柔性直流輸電在鐵路供電系統(tǒng)中應用前景分析

王 鑫，郭晨曦

柔性直流輸電在鐵路供電系統(tǒng)中應用前景分析

王 鑫，郭晨曦

通過對傳統(tǒng)輸電技術和柔性直流輸電技術的對比，結合鐵路電力系統(tǒng)自身特點，介紹了柔性直流輸電系統(tǒng)主接線、換流器拓撲結構和控制等多方面內容，分析了柔性直流輸電技術在鐵路供電系統(tǒng)中的應用前景，以期對同行具有一定參考作用。

柔性直流輸電；鐵路供電系統(tǒng)；電路結構

0 引言

柔性直流輸電也稱之為基于電壓源型換流器的高壓直流輸電，這一概念最早由加拿大McGill大學BoonΤeck Ooi等學者于1990年提出。2000年，國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）和美國電氣與電子工程師協(xié)會正式將其命名為“Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Τransmission”，縮寫為“VSC-HVDC”。在我國稱之為“柔性直流輸電技術”，也可翻譯為“HVDC Flexible”，用以表達該項輸電技術的靈活性特點。隨著電力電子技術的快速發(fā)展，柔性直流輸電技術不斷成熟和發(fā)展，在風能、太陽能等新型能源不斷開發(fā)利用的情況下，柔性直流輸電技術的優(yōu)勢日益明顯。目前，其在國際上的應用工程主要有哥特蘭（Gotland）工程、克勞斯-桑德互聯(lián)（Cross Sound Cable）工程等。我國高速鐵路技術的快速發(fā)展要求人們不斷尋找高效、節(jié)能，符合國情和市場需求的供電技術，故進一步研究探討柔性直流輸電技術在鐵路供電系統(tǒng)中的應用是非常必要的。

1 結構原理

柔性直流輸電技術是一種以電壓源換流器、可控關斷器件和脈寬調制技術（PWM技術）為基礎的新型直流輸電技術。柔性直流輸電設備主要包括換流站、換流變壓器、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器等，其結構原理如圖1所示。

圖1 柔性直流輸電技術結構原理

（1）換流變壓器。換流變壓器通常選用常規(guī)普通變壓器。為了保證變壓器中不含諧波分量，變壓器連接方式通常采用一次側繞組星形接線，不設置三次諧波磁通回路；二次側繞組采用三角形接線的方式，電流在三角形繞組內部形成環(huán)流，使輸出電流中基本不含諧波電流分量和直流電流分量，實現(xiàn)了交直流系統(tǒng)之間的電氣隔離。

（2）換流電抗器。換流電抗器是換流站的重要組成部分，其容量大小直接決定換流站的換流能力，因此需慎重選取。電抗器的主要作用之一是限制短路電流，同時濾除系統(tǒng)中的諧波分量，進而獲得較好的電壓電流波形以達到預期理想效果。

（3）交流濾波器。交流濾波器的主要作用是濾除電壓中的高次諧波以獲得理想波形，交流濾波器的容量需根據(jù)具體情況確定。

（4）直流電容器。直流側電容的大小決定其抑制直流電壓波動的能力，并起到維持直流側電壓穩(wěn)定的效果。作為儲能元件，直流電容器可以緩沖橋臂開斷時的沖擊電流，減小直流側的電壓諧波，防止直流側電壓波動，提供電壓支撐，同時對電壓電流起到一定的濾波作用。

2 換流器結構

換流器主電路拓撲結構一般分為2類，即兩電平結構和多電平結構。其結構如圖2所示。兩電平結構電路中，每個電力電子器件兩端承受的電壓為±Ud/2，電路結構簡單，易實現(xiàn)開關器件通斷的一致性，但每個橋臂上電力電子器件承受的電壓較高，受目前電力電子器件發(fā)展水平的限制，致使兩電平結構電路的電壓傳輸?shù)燃壿^低。多電平結構電路中每個橋臂上串聯(lián)多個電力電子器件，相較于兩電平結構，多電平結構電路中橋臂上每個器件承受的電壓降低，可以很大程度上提高傳輸?shù)碾妷旱燃壓蛡鬏斎萘?，輸出的電壓質量較好，但由于電路的復雜性增加，實現(xiàn)電力電子器件的控制難度加大。在設計換流器主電路拓撲時，需綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性和運行的可靠性。

