電壓源換流器型高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用研究

摘 要：該文介紹了基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)，與傳統(tǒng)HVDC輸電技術(shù)進(jìn)行了比較，分析了VSC-HVDC輸電系統(tǒng)應(yīng)用于城市電網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：電壓源換流器 直流輸電 城市電網(wǎng)

中圖分類號：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0025-01

1 VSC-HVDC輸電技術(shù)

1.1 基本原理

VSC-HVDC輸電技術(shù)是在全控型電力電子器件和PWM技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括環(huán)路器、交流電抗器、換流變壓器、交流濾波器、直流電容器、直流線路以及控制保護(hù)系統(tǒng)等。VSC-HVDC輸電系統(tǒng)兩端采用相同的主電路結(jié)構(gòu)：交流電抗器和換流變壓器是換流器與交流系統(tǒng)進(jìn)行能量交換的紐帶，同時具有一定的濾波作用，換流變壓器也用于為電壓源換流器提供合適的工作電壓，保證電壓源換流器工作于最優(yōu)狀態(tài)；直流電容器作為主要的儲能元件，為換流器提供直流電壓支撐；交流濾波器主要作用是濾除開關(guān)頻率附近的高次諧波。

在控制系統(tǒng)方面，換流站常采用的控制方式有直接電流控制、矢量控制和智能控制策略等。矢量控制由于結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，尤其重要的是容易實現(xiàn)電流限制器的設(shè)計，因此被廣泛地應(yīng)用于柔性直流輸電工程中。PWM控制接收矢量控制計算得到的調(diào)制比M和相角a，并通過相應(yīng)的調(diào)制方式產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖，最終實現(xiàn)對開關(guān)器件的控制。實際中使用較多和較廣的是正弦脈寬調(diào)制SPWM。為了保證VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的直流電壓恒定和有功功率平衡，一側(cè)換流站必須采用直流電壓控制策略，為主導(dǎo)站；另一側(cè)換流站采用定有功功率控制策略，用于傳輸恒定的有功功率值。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

由于VSC-HVDC技術(shù)是從傳統(tǒng)HVDC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此，VSC-HVDC系統(tǒng)具有傳統(tǒng)HVDC系統(tǒng)的大部分優(yōu)點，如：直流輸電線路比交流輸電線路來說少用一根線路，使其線路造價低，占用輸電走廊面積比較窄；直流輸電線路輸送容量大、損耗小、壽命長且輸送距離不受限制；直流輸電可以實現(xiàn)非同步系統(tǒng)的互聯(lián)；直流輸電可以分期建設(shè)和增容擴(kuò)建等等。

除了上述與傳統(tǒng)直流輸電共有的優(yōu)點之外，VSC-HVDC系統(tǒng)還有一些自身的優(yōu)點：

1）在控制上：

（1）傳統(tǒng)HVDC系統(tǒng)通過控制無功補償設(shè)備如電容器的投切達(dá)到無功補償目的，控制復(fù)雜且成本較高；VSC-HVDC系統(tǒng)換流站本身可以快速獨立地控制有功和無功功率，這種調(diào)節(jié)可以快速完成，可以等效為一個無慣性的發(fā)電機，并且VSC-HVDC系統(tǒng)通過PWM方式可以自由的控制輸出交流電壓的幅值和頻率。

（2）VSC-HVDC系統(tǒng)潮流反轉(zhuǎn)容易實現(xiàn)，不需要改變直流電壓極性，直流電流反向即可實現(xiàn)潮流反向。而且，控制系統(tǒng)配置與電路結(jié)構(gòu)都保持不變，即不需要改變控制模式、濾波開關(guān)，也不需要換流器閉鎖，整個反向過程幾個毫秒內(nèi)完成。無功功率控制器同時動作，保證無功功率交換不受反向過程的影響。這個特點有助于構(gòu)成既能方面控制潮流又有較高可靠性的并聯(lián)多端直流系統(tǒng)。

（3）兩個VSC-HVDC系統(tǒng)換流站之間不需要通信，每個站可以獨立控制。

2）在應(yīng)用場合上：

（1）傳統(tǒng)HVDC常用于大容量電能傳輸；VSC-HVDC在中、小容量電能傳輸成本方面更有競爭力，目前VSC-HVDC的電壓等級與容量在工程實踐中已達(dá)到±150 kV，400 MW，國際大電網(wǎng)會議討論研究了±300 kV，1000 MW容量VSC-HVDC系統(tǒng)的可行性。

