超高壓直流輸電技術(shù)研究

龐燚

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司,廣東廣州 510620)

超高壓直流輸電技術(shù)研究

龐燚

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司,廣東廣州 510620)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,電力系統(tǒng)部分的配合和支持,使得輸變?cè)O(shè)備不斷依附于超高壓、特高壓輸電技術(shù),因此,應(yīng)研究符合我國(guó)發(fā)展的具有自主研發(fā)權(quán)的新技術(shù)。但是隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷變的復(fù)雜,很容易出現(xiàn)限制短路電流、穩(wěn)定運(yùn)行以及調(diào)頻調(diào)壓?jiǎn)栴},為了有效的提高輸送功率,增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需要不斷研究新技術(shù)。高壓直流輸電是主要的發(fā)電廠發(fā)電方式,其中換流站是最主要的技術(shù)。本文主要分析了超高壓技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償和諧波以及構(gòu)成,分析直流輸電技術(shù),促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步。

超高壓 直流輸電 單機(jī)系統(tǒng)高壓直流輸電實(shí)際上是利用升壓變壓器將發(fā)電廠輸出的交流電升壓之后適當(dāng)?shù)陌严到y(tǒng)電流變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^(guò)直流輸電線(xiàn)路把電能送到需要用的地方，利用逆變閥變換為交流電，送到電網(wǎng)中。在直流輸電技術(shù)中最主要的就是換流站設(shè)備，這種方式可以很好的實(shí)現(xiàn)輸電工程交流和直流進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，換流站最主要的設(shè)備就是換流閥。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，逐漸從貢弧閥到光控晶閘管、大功率相控等，容量也在不斷增加，需要不斷提高技術(shù)水平，因此，研究超高壓直流輸電技術(shù)變的十分重要。

1 超高壓直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成

現(xiàn)階段，世界上使用的大部分都是兩端超高壓直流輸電系統(tǒng)，可以分為三種類(lèi)型，包括雙極系統(tǒng)、單級(jí)系統(tǒng)以及背靠背直流系統(tǒng)。

1.1 單級(jí)系統(tǒng)

單級(jí)系統(tǒng)可以適當(dāng)?shù)氖褂秘?fù)極性或者正極性。正極性是說(shuō)換流站出現(xiàn)位置與對(duì)地電位之間形成的極性為正，負(fù)極性就是為負(fù)的時(shí)候。一般情況下，使用負(fù)極性來(lái)設(shè)置單級(jí)直流架空線(xiàn)路，相比較于負(fù)極性導(dǎo)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，正極性導(dǎo)線(xiàn)具有更大的噪音和電磁干擾，而且一般來(lái)說(shuō)雷電大都是負(fù)極性，因此，正導(dǎo)線(xiàn)很容易出現(xiàn)雷電閃落的問(wèn)題。單級(jí)系統(tǒng)還包括單級(jí)金屬回線(xiàn)以及單級(jí)大地回線(xiàn)兩種方式，此外，當(dāng)把雙極系統(tǒng)當(dāng)做單級(jí)使用的時(shí)候，可以形成雙導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)接地的運(yùn)行形式。主要是使用已經(jīng)存在的線(xiàn)路來(lái)適當(dāng)降低損耗的單級(jí)接地的方式[1]。

單級(jí)大地回線(xiàn)主要是使用大地和一根導(dǎo)線(xiàn)形成相應(yīng)的直流單級(jí)回路，換流站需要兩側(cè)都進(jìn)行接地。大地相當(dāng)于一根導(dǎo)線(xiàn)，可以當(dāng)做運(yùn)行過(guò)程中的電流。這種形式具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。合理使用具有良好導(dǎo)性的大地，因?yàn)橄鄬?duì)少的使用了導(dǎo)線(xiàn)，具有一定的降低成本作用，但是沒(méi)有很好的靈活性和可靠性，并且嚴(yán)格要求接地極，導(dǎo)致成本增加。比較適合使用在高壓海底電纜中，對(duì)于節(jié)省投資具有重要意義。

