初談柔性直流輸電技術(shù)的原理與應(yīng)用

鄭夢(mèng)笛， 夏 夢(mèng)

(中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司， 武漢 430071)

0 引言

在現(xiàn)有的運(yùn)行控制技術(shù)下，電力負(fù)荷的不斷增加使得現(xiàn)有的變速器無法滿足長(zhǎng)距離大容量電能傳輸?shù)男枰?。由于環(huán)保和科學(xué)發(fā)展的需要，新建輸電線路的建設(shè)受到線路走廊短缺的制約。高壓柔性輸電具有系統(tǒng)穩(wěn)定性高、功率小、模塊體積小等特點(diǎn)，將柔性直流輸電運(yùn)用到城市配電系統(tǒng)中將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，本文即是對(duì)柔性直流輸電技術(shù)的原理和應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和介紹。

1 直流輸電的基本原理

高壓直流輸電(HVDC)是由發(fā)電廠產(chǎn)生交流電，經(jīng)整流器變換成直流電輸送至受電端，然后使用逆變器將直流電力轉(zhuǎn)換為將交流電力傳輸?shù)浇邮斩私涣麟娋W(wǎng)的一種減少電能損耗的傳輸方法。直流輸電系統(tǒng)主要由DC側(cè)電力濾波器、直流電抗器、保護(hù)控制裝置、換流站、直流線路、無功補(bǔ)償裝置、換流變壓器組成。其中換流站是整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的核心，完成交流AC和直流DC之間的轉(zhuǎn)換。

高壓直流輸電主要應(yīng)用于異步交流系統(tǒng)的互聯(lián)和超長(zhǎng)距離大功率輸電。高壓直流輸電線路具有投資少、系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，直流輸電的發(fā)展也受到一些因素的限制。例如，高壓直流輸電換流站比交流系統(tǒng)更復(fù)雜、成本高，需要更嚴(yán)格的運(yùn)行管理。此外，在變換器的運(yùn)行中需要大量的無功功率補(bǔ)償，并且在正常運(yùn)行中可以實(shí)現(xiàn)40%～60%直流輸電功率的傳輸功率。運(yùn)行中轉(zhuǎn)換器將在交流側(cè)和DC側(cè)產(chǎn)生諧波震蕩，要安裝過濾器。在地下或海水中的直流傳輸會(huì)導(dǎo)致金屬部件沿該方向腐蝕，需要設(shè)置保護(hù)措施。因此為了發(fā)展多端直流輸電，需要不斷開發(fā)高壓直流斷路器。

2 柔性輸電的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 柔性輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1為連接2個(gè)交流系統(tǒng)的柔性直流輸電單線原理圖，其結(jié)構(gòu)組成如下：變壓器T為電壓源變換器提供合適的工作電壓，以確保電壓源變換器的最大有功功率和無功功率輸出；交流濾波器AC，能夠?yàn)V掉交流電壓中一定量的高次諧波；電抗器L是交流系統(tǒng)與電壓源變換器之間的功率傳輸環(huán)節(jié)，在很大程度上決定了變換器的功率傳輸能力和對(duