良好的電網(wǎng)故障后的快速恢復(fù)控制能力。
        10) 在連接兩個(gè)獨(dú)立的交流系統(tǒng)的柔性直流輸電系統(tǒng)中, 一側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障或擾動(dòng)時(shí),并不會(huì)影響到另一側(cè)交流系統(tǒng)和換流器的工作。
        2.3應(yīng)用領(lǐng)域
        1) 連接分散的小型發(fā)電廠。
        2) 不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運(yùn)行。
        3) 構(gòu)筑城市直流輸配電網(wǎng)。
        4) 向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。
        5) 海上供電。
        6) 通過柔性直流輸電的直接連接, 可以構(gòu)筑地區(qū)電力供應(yīng)商之間交換電力的可行的技術(shù)平臺(tái), 增加了運(yùn)行靈活性和可靠性。
        3 柔性直流輸電應(yīng)用前景
        由 于城市電網(wǎng)的用電負(fù)荷增長十分迅猛, 而城市負(fù)荷中心主力電廠建設(shè)不足, 大量的電能需要由500kV和220kV 線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送, 導(dǎo)致供電能力不足且供電可靠性差、城市電網(wǎng)短路電流過大、城市負(fù)荷中心缺乏足夠的電壓支撐、缺乏靈活的調(diào)節(jié)手段且抗擾動(dòng)能力差等一系列問題,嚴(yán)重威脅著城 市電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
        由于柔性直流輸電 能夠瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)立解耦控制、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。另外, 該輸電技術(shù)能同時(shí)向系統(tǒng)提供有功功率和無功功率的緊急支援, 在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力等方面具有優(yōu)勢(shì)。利用這些特點(diǎn)不僅可以解決目前城市電網(wǎng)存在的問題, 而且可以滿足未來城市電網(wǎng)的發(fā)展要求, 改善電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
        4 結(jié)束語
        從 柔性直流輸電技術(shù)本身來說，它能夠給風(fēng)電場(chǎng)提供良好的動(dòng)態(tài)無功支撐，避免風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償設(shè)備投資;同時(shí)提供優(yōu)異的并網(wǎng)性能，防止風(fēng)電場(chǎng)的電壓波動(dòng)對(duì)交流 系統(tǒng)的影響，并同時(shí)改善風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)波動(dòng)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(fēng)電場(chǎng)在交流系統(tǒng)發(fā)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(yuǎn)距離海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的唯一選擇?；谝陨巷@著優(yōu)勢(shì)，柔性直流輸電目前已成為國際上公認(rèn)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng) 的最佳技術(shù)方案。