（2）傳統(tǒng)HVDC要求所連接電網(wǎng)短路容量足夠大，保證其換相成功；VSC-HVDC系統(tǒng)則可以用于短路容量小的系統(tǒng)，甚至是無源網(wǎng)絡(luò)，沒有換相失敗問題。

（3）傳統(tǒng)HVDC系統(tǒng)僅能控制有功功率的傳輸，同時需要吸收大量的無功；VSC-HVDC系統(tǒng)具有靈活快速的潮流控制能力，它還可以充當(dāng)系統(tǒng)中的STATCOM，兩側(cè)換流站可各自獨立的調(diào)節(jié)交流電壓，在系統(tǒng)故障情況下，其控制交流電壓的能力對于系統(tǒng)穩(wěn)定性非常有利。

2 應(yīng)用于城市電網(wǎng)供電中的優(yōu)勢

由于VSC-HVDC系統(tǒng)可快速獨立地有功和無功功率、控制并網(wǎng)點交流電壓、潮流反轉(zhuǎn)方便，再加上設(shè)計施工方便靈活、施工周期短、環(huán)境效益好等特點，使得VSC-HVDC輸電技術(shù)特別適合在風(fēng)電場并網(wǎng)、孤島和弱電網(wǎng)供電、交流電網(wǎng)非同步互聯(lián)與電力市場交易、城市電網(wǎng)供電等方面。VSC-HVDC系統(tǒng)的優(yōu)點與其采用全控型開關(guān)器件和高頻PWM調(diào)制技術(shù)這兩個基本特征有關(guān)。VSC-HVDC系統(tǒng)應(yīng)用于城市電網(wǎng)供電中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面。

2.1 電力系統(tǒng)運行與穩(wěn)定方面

（1）快速獨立的有功無功控制。VSC-HVDC系統(tǒng)兩側(cè)換流站可以在其運行范圍內(nèi)對有功和無功進(jìn)行快速獨立的控制。

（2）實現(xiàn)遠(yuǎn)距離和大容量輸電。VSC-HVDC輸電技術(shù)具有傳統(tǒng)直流輸電的特點，其傳輸距離不受限制，可用于遠(yuǎn)距離向城市電網(wǎng)中心供電，并且其技術(shù)特點決定了城市電網(wǎng)的短路容量基本不變。

（3）提高城市電網(wǎng)的穩(wěn)定性。一方面，VSC-HVDC系統(tǒng)通過吸收和發(fā)出無功功率，實現(xiàn)對城市電網(wǎng)交流電壓的控制，暫態(tài)過電壓可以被無功控制的快速響應(yīng)抵消，從而提高城市電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

（4）城市電網(wǎng)事故后快速恢復(fù)供電和黑啟動。黑啟動時，VSC-HVDC輸電系統(tǒng)切入頻率控制和交流電壓控制，實現(xiàn)城市電網(wǎng)的黑啟動。實現(xiàn)這一功能的前提是VSC-HVDC系統(tǒng)另一端連接在正常電網(wǎng)上。

（5）潮流反轉(zhuǎn)快捷方便，能夠構(gòu)成城市內(nèi)可靠的多端輸配電直流系統(tǒng)，便于城市內(nèi)直流電網(wǎng)的擴(kuò)建。

2.2 設(shè)計和施工方面

（1）設(shè)計靈活。VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的模塊化特點使得各模塊可更具具體環(huán)境進(jìn)行擺放，模塊之間使用高壓電纜連接。

（2）設(shè)備大多在戶內(nèi)。交流濾波裝置、相電抗器、直流濾波裝置均固定在較矮的基座或底架上，避免出現(xiàn)較高的鋼結(jié)構(gòu)建筑，方便維護(hù)和保護(hù)工作人員的人身安全。

（3）施工周期短。VSC-HVDC輸電系統(tǒng)采用高度模塊化設(shè)計，各模塊包括換流閥、控制保護(hù)系統(tǒng)等可在工廠內(nèi)進(jìn)行封裝，便于系統(tǒng)工程的快速組裝和調(diào)試，減少了工程的建設(shè)和調(diào)試周期。

參考文獻(xiàn)

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