輕型直流輸電及其應(yīng)用前景研究

李韌

【摘 要】本文介紹了輕型直流輸電的基本原理及特點(diǎn)，簡(jiǎn)述了其在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用前景，并重點(diǎn)介紹了在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】輕型直流輸電；高壓直流輸電；海上風(fēng)電

0.引言

現(xiàn)代高壓直流輸電（HVDC）普遍采用晶閘管和移相換流器技術(shù)，多用于遠(yuǎn)距離、大功率輸電[1]。但晶閘管（SCR）開(kāi)關(guān)頻率較低，換相損耗大。而移相換流器接線復(fù)雜，體積龐大，換流電壓諧波含量高、功率性能指標(biāo)低等缺點(diǎn)。因此，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等各方面的的原因， HVDC在近距離小容量的輸電場(chǎng)合卻難以應(yīng)用。隨著電力半導(dǎo)體技術(shù)尤其是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的快速發(fā)展，其額定電壓越來(lái)越高，并且在很大程度頻率變化范圍內(nèi)仍能有較好的電壓分布，促進(jìn)了HVDC的輕型化，輕型高壓直流輸電系統(tǒng)即HVDC Light應(yīng)運(yùn)而生。

這種輕型直流輸電系統(tǒng)把HVDC的容量延伸到了只有幾MW到幾十MW[2]，除具有傳統(tǒng)HVDC的優(yōu)點(diǎn)外，還可直接向小型孤立的遠(yuǎn)距離負(fù)荷供電，更經(jīng)濟(jì)地向市中心送電，方便地連接分散電源，運(yùn)行控制方式靈活多變，減少輸電線路的電壓降落和電壓閃變，從而進(jìn)一步提高電能質(zhì)量，因而具有很好的應(yīng)用前景[3]。

1.輕型直流輸電簡(jiǎn)介及其特點(diǎn)

輕型HVDC是在絕緣柵雙極晶體管和電壓源換流器（VSC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其基本原理如圖1所示。設(shè)送端和受端換流器均采用VSC，則兩個(gè)換流器具有相同的結(jié)構(gòu)。換流器由換流橋、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器組成。換流橋每個(gè)橋臂均由多個(gè)IGBT串聯(lián)而成。換流電抗器是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶，同時(shí)也起到濾波的作用。直流電容器的作用是為逆變器提供電壓支撐、緩沖橋臂關(guān)斷時(shí)的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波。交流濾波器的作用是濾除交流側(cè)諧波。

HVDC Light其特點(diǎn)：

（1）VSC電流能夠自關(guān)斷，可以工作在無(wú)源逆變方式，不需要外加的換向電壓，從而克服了傳統(tǒng)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)立控制有功和無(wú)功， 控制更加靈活方便。

（3）由于VSC 交流側(cè)電流可以控制， 所以不會(huì)增加系統(tǒng)的短路容量。

（4）VSC通常采用SPWM 技術(shù)，開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)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，所需濾波裝置的容量也大大減小。

（5）多個(gè)VSC可以接到一個(gè)固定極性的直流母線上，易于構(gòu)成與交流系統(tǒng)具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多端直流系統(tǒng)，運(yùn)行控制方式靈活多變。

2.輕型直流輸電技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用

自1954年世界上第1條高壓直流輸電聯(lián)絡(luò)線投入工業(yè)化運(yùn)行以來(lái)， HVDC作為一項(xiàng)日趨成熟的技術(shù)在遠(yuǎn)距離大功率輸電、海底電纜送電、兩個(gè)交流系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)絡(luò)等方面得到了廣泛應(yīng)用。到目前為止，全世界共有70 多個(gè)HVDC輸電工程[4]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源緊缺和環(huán)境污染等問(wèn)題日益顯著，國(guó)家將大力開(kāi)發(fā)和利用可再生清潔能源，可再生清潔能源的發(fā)展首推風(fēng)電。合理開(kāi)發(fā)和利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源是符合我國(guó)國(guó)情需要的，但這些可再生能源一般分散性強(qiáng)、且遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，接入系統(tǒng)后還會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定情況。傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)能夠解決這個(gè)問(wèn)題，卻不是很經(jīng)濟(jì)，而模塊化設(shè)計(jì)的輕型直流輸電將是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

3.輕型直流輸電的應(yīng)用前景

（1）向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。

（2）海上供電。

（3）城市配電網(wǎng)增容改造。

（4）清潔能源發(fā)電。

（5）提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量。

（6）在風(fēng)電領(lǐng)域的發(fā)展前景。

由于海上風(fēng)能資源豐富，發(fā)電量比陸地上更大，同時(shí)受到環(huán)境的影響也很小，在當(dāng)今技術(shù)的可行性條件下，海上風(fēng)力發(fā)電必將成為一個(gè)迅速發(fā)展的領(lǐng)域[5]。但是，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)容量在電網(wǎng)中所占比例的不斷增加，海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性、安全性，以及電能質(zhì)量的影響也越來(lái)越顯著。傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，如靜止無(wú)功補(bǔ)償（Static Compensator，STATCOM），電壓源換流器等，雖然能在部分范圍內(nèi)改善風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能，但是對(duì)電網(wǎng)的影響并沒(méi)有從實(shí)質(zhì)上得到改善。因此，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方法的研究就非常必要。

VSC-HVDC系統(tǒng)傳輸性能好，對(duì)于相同線材，其傳輸容量為交流系統(tǒng)的1.5～2倍。VSC-HVDC系統(tǒng)電能損耗小，其阻性損耗一般只有相同容量交流系統(tǒng)的65%。換流站為室內(nèi)式設(shè)計(jì)，占地少，維修容易，建造工期短。海上風(fēng)電輕型直流輸電系統(tǒng)的核心技術(shù)在于所采用的大容量換流器，其主要為ABB、西門子公司所擁有，并在國(guó)外的大型海上風(fēng)電場(chǎng)得以成功應(yīng)用[5]。我國(guó)在輕型直流輸電技術(shù)方面還處于跟蹤與技術(shù)儲(chǔ)備階段，國(guó)家電網(wǎng)公司已制定了相應(yīng)的實(shí)施計(jì)劃，并在福建（島嶼輸電）、甘肅（大型風(fēng)電場(chǎng)）、上海（城市供電）建立了應(yīng)用示范。

4.結(jié)束語(yǔ)

作為一項(xiàng)新型的輸電技術(shù)，HVDC Light以其自身的特點(diǎn)在應(yīng)用方面顯示出了很大的優(yōu)越性。

可以預(yù)見(jiàn)的是，在不久的將來(lái)，輕型直流輸電將在向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、海上供電、城網(wǎng)增容改造、新能源的利用以及改善配網(wǎng)電能質(zhì)量等方面發(fā)揮不可限量的作用，隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、可再生能源全面開(kāi)發(fā)以及電力市場(chǎng)日益發(fā)展和完善，對(duì)高品質(zhì)電能質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性和可靠性要求進(jìn)一步提高，HVDC Light必將在我國(guó)得到日趨廣泛的重視，研究與應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王官潔，任震.高壓直流輸電技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1997.

[2]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]文俊，張一工，韓民曉，肖湘寧.輕型高壓直流輸電——一種新一代的HVDC技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（1）.

[4]李庚銀，呂鵬飛，李廣凱，周明.輕型高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與展望[J].2003，27（4）.

[5]李杰，郭家虎，張煥偉，吳宏偉.輕型直流輸電在海上風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)中的應(yīng)用[J].低壓電器，2011，04.