3 控制策略

柔性直流輸電系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)由各類控制器構成，具體包括外環(huán)功率控制器、內環(huán)電流控制器、觸發(fā)脈沖生成環(huán)節(jié)以及鎖相同步和同步坐標變換等環(huán)節(jié)。外環(huán)功率控制器主要形式包括無功功率控制器、有功功率控制器、直流電壓控制器、交流電壓控制器等。目前大多文獻涉及的控制策略主要分為2類，一類為間接電流控制策略，另一類為直接電流控制策略。間接電流控制是基于“電壓幅值和相位”的控制，而直接電流控制則是在同步旋轉坐標系下實現(xiàn)的。目前應用較為廣泛的是直接電流控制策略，直接電流控制策略可直接控制經(jīng)過換流電抗器和變壓器的電流，動態(tài)響應迅速，控制性能良好。柔性直流輸電系統(tǒng)應用于其他不同的領域時，則需要結合具體情況采用相適應的控制方式。

圖2 換流器主電路拓撲結構

4 直流輸電技術的優(yōu)勢分析

自1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律，隨即出現(xiàn)了原始的直流發(fā)電機、直流電動機和交流發(fā)電機。電力輸送技術的研究最初集中于直流電，原始的電力線路為100～400 V低壓直流電，輸電電壓低，輸送距離短，輸送功率也很小。1885年在變壓器研究的基礎上，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)單相交流輸電；1891年又實現(xiàn)了三相交流輸電。三相交流制的優(yōu)點也很快顯現(xiàn)出來，三相交流制的輸電形式發(fā)展迅速，直流輸電則暫時擱置。然而近年來，隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，交流系統(tǒng)的一些弊端逐漸顯現(xiàn)，直流輸電的一些優(yōu)勢也逐漸被人們認識。直流輸電再次興起并迅速發(fā)展，說明其在輸電技術領域中確實存在交流輸電不可替代的優(yōu)勢。

（1）在進行遠距離大功率輸電過程中，直流輸電不受同步運行穩(wěn)定性的制約，對保證兩端電網(wǎng)的穩(wěn)定運行起到很大作用。而交流輸電須保證互聯(lián)系統(tǒng)的同步性，即需要保證所有發(fā)電機的同步性。

（2）傳輸距離較長的交流輸電系統(tǒng)中，傳輸線路的感抗很大，甚至遠遠超過線路的電阻。線路越長，電抗越大，線路上的電能損失越大，同時系統(tǒng)維持穩(wěn)定性也就越困難，這在很大程度上限制了交流輸電技術的發(fā)展。而對于直流輸電系統(tǒng)來說，其輸電線路相當于只有電阻，沒有電抗，因此不存在上述的穩(wěn)定性問題，因而直流輸電技術在長距離輸電方面優(yōu)勢明顯。

（3）與傳統(tǒng)直流輸電相比，柔性直流輸電在控制上更加靈活方便，可獨立控制有功功率和無功功率。采用全控型電力電子器件，不需要外加換相電壓，可以實現(xiàn)自關斷，可以向無源網(wǎng)絡供電，使其向孤立點的送電成為可能，為孤島供電提供了技術支持。

（4）柔性直流輸電過程中一旦出現(xiàn)潮流反轉，其技術特性可保證電壓極性不變，便于構成多端直流系統(tǒng)，對2個或多個頻率不同系統(tǒng)的互聯(lián)具有重要意義，而交流輸電技術無法實現(xiàn)這一目的。柔性直流輸電在連接2個獨立的交流系統(tǒng)時，其中一側系統(tǒng)發(fā)生故障或擾動，不會影響另一側系統(tǒng)的正常運行，另外，可靈活控制交流側功率，發(fā)生故障時系統(tǒng)的短路容量并不會增加，系統(tǒng)的保護整定也無需改變。而交流輸電接入電網(wǎng)時，系統(tǒng)的短路容量增大，保護斷路器的容量未必完全滿足保護需求，需要對其進行相應調整。所以，柔性直流輸電技術在系統(tǒng)互聯(lián)的應用方面前景廣闊。

