低壓直流供電與柔性直流輸電及超高壓直流輸電的研究

劉谞

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，人們的生活水平也在不斷的提高，各類新型的用電設(shè)備在提高生活水平的同時也提高了對于供電系統(tǒng)的要求。本文從各類輸電方式出發(fā)，對低壓直流供電、柔性直流輸電、超高壓直流輸電進(jìn)行分析，包括他們的結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的故障類型和保護(hù)控制方法，旨在為相關(guān)的從業(yè)人員提供參考意見。

關(guān)鍵詞：低壓直流供電；柔性直流輸電；超高壓直流輸電；

1、低壓直流供電

1、1低壓直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了能夠滿足電力系統(tǒng)的要求，即在孤島和接入電網(wǎng)的狀態(tài)下正常運(yùn)行、連續(xù)供電性、電壓穩(wěn)定行、可擴(kuò)展性等，在符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的前提下，提出了低壓直流供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示[1]。

直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中AC/DC裝置是由兩個電源型整流器通過并聯(lián)方式構(gòu)成的，這兩個整流器都采用了脈寬調(diào)制的控制方法，并配備了絕緣柵雙極型晶體管，調(diào)節(jié)電壓并穩(wěn)定在正常需求水平上，同時也能降低交流系統(tǒng)中諧波的流入，其目的是為了提高系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)能夠在孤島模式下進(jìn)行工作。分布式發(fā)電設(shè)備通過電源型整流器來實(shí)現(xiàn)與直流系統(tǒng)的連接，這種方法比較簡單，穩(wěn)定性比較好，能夠保證供電的連續(xù)性。

1、2低壓直流供電系統(tǒng)的質(zhì)量可靠性

電力的穩(wěn)定性和質(zhì)量是用戶比較關(guān)注的重點(diǎn)，其中電能質(zhì)量對敏感類負(fù)載的影響較大，可靠性對應(yīng)急負(fù)載的影響較大，數(shù)據(jù)類和商業(yè)類的負(fù)載對于二者都有較高的要求。因此使用直流供電能夠有效的提高電能質(zhì)量，并能進(jìn)一步的提高供電的可靠性，減低損耗，減少成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

電力電子器件會影響供電的可靠性，而元件的故障率受負(fù)載和溫度的影響比較大，因此低壓直流供電系統(tǒng)中的電力電子器件需要能夠承受一定的負(fù)載，并且對溫度的波動有較好的的適應(yīng)性[2]。

1、3低壓直流供電系統(tǒng)的保護(hù)和控制

在低壓直流供電系統(tǒng)中使用了較多的熔斷器和斷路器，當(dāng)出現(xiàn)過載情況和短路的時候，系統(tǒng)能夠自動的切斷電源，保護(hù)了系統(tǒng)的運(yùn)行安全。同時在直流系統(tǒng)降低電壓的時候也可以應(yīng)用交流斷路器，但要注意的是需要重新的研究保護(hù)整定方法。在低壓系統(tǒng)中比較容易出現(xiàn)就地故障，剩余電流保護(hù)裝置雖對交流系統(tǒng)有較好的的保護(hù)作用，但是因?yàn)楣ぷ髟矶鵁o法直接用在直流系統(tǒng)中，所以需要另行設(shè)計(jì)。

低壓直流供電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)能夠有效的緩解各設(shè)備控制器之間的沖突，并減小瞬變狀態(tài)對供電連續(xù)性和質(zhì)量的不良影響。該控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是電流控制，能夠針對設(shè)計(jì)的閾值以及用戶的指令來作出相應(yīng)的反應(yīng)，可通過對電流的控制來完成電壓的穩(wěn)定控制。

2、柔性直流輸電

2、1柔性直流輸電換流器技術(shù)

柔性直流輸電換流器根據(jù)橋臂等效特性將換流器分為可控電源型和可控開關(guān)型，可控電源型換流器的各個橋臂中分散著儲能電容，因此可以通過對橋臂等效電壓的改變來實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸出電壓的變化[3]。比較典型的代表就是模塊化多電平換流器，可通過改變橋臂內(nèi)串聯(lián)子模塊個數(shù)來完成等效電壓的改變，根據(jù)子模塊的類型可分為鉗位雙子模塊型、全橋型、半橋型等；級聯(lián)兩電平換流器也屬于可控電源換流器，它是由半橋電路級聯(lián)而成的。模塊化多電平換流器具有無需濾波裝置、模塊化設(shè)計(jì)、開關(guān)頻率應(yīng)力低、諧波含量少、電壓畸變率低等優(yōu)點(diǎn)。但是缺點(diǎn)也比較明顯，因?yàn)榇?lián)的子模塊很多，所以增加了系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量，加大了對控制系統(tǒng)的要求，并且無法在直流出現(xiàn)故障的時候?qū)涣鬟M(jìn)行隔離，使得安全性不高。

