高壓直流輸電系統(tǒng)的典型結構及可靠性評估

陸小虎

摘 ?要：近年來直流輸電工程中普遍用到了新型半導體器件，有效地推動了直流輸電技術的發(fā)展。。隨著社會的進步、經(jīng)濟的高速持續(xù)發(fā)展以及技術的革新，對電力的需求越來越大，遠距離、大功率、控制靈活的高壓直流輸電工程越來越多。文章從高壓直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展概況入手，介紹其主要優(yōu)點、典型結構和可靠性評估方法，最后指出：隨著計算機技術和可靠性評估方法的發(fā)展，高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性評估有新的進步。

關鍵詞：高壓直流;大功率輸電;典型結構;可靠性

中圖分類號：TM721 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）36-0079-02

1 ?高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)展概況

直流發(fā)電機發(fā)出來的電直接供給直流負荷的方式是直流輸電的第一次應用。但因為無法直接升高直流電壓，并且技術落后，限制了輸電距離，直流輸電的發(fā)展一度受到阻礙。19世紀80年代和90年代，隨著交流發(fā)輸電技術的發(fā)展，交流電幾乎完全替代了直流電，并發(fā)展成今日規(guī)模巨大的電力系統(tǒng)。1954年瑞典采用海底直流電纜進行輸電，從此直流輸電開始了新時代。20世紀70年代以后，隨著電力電子技術的進步，高電壓大容量的晶閘管令直流輸電得到了大力發(fā)展。1972年，晶閘管技術第一次應用在加拿大的伊爾河HVDC工程。近年來，新型半導體器件在直流輸電工程中得到了廣泛應用，從而帶動直流輸電技術的發(fā)展。伴隨著社會經(jīng)濟、技術的持續(xù)進步與技術的革新，對電力的需求越來越大，遠距離、大功率、控制靈活的高壓直流輸電工程越來越多。

與交流輸電相比較，直流輸電憑借它固有的技術特點和經(jīng)濟特點，在遠距離大功率輸電、大區(qū)聯(lián)網(wǎng)、利用電纜跨海輸電、限制短路電流以及向負荷密集的大城市供電等方面，均發(fā)揮著其獨特的作用。目前，高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性已逐步成為整個電力系統(tǒng)可靠性重要的組成部分，分析影響可靠性的各種因素具有重要的理論意義和工程實用價值。

我國的煤炭和水能等發(fā)電能源很豐富，但多數(shù)分布在中西部，而我國的大多數(shù)電力負荷卻集中在東部沿海地區(qū)，這就需要遠距離大功率的電能輸送以滿足生產(chǎn)生活的需求。為了優(yōu)化配置和供給電能資源，我國正逐步實現(xiàn)“西電東送”、“全國聯(lián)網(wǎng)”的能源格局，高壓直流輸電隨著技術的不斷發(fā)展，已成為我國遠距離輸電的重要選擇[9]。大功率電力電子技術的發(fā)展使得大規(guī)模高壓直流輸電的實現(xiàn)成為可能。近年來，隨著大電網(wǎng)、高電壓的現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，國內(nèi)外投運的高壓直流輸電工程越來越多。預計到2020年前后，我國的特高壓直流輸電工程線路總長約為26 000 km，輸送容量約為9 440萬 kW。我國將成為擁有直流輸電工程最多、輸送容量最大、輸送線路最長的國家。

2 ?高壓直流輸電系統(tǒng)的主要優(yōu)點

直流輸電有以下三個主要優(yōu)點：

①能有效控制電纜費用。因線路造價費用相對不高，因此采用直流輸電可有效節(jié)省電纜費用。

②傳輸過程中的更為節(jié)能。因較小的運行電能損耗，可以在傳輸過程中實現(xiàn)有效節(jié)能。

③線路走廊窄，征地費省。

④先進性。除了經(jīng)濟性，直流輸電的技術先進性也值得一說。直流輸電調(diào)節(jié)速度快，運行可靠。正常情況下穩(wěn)定輸出，事故情況下可實現(xiàn)緊急支援，因為直流輸電可通過可控硅換流器快速調(diào)整功率、實現(xiàn)潮流翻轉。

還有，直流輸電線路無電容充電電流，電壓分布平穩(wěn)，負載大小不發(fā)生電壓異常，不需并聯(lián)電抗。

3 ?壓直流輸電系統(tǒng)的典型結構

HVDC系統(tǒng)換流站的接線方式主要有三種： 單極接線，單極通常采用負極性導線，由土或水電路;雙極接線，該方式有兩根直流導線且極性相反，當其中一極發(fā)生故障時，另外一極以大地作為回路，繼續(xù)工作;同極接線，該方式具有兩根或以上的導線，且它們的極性相同（通常為負）。

因為地質(zhì)影響到了單極系統(tǒng)中的地電流，所以其附近的地下設施有時會收到不良影響，為了避免這種情況的發(fā)生，在實際應用中常采用雙極接線的方式。

