楊常丁
德宏供電有限公司  云南 德宏 678400
摘要: 從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，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，是常規直流輸電技術(shù)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(shí)，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(chǎng)合多等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。本文主要探 討了柔性直流、輸電在城市電網(wǎng)中的應用前景。
關(guān)鍵詞: 柔性直流；高壓直流輸電；應用
        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開(kāi)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(mǎn)足輸送容量增長(cháng)和輸電距離增加的要求。19 世紀80年代末發(fā)明了三相交流發(fā)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(fā)展, 逐漸形成現代交流電網(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90 年代開(kāi)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、體積小, 可減少換流站的設備、簡(jiǎn)化換流站的結構,故稱(chēng)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(gè)電壓源換流器VSC1和VSC2分別用作整流器和逆變器, 主要部件包括全控換流橋、直流側電容器; 全控換流橋的每個(gè)橋臂均由多個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT 或門(mén)極可關(guān)斷晶體管GTO等可關(guān)斷器件組成, 可以滿(mǎn)足一定技術(shù)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(gè)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?chē)h(huán)境產(chǎn)生的影響很小。假設換流電抗器是無(wú)損耗的, 在忽略諧波分量時(shí), 換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸的有功功率P及無(wú)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(xiàn)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(wú)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(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 ) 電纜出現之后, 采用脈寬調制控制技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。柔性直流輸電技術(shù)中的一項核心技術(shù)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(jìn)行數值比較, 當參考波數值大于三角載波, 觸發(fā)A 相的上橋臂開(kāi)關(guān)導通, 并關(guān)斷下橋臂開(kāi)關(guān), 反之則觸發(fā)下橋臂開(kāi)關(guān)導通, 并關(guān)斷上橋臂開(kāi)關(guān)。伴隨上下橋臂開(kāi)關(guān)的交替導通與關(guān)斷,VSC交流出口電壓UAo將產(chǎn)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(guān)系上看, VSC 可視為無(wú)相位偏移、增益為Ud/2的線(xiàn)性放大器。由于調制參考波的幅值與相位可通過(guò)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(shí)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(guò)這兩個(gè)變量進(jìn)行調節。這樣, 采用SPWM 技術(shù)的VSC 可以同時(shí)獨立地控制調制比M和移相角兩個(gè)物理量。

        圖2 VSC- HVDC系統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(wú)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(wú)源網(wǎng)絡(luò ), 克服了傳統的HVDC 受端必須是有源網(wǎng)絡(luò )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(shí), VSC 可以同時(shí)且獨立地控制有功功率和無(wú)功功率, 控制更加靈活方便。而傳統HVDC中控制量只有觸發(fā)角, 不可能單獨控制有功功率或無(wú)功功率。
        3) VSC不僅不需要交流側提供無(wú)功功率而且能夠起到STATCOM 的作用, 動(dòng)態(tài)補償交流母線(xiàn)的無(wú)功功率, 穩定交流母線(xiàn)電壓。這意味著(zhù)故障時(shí), 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(wú)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(shí), 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(gè)特點(diǎn)有利于構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,克服了傳統多端HVDC 系統并聯(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 交流側電流可以被控制, 所以不會(huì )增加系統的短路功率。這意味著(zhù)增加新的柔性直流輸電線(xiàn)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(shù), 開(kāi)關(guān)頻率相對較高, 經(jīng)過(guò)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(chǎn)、安裝和調試周期大大縮短。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(shí)現無(wú)人值守。
        9) 柔性直流輸電具有良好的電網(wǎng)故障后的快速恢復控制能力。
        10) 在連接兩個(gè)獨立的交流系統的柔性直流輸電系統中, 一側交流系統發(fā)生故障或擾動(dòng)時(shí),并不會(huì )影響到另一側交流系統和換流器的工作。
        2.3應用領(lǐng)域
        1) 連接分散的小型發(fā)電廠(chǎng)。
        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(wǎng)。
        4) 向偏遠地區供電。
        5) 海上供電。
        6) 通過(guò)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(shù)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(wǎng)的用電負荷增長(cháng)十分迅猛, 而城市負荷中心主力電廠(chǎng)建設不足, 大量的電能需要由500kV和220kV 線(xiàn)路進(jìn)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(wǎng)短路電流過(guò)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(dòng)能力差等一系列問(wèn)題,嚴重威脅著(zhù)城 市電網(wǎng)的安全穩定運行。
        由于柔性直流輸電 能夠瞬時(shí)實(shí)現有功和無(wú)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(shù)能同時(shí)向系統提供有功功率和無(wú)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(yōu)勢。利用這些特點(diǎn)不僅可以解決目前城市電網(wǎng)存在的問(wèn)題, 而且可以滿(mǎn)足未來(lái)城市電網(wǎng)的發(fā)展要求, 改善電力系統的安全穩定運行。
        4 結束語(yǔ)
        從 柔性直流輸電技術(shù)本身來(lái)說(shuō)，它能夠給風(fēng)電場(chǎng)提供良好的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，避免風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償設備投資;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)對交流 系統的影響，并同時(shí)改善風(fēng)電場(chǎng)對系統波動(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距離海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的唯一選擇?；谝陨巷@著(zhù)優(yōu)勢，柔性直流輸電目前已成為國際上公認的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng) 的最佳技術(shù)方案。