可控開關(guān)型換流器可以通過相應(yīng)的脈寬調(diào)制技術(shù)來控制橋臂的斷通，但是因?yàn)闃虮鄞嬖诖罅康拇?lián)開關(guān)器件，所以需要注意因開關(guān)通斷引起的動態(tài)靜態(tài)均壓問題。兩電平換流器的運(yùn)行控制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都比較簡單，但是交直流側(cè)含有大量的諧波，需要加裝濾波器，同時開關(guān)頻率也比較高，使得換流器的損耗比較大；三電平換流器的開關(guān)頻率比較低，諧波含量比較少，但是結(jié)構(gòu)卻比較復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性不好，可靠性不高。

2、2柔性直流輸電控制和保護(hù)

柔性直流換流站級控制系統(tǒng)可以滿足系統(tǒng)正常的啟停操作和穩(wěn)態(tài)的功率調(diào)節(jié)，包括無功和有功兩類控制器，無功控制器實(shí)現(xiàn)了對于交流電壓、無功功率的控制，有功控制器實(shí)現(xiàn)了對直流電壓、有功功率的控制，運(yùn)行的時候，二者互相配合又獨(dú)立控制，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[4]。

柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)不同于常規(guī)的直流輸電，其閥級的控制保護(hù)系統(tǒng)更加復(fù)雜，特別是在模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)中，對于閥體的保護(hù)主要由閥級控制器來完成，換流站級控制器的作用微乎其微。因此對于保護(hù)控制的時機(jī)要求比較高，必須要高速同步控制，滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時性需求。

3、超高壓直流輸電系統(tǒng)

3、1超高壓直流輸電結(jié)構(gòu)

超高壓直流輸電系統(tǒng)主要包括換流變壓器、換流器、平波電抗器、直流避雷器、交流濾波器及控制保護(hù)設(shè)備等。換流器又被稱為換流閥，它是換流站的關(guān)鍵設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，陽極到陰極施加正向電壓或者在門級上施加適當(dāng)?shù)碾妷耗軌蛴|發(fā)換流閥導(dǎo)通，當(dāng)電流將為零且閥的電壓變成反向的時候，閥才不會出現(xiàn)導(dǎo)通情況，因?yàn)閾Q流閥具備承受正反向電壓的能力，所以可以實(shí)現(xiàn)交流和直流的變換[5]。平波電抗器具有降低直流線路的諧波電壓和電流、避免逆變器換相失敗、防止輕負(fù)荷電流不連續(xù)等功能。諧波濾波器，換流器在直流和交流側(cè)均會產(chǎn)生諧波電流和諧波電壓，它們可能會導(dǎo)致電容器和電機(jī)過熱，同時干擾遠(yuǎn)動通信系統(tǒng)，所以在直流側(cè)和交流側(cè)都裝有濾波裝置。

3、2超高壓直流輸電系統(tǒng)故障分析

換流器常出現(xiàn)的故障有很多，換流閥短路故障是較為嚴(yán)重的故障之一，整流器閥大部分情況下承受反向電壓，在經(jīng)歷反向電壓增大或者閥的系統(tǒng)故障時候?qū)斐山^緣損壞，導(dǎo)致閥短路；逆變器閥大部分情況下承受正向電壓，在電壓過高以及電壓上升幅度過大的時候會導(dǎo)致閥短路。

換相失敗也是比較常見的故障，因?yàn)閾Q流器閥需要在承受反向電壓的前提下才能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，所以如果在這段時間當(dāng)中閥沒有恢復(fù)阻斷能力，或者換相一直沒有完成的情況下，當(dāng)閥為正電壓的時候，便會發(fā)生倒換相，使得應(yīng)該開通旳閥出現(xiàn)關(guān)斷情況，導(dǎo)致?lián)Q相失敗[6]。

閥開通故障，因?yàn)橹绷骺刂葡到y(tǒng)的故障會導(dǎo)致觸發(fā)脈沖異常，造成換流器的工作出現(xiàn)異常，導(dǎo)致閥出現(xiàn)誤開通或者是沒有開通的情況。

結(jié)束語：文章對低壓直流供電、柔性直流輸電、超高壓直流輸電進(jìn)行了一系列的分析，對它們的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的介紹，簡單分析了保護(hù)措施和控制方法。相關(guān)人員在進(jìn)行參考的時候需要結(jié)合實(shí)際情況，對其進(jìn)行方法改進(jìn)和優(yōu)化，不斷的推動電力事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

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[3]湯廣福，賀之淵，龐輝. 柔性直流輸電工程技術(shù)研究、應(yīng)用及發(fā)展[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2013，（15）：3-14.

[4]雍靜，徐欣，曾禮強(qiáng)，李露露. 低壓直流供電系統(tǒng)研究綜述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，（07）：42-52+20.

[5]李子青. 超高壓直流輸電系統(tǒng)故障診斷新方法[J]. 通信電源技術(shù)，2010，（06）：39-40+43.

[6]林秀麗. 超高壓直流輸電線路電場環(huán)境研究[D].浙江大學(xué)，2006.