5 應用分析

鐵路10 kV電力供電系統(tǒng)為調度指揮、通信信號、旅客服務等系統(tǒng)提供電力保障，向鐵路車站和沿線的全部非牽引電氣設備供電，包括動力和照明。電力供電線路一般沿鐵路全線架設一級負荷電力貫通線和綜合電力貫通線各1條。電力供電系統(tǒng)電壓一般采用交流10 kV，受交流供電系統(tǒng)線路對地電容引起末端電壓升高的限制，供電距離一般在30～40 km，越區(qū)供電時可能超過60 km。雙回電力貫通線路采用單芯交聯(lián)聚乙烯絕緣銅芯電力電纜，區(qū)間箱式變電站間距1～3 km。電力貫通線的負載為沿線信號樓、通信基站、光纖直放站、牽引所備用電源等一級負荷，正常運行負載電流在10～35 A之間。

從2006年起，我國大力發(fā)展柔性直流輸電技術，已有多條線路投入運行，但其在鐵路方面并未開展實際應用。日本鐵道綜合技術研究所開發(fā)了接觸網(wǎng)電壓不變，架設高壓輸電線的高壓直流輸電技術，變電所間設置電力變換裝置，將直流高壓轉換為較低的直流1 500 V電壓傳輸至接觸網(wǎng)，以減小饋電損失。國內一些較偏遠地區(qū)，如青藏、蘭新等鐵路地處青藏高原或沙漠人煙稀少地區(qū)，由于外部引入電源稀缺，鐵路10 kV或35 kV貫通線不得不采取超長距離輸電，供電質量較低。電纜線路在交流電壓作用下，會產(chǎn)生大量容性無功功率對系統(tǒng)充電，進而影響系統(tǒng)電壓。電纜線路對地的電容效應是產(chǎn)生無功功率充電的根本原因，其無功充電功率與線路的對地電容成正比，與線路兩端節(jié)點電壓的平方成正比。空載或輕載時，由于分布電容作用，線路末端電壓升高；帶負荷運行時，線路電壓損失較大，線路首末端電壓相角差變大，首端導線發(fā)熱，線路電阻中消耗的功率大，供電經(jīng)濟性下降。以長距離交流輸電線路的π型等值電路為研究對象，建立電力線路模型（圖3）進行計算。

圖3 長距離交流輸電線路的π型等值電路

對于β支路，支路功率損耗為

對于α支路，支路功率損耗為

因而β支路壓降為 d U˙=I˙(R +jX)，故

以2U˙為參考相量，設2U˙=U∠0°，則

設 dU ˙=ΔU+jδU

因而末端電壓將高于始端電壓。

為解決供電質量問題，目前通常采用并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容、加裝動態(tài)無功補償裝置等措施，在一定程度上改善了供電質量，但也帶來投資增加、過電壓升高、線路損耗加大、供電可靠性下降等問題。采用柔性直流輸電技術則可以避免這些情況的發(fā)生，直流傳輸過程中電纜的電抗和電感接近于0，可以避免由于電容引起的末端電壓升高，柔性直流輸電在該方面優(yōu)勢明顯?？v觀近年來柔性直流輸電技術的發(fā)展發(fā)現(xiàn)，限制柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級和容量提升的主要因素是電纜的電壓等級和現(xiàn)有絕緣柵雙極型晶體管（IGBΤ）器件的發(fā)展水平。采用電纜輸電方式能極大減少高原、沙漠、沿海等地區(qū)災害天氣對輸電線路的干擾，電網(wǎng)故障后的快速恢復控制能力也提高了供電可靠性。隨著電力電子器件水平的日益提高，以及高壓電纜的不斷發(fā)展，柔性直流輸電系統(tǒng)的容量和電壓傳輸?shù)燃壱矔蠓嵘?/p>