單級(jí)金屬回線(xiàn)的形式主要就是通過(guò)兩根導(dǎo)線(xiàn)形成的單級(jí)回路，可以利用地絕緣金屬返回線(xiàn)來(lái)適當(dāng)?shù)娜〈鷨渭?jí)回路的地回線(xiàn)。為了有效的提高固定直流一側(cè)的安全運(yùn)行以及對(duì)地電壓。需要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行接地，但是不接地一側(cè)運(yùn)行過(guò)程中的最高直流電流實(shí)際上就是金屬返回線(xiàn)的壓降。相比較單級(jí)大地方式，具有相對(duì)比較高的運(yùn)行和線(xiàn)路投資費(fèi)用，增加了使用成本。一般情況下，不會(huì)把輸電距離不是很長(zhǎng)或者大地回線(xiàn)應(yīng)用到輸電系統(tǒng)中[2]。

1.2 雙級(jí)系統(tǒng)

雙極系統(tǒng)是直流輸電過(guò)程中比較常用的形式，可以分為三種類(lèi)型，主要包括雙極一端接地、如圖一，雙極兩端接地、如圖二，以及雙極金屬中線(xiàn)、如圖三等。三種方式如圖123所示。

1.3 背靠背直流系統(tǒng)

這種系統(tǒng)實(shí)際上是輸電線(xiàn)路長(zhǎng)度為零的一種兩端直流輸電系統(tǒng)。一般情況下，比較適合使用在具有相同頻率不同步交流系統(tǒng)或者不同頻率的系統(tǒng)形成的送電線(xiàn)路或者電網(wǎng)中[3]。

2 超高壓直流輸電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制

諧波不但會(huì)影響質(zhì)量，還會(huì)干擾保護(hù)裝置、電力設(shè)備、通信系統(tǒng)等，所以合理配置分析濾波裝置具有十分重要的意義和作用?，F(xiàn)階段，最主要使用的就是晶閘管的方式，在使用中不會(huì)出現(xiàn)比較大的諧波干擾。依據(jù)無(wú)功功率的特性在換流站中選擇合適的補(bǔ)償裝置和控制方式，可以有效的保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.1 調(diào)諧濾波器以及交流側(cè)阻尼濾波器

傳統(tǒng)的阻尼濾波器運(yùn)用到HVDC輸電系統(tǒng)的時(shí)候，不管是多調(diào)型還是單調(diào)型，應(yīng)用到低奇次和低偶次的時(shí)候，會(huì)在一定程度上消耗大量的有功功率，為了能夠盡可能的降低阻尼濾波器的損耗問(wèn)題，適當(dāng)?shù)氖褂眯滦偷碾p調(diào)諧波設(shè)備，在雙調(diào)諧波裝置中，利用一定的參數(shù)來(lái)合理的選擇并聯(lián)的阻尼電阻電路在基波頻率影響下出現(xiàn)串聯(lián)諧振，導(dǎo)致出現(xiàn)阻尼兩端零電壓，以便于降低損耗[4]。

2.2 設(shè)置直流側(cè)濾波器

在設(shè)計(jì)直流濾波器的時(shí)候，理論上與交流一致，除了需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的平波電抗器，還需要一個(gè)高通濾波器和一個(gè)具有一定特征的濾波器，可以在直流線(xiàn)路接地電極與每個(gè)級(jí)上直接接入高通濾波器和諧波支路。功率因數(shù)的主要補(bǔ)償有以下幾種，包括靜止補(bǔ)償器、開(kāi)關(guān)投切的電抗器以及電容器、調(diào)相機(jī)。由于控制保護(hù)水平以及工程技術(shù)設(shè)計(jì)水平的不斷提高，當(dāng)出現(xiàn)受端交流電路容量與直流輸送容量的比值高于三的時(shí)候，不能夠使用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償[5]。

3 高壓直流輸電的優(yōu)點(diǎn)

