柔性直流输电技术分析

杨常丁
德宏供电有限公司  云南 德宏 678400
摘要: 从技术上来说，柔性直流输电是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术，其采用最先进的电压源型换流器和全控器件，是常规直流输电技术的换代升级。相比 于交流输电和常规直流输电，在传输能量的同时，还能灵活地调节与之相连的交流系统电压。具有可控性较好、运行方式灵活、适用场合多等显著优点。本文主要探 讨了柔性直流、输电在城市电网中的应用前景。
关键词: 柔性直流；高压直流输电；应用
        1前 言
        电 力传输经历了直流、交流和交直流混合输电三个阶段。早期的输电工程是从直流输电系统开始的, 但是由于不能直接给直流电升压, 使得输电距离受到较大的限制, 不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。19 世纪80年代末发明了三相交流发电机和变压器, 交流输电就普遍地代替了直流输电, 并得到迅速发展, 逐渐形成现代交流电网的雏形。大功率换流器的研究成功,为高压直流输电突破了技术上的障碍。
        2 柔性直流输电技术概述
        2、1 基本原理
        轻 型直流输电技术是20世纪90 年代开始发展的一种新型直流输电技术, 核心是采用以全控型器件(如GTO 和IGBT 等) 组成的电压源换流器(VSC ) 进行换流。这种换流器功能强、体积小, 可减少换流站的设备、简化换流站的结构,故称之为轻型直流输电, 其系统原理如图1所示。
         
        图1 柔性直流输电系统原理示意图
        其 中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器, 主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器; 全控换流桥的每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT 或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成, 可以满足一定技术条件下的容量需求; 直流侧电容为换流器提供电压支撑, 直流电压的稳定是整个换流器可靠工作的保证; 交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC 与交流系统间能量交换纽带和滤波作用; 交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆, 对周围环境产生的影响很小。假设换流电抗器是无损耗的, 在忽略谐波分量时, 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 
        　　　(1)
                (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; 为和之间的相角差; XL为换流电抗器和换流变压器的电抗。
        由式( 1)、( 2) 可以看出, 有功功率的传输主要取决于 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。
        轻 型直流输电技术是在大功率全控型器件组成的电压源换流器( VSC ) 和用于高压直流输电的交联聚乙烯(XLPE ) 电缆出现之后, 采用脉宽调制控制技术而发展起来的。柔性直流输电技术中的一项核心技术是正弦脉宽调制, 其控制原理如图2所示。图2中A 相SPWM 的调制参考波UAref与三角载波Utri进行数值比较, 当参考波数值大于三角载波, 触发A 相的上桥臂开关导通, 并关断下桥臂开关, 反之则触发下桥臂开关导通, 并关断上桥臂开关。伴随上下桥臂开关的交替导通与关断,VSC交流出口电压UAo将产生幅值为正负Ud /2的脉冲序列, Ud为VSC 的直流侧电压。该脉冲序列中的基频电压分量UAo1与调制参考波相位一致,幅值为Ud /2。因此从调制参考波与出口电压基频分量的关系上看, VSC 可视为无相位偏移、增益为Ud/2的线性放大器。由于调制参考波的幅值与相位可通过PWM的脉宽调制比M ( VSC 交流输出基频相电压幅值与直流电压的比值) 以及移相角 实现调节, 因此VSC 交流输出电压基频分量的幅值与相位亦可通过这两个变量进行调节。这样, 采用SPWM 技术的VSC 可以同时独立地控制调制比M和移相角两个物理量。

        图2 VSC- HVDC系统SPWM控制原理图
        2.2 技术特点
        1) VSC 电流能够自关断, 可以工作在无源逆变方式, 所以不需要外加的换相电压, 受端系统可以是无源网络, 克服了传统的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。
        2) 正常运行时, VSC 可以同时且独立地控制有功功率和无功功率, 控制更加灵活方便。而传统HVDC中控制量只有触发角, 不可能单独控制有功功率或无功功率。
        3) 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, 动态补偿交流母线的无功功率, 稳定交流母线电压。这意味着故障时, 如VSC容量允许, 那么柔性直流输电系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援, 又可提供无功功率紧急支援, 从而既能提高系统的功角稳定性, 还能提高系统的电压稳定性。
        4) 柔性直流输电系统在潮流反转时, 直流电流方向反转而直流电压极性不变, 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,克服了传统多端HVDC 系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。
        5) 由于VSC 交流侧电流可以被控制, 所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的柔性直流输电线路后, 交流系统的保护整定基本不需改变。
        6) VSC 通常采用PWM 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, 从而简化了换流站的结构, 并使所需滤波装置的容量也大大减小。
        7) 模块化设计使柔性直流输电的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时, 换流站的占地面积仅为同容量下传统直流输电的20%左右。
        8) 换流站间的通讯不是必需的, 其控制结构易于实现无人值守。
        9) 柔性直流输电具有良好的电网故障后的快速恢复控制能力。
        10) 在连接两个独立的交流系统的柔性直流输电系统中, 一侧交流系统发生故障或扰动时,并不会影响到另一侧交流系统和换流器的工作。
        2.3应用领域
        1) 连接分散的小型发电厂。
        2) 不同额定频率或相同额定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。
        4) 向偏远地区供电。
        5) 海上供电。
        6) 通过柔性直流输电的直接连接, 可以构筑地区电力供应商之间交换电力的可行的技术平台, 增加了运行灵活性和可靠性。
        3 柔性直流输电应用前景
        由 于城市电网的用电负荷增长十分迅猛, 而城市负荷中心主力电厂建设不足, 大量的电能需要由500kV和220kV 线路进行远距离输送, 导致供电能力不足且供电可靠性差、城市电网短路电流过大、城市负荷中心缺乏足够的电压支撑、缺乏灵活的调节手段且抗扰动能力差等一系列问题,严重威胁着城 市电网的安全稳定运行。
        由于柔性直流输电 能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、结构紧凑、占地面积小、且易于构成多端直流系统。另外, 该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援, 在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。利用这些特点不仅可以解决目前城市电网存在的问题, 而且可以满足未来城市电网的发展要求, 改善电力系统的安全稳定运行。
        4 结束语
        从 柔性直流输电技术本身来说，它能够给风电场提供良好的动态无功支撑，避免风电场的无功补偿设备投资;同时提供优异的并网性能，防止风电场的电压波动对交流 系统的影响，并同时改善风电场对系统波动的抗干扰能力。由于能够提供电压支撑作用，它还能大幅度提升风电场在交流系统发生故障情况下的低电压穿越能力;另 外，由于柔性直流输电不受距离限制，因此也是国外大型远距离海上风电场并网的唯一选择。基于以上显著优势，柔性直流输电目前已成为国际上公认的风电场并网 的最佳技术方案。