此外，隨著晶閘管技術的進步，國內(nèi)外的HVDC系統(tǒng)采用的接線方式為雙極雙橋12脈波。無論是單極接線還是雙極接線，其換流單元的接線方式，可采用單橋換流器也可采用多橋換流器。多橋換流器通常用偶數(shù)個橋在直流側相串而在交流側相并的接線。12脈動換流閥的接線方式即兩個換流橋在直流側串聯(lián)而在交流側并聯(lián)，由于每個極上使用的換流閥組的個數(shù)有不同，所以可以分為單12脈和雙12脈兩種。

單12脈接線方式每個極中均只有一個換流閥組，且它們是12脈動的，當任意一個發(fā)生故障時，都將導致系統(tǒng)出現(xiàn)單極停運。可見，兩個6脈動的換流閥在交流側的相位上相差30 °。它們在直流側相串而在交流側相并，共同組成了12脈動的換流單元。國外許多HVDC工程和國內(nèi)已投入運行的葛洲壩-南橋、天生橋-廣州和貴州-廣東等若干個±500 kV的HVDC工程都采用這種接線方式。

單12脈動換流閥接線方式的優(yōu)點在于：結構簡單、所需元件少、成本小、能量利用率較高。但其缺點也是顯而易見的，例如單臺設備的容量大，導致制造的難度很大，也給運輸造成了困難。另外，當任意一個單橋換流器發(fā)生故障時，都會令HVDC系統(tǒng)出現(xiàn)單極停運的情況，繼而導致對兩端交流系統(tǒng)的巨大沖擊。所以，雙極雙橋單12脈高壓直流輸電系統(tǒng)共包含雙極運行的100%容量、單極運行的50%容量以及雙極停運的零容量三種運行方式。

雙12脈接線方式的特點是每個極上都含2個12脈動的換流閥組，該接線方式的優(yōu)點在于，當任意一個換流閥組發(fā)生故障時，均可由控制開關來令這一極得以部分運行，從而大大提高了高壓直流輸電系統(tǒng)傳輸電能的能力。根據(jù)每個極上的兩個換流閥組的連接方式不同而分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。考慮到實際HVDC工程遠距離、大容量、高電壓等特點，常采用雙12脈的接線方式。

雙12脈動換流閥接線串聯(lián)方式相對單12脈動接線方式而言，關鍵設備的個數(shù)均多了一倍，即可減小單臺設備的容量，從而為其制造和運輸提供便利。因為各個12脈動換流器之間是相互獨立的，故可分期進行建設。因為該每極均包含2組12脈動的換流閥，因此當任意一個閥組方式故障時，可由換流器兩端多個開關的切換操作令故障閥組停止工作，這樣便不會對兩端交流系統(tǒng)造成太大沖擊。但是因為設備數(shù)量的增多，建造成本會隨之增加。這種結構共包括6種運行方式，輸送功率的容量狀態(tài)包含100%、75%、50%、25%和0%五種。容量缺失時狀態(tài)轉移過程帶來的雙12脈的劣勢，即帶來故障持續(xù)時間長。

特高壓換流站系統(tǒng)輸送容量大，電壓等級高，考慮運行及設備制造原因，較多采用雙12脈接線。雙12脈動換流閥接線并聯(lián)方式與串聯(lián)相比而言，設備的數(shù)量和容量均相同，當每個極任意一個12脈動換流閥組發(fā)生故障時，只有這一極的設備停止運行，因此也具有6種運行方式。但因其特有的運行方式，需要耐受更高電壓的換流設備，故提高了換流站的制造成本。

4 ?高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性的評估方法

可靠性評估方法包括確定性方法、概率性方法。

確定性方法根據(jù)預想的元件故障，通過計算分析給出對系統(tǒng)性能的判斷。該方法的不足：沒有考慮多元件同時失效;只分析了元件失效事件的后果，忽略了其發(fā)生的概率和失去的電量等信息。

概率性方法根據(jù)元件故障、修復、切換、安裝等過程的統(tǒng)計參數(shù)，對系統(tǒng)運行方式和元件故障模式進行概率模擬，獲得概率可靠性指標和概率經(jīng)濟指標，對系統(tǒng)可靠性有全面和客觀的評價。概率性可靠性評估方法又有解析法和模擬法。

無論采取何種方法評估系統(tǒng)可靠性，預測評估指標的精度都要受到系統(tǒng)規(guī)模、模型、方法以及使用數(shù)據(jù)質(zhì)量的限制。而考慮元件隨機故障、預安排停運、天氣狀況、設備自身健康狀況等諸多因素時，對超大規(guī)模電力系統(tǒng)，不論是解析法還是模擬法都將面臨不可避免的“計算災”難題。但是，隨著計算機技術與可靠性評估方法術的發(fā)展，這種“計算災”有望得到相當程度的解決。

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