此外，由于10 kV供電系統(tǒng)多采用沿線路設置箱式變電站的方式，與目前柔性直流輸電技術發(fā)展趨勢之一——多端直流系統(tǒng)相互契合，形成鏈式或放射式的多端直流輸電網(wǎng)絡。多端直流輸電（Multi-terminal HVDC）是直流電網(wǎng)發(fā)展的初級階段，是由3個以上換流站通過串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)方式連接起來的輸電系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)多點受電。多端直流聯(lián)網(wǎng)可以向孤島、邊遠地區(qū)等電網(wǎng)比較薄弱的區(qū)域提供安全、經(jīng)濟、有效的輸電模式，是長距離鏈條形供電線路的最佳技術手段，特別適用于鐵路沿線供電的技術特點，將給輸電方式和電網(wǎng)架構帶來重要的變革，近幾年來在歐美等發(fā)達國家已得到大力發(fā)展。鑒于柔性直流輸電系統(tǒng)在構建多端系統(tǒng)方面具備獨特技術優(yōu)勢，故柔性直流輸電技術在鐵路供電系統(tǒng)中將會得到很好的應用。

6 結語

目前我國的直流輸電技術已應用于實際工程中，如上海南匯、舟山以及大連的柔性直流輸電示范工程。其中，舟山柔性直流輸電示范工程特別針對孤島供電困難的情況，實現(xiàn)了對遠距離孤立負荷的供電。此外，基于大連柔性直流輸電工程，我國成功研制出世界首套1 000 MW/±320 kV換流閥及閥基控制器，標志著我國的柔性直流輸電換流閥技術已達到世界領先水平。技術的發(fā)展為柔性直流輸電在鐵路供電系統(tǒng)中的應用奠定了基礎。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，逐漸形成具有自主知識產(chǎn)權的關鍵技術，鐵路供電技術作為其中重要的一環(huán)，更需實現(xiàn)資源的高效利用。在未來的工作中，研究人員需結合鐵路供電系統(tǒng)自身的特點，通過仿真模擬進行深入研究，使柔性直流輸電技術得到更大的推廣。

[1]國家電網(wǎng)公司．國家電網(wǎng)公司促進清潔能源發(fā)展綜合研究報告[R]．北京：國家電網(wǎng)公司，2009.

[2]湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]丁冠軍，湯廣福，丁明.新型多電平電壓源換流器模塊的拓撲機制與調制策略[J].中國電機工程學報，2009，29（36）：1-8.

[4]王姍姍，周孝信，湯廣福，等.模塊化多電平電壓源換流器的數(shù)學模型[J].中國電機工程學報，2011，31（24）：1-8.

[5]韋延方，衛(wèi)志農(nóng)，孫國強，等.一種新型的高壓直流輸電技術MMC-HVDC[J].電力自動化設備，2012，32（7）：1-9.

[6]喬衛(wèi)東，毛穎科.上海柔性直流輸電示范工程綜述[J].華東電力，2011，39（7）：1137-1140.

[7]湯廣福，羅湘，魏曉光.多端直流輸電與直流電網(wǎng)技術[J].中電機工程學報，2013，33（10）：8-17.

[8]劉振亞.特高壓直流輸電技術研究成果專輯（2005年）[M].北京：中國電力出版杜，2006：25-38.

[9]孫優(yōu)良，王清璞，李文平，等.800 kV直流輸電工程用換流變壓器的研發(fā)[J].電力設備，2006，7（11）：17-20.

[10]文俊，張一工，韓民曉，等.輕型直流輸電—一種新一代的HVDC技術[J].電網(wǎng)技術，2003，27（1）：47-51.

[11]管敏淵，徐政.MMC型VSC-HVDC系統(tǒng)電容電壓的優(yōu)化平衡控制[J].中國電機工程學報，2011，31(12)：9-14.

[12]鄭超，周孝信，李若梅，等.VSC-HVDC穩(wěn)態(tài)特性與潮流算法的研究[J].中國電機工程學報，2005，25（6）：1-5.

[13]Xiao W，Boon-Tech O．High voltage direct current transmissionsystem based on voltage source converters[C]//21st Annual IEEEPower Electronics Specialists Conference.San Antonio，USA：IEEE，1990：325-332.

By comparison of traditional power transmission technology and flexible DC power transmission technology,with combination of characteristics of the railway power system itself,the paper introduces the main wiring of flexible DC power transmission system,topological structure and control of converter,analyzes the application prospect of flexible DC power transmission technology in the railway power supply system so as to provide certain references for the counterparts.

Flexible DCpower transmission;railway power supply system;circuit structure

U223.5

A

1007-936X(2017)06-0016-04

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.005

王 鑫.中國鐵道科學研究院，碩士研究生；郭晨曦.中國鐵道科學研究院，研究員。

2017-03-03