3.1 經(jīng)濟(jì)性

這種輸電系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)性。在進(jìn)行相同功率輸送的時(shí)候，相比較交流輸電方式，直流輸電過(guò)程中使用的線(xiàn)材僅僅只有交流的1/2～2/3，線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以大幅度降低線(xiàn)路的占地面積。但是在運(yùn)行費(fèi)用以及建設(shè)轉(zhuǎn)流站的成本方面來(lái)說(shuō)，高壓直流輸電技術(shù)比交流方式的要高很多，結(jié)構(gòu)和設(shè)備也相對(duì)比較復(fù)雜。除了直流斷路器和換流變壓器外，還應(yīng)該具有交流濾波器、換流器、直流濾波器、電抗器以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)?。由于運(yùn)行費(fèi)用和損耗比較多，高壓直流輸電系統(tǒng)維護(hù)起來(lái)相對(duì)比較困難和復(fù)雜，嚴(yán)格要求從業(yè)人員的素質(zhì)和水平。此外，依據(jù)實(shí)際特點(diǎn)，以電壓等級(jí)來(lái)進(jìn)行一定的建設(shè)投資，所以，在輸送相同功率，但距離相對(duì)比較遠(yuǎn)的時(shí)候，使用高壓直流方式具有一定的經(jīng)濟(jì)性[6]。

3.2 控制性

直流輸電系統(tǒng)還具有一定的快速潮流可控性。基本上大部分系統(tǒng)的換流器都是由于電力電子設(shè)備組成一定的控制電路，實(shí)際上屬于小慣性環(huán)節(jié)，所以，可以準(zhǔn)確的反映電力潮流的控制。雙極系統(tǒng)可以進(jìn)行一定的潮流反轉(zhuǎn)。這種快速控制系統(tǒng)的方式，可以穩(wěn)定控制交流系統(tǒng)，維護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行，適當(dāng)控制負(fù)荷波動(dòng)頻率和出現(xiàn)故障時(shí)候的頻率交換情況。怎樣能夠不斷滿(mǎn)足線(xiàn)路的實(shí)際需求，進(jìn)行合理的絕緣配合，不斷分析對(duì)于電磁環(huán)境的作用，對(duì)于降低成本和保護(hù)環(huán)境具有重要意義。今后超高壓輸電技術(shù)的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向就是，怎樣合理的使用大容量的新型脈寬控制器和換流閥、光纖通信、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)以及微機(jī)保護(hù)等[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，出現(xiàn)了新型的超高直流輸電技術(shù)，利用高壓直流輸電可以有效地提高系統(tǒng)的指標(biāo)、可靠性、靈活性、互聯(lián)性、經(jīng)濟(jì)性等，比較適合應(yīng)用到長(zhǎng)距離輸電系統(tǒng)中，依據(jù)實(shí)際情況，充分體現(xiàn)出交流電的特點(diǎn)，不斷融合和完善高壓交直流輸電的相互配合，是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

[1]王立偉,禚永強(qiáng).應(yīng)用超高壓直流輸電技術(shù)解決60Hz系統(tǒng)低頻、低壓?jiǎn)栴}[J].東北電力技術(shù),2011,29(12):32-33.

[2]張福州,江波.超特高壓直流電壓互感器的原理及誤差分析[J].四川電力技術(shù),2014,37(z1):31-35.

[3]曾南超.高壓直流輸電在我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展中的作用[J].高電壓技術(shù), 2014,30(11):11-12.

[4]黃成,孫幫新,王彥峰,等.共用接地極技術(shù)在云廣特高壓和貴廣Ⅱ超高壓直流輸電工程中的應(yīng)用[J].廣東輸電與變電技術(shù),2011(5): 18-20,36.

[5]鄭超,馬世英,劉文焯,等.多端柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性的仿真分析[C].2010年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.2010:1-6.

[6]廖永力.高壓直流輸電線(xiàn)路空氣間隙外絕緣設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題探討[C].2012中國(guó)國(guó)際輸配電技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用交流峰會(huì)論文集,2012: 141-143.

[7]鄭超,馬世英,劉文焯,等.多端柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性的仿真分析[C].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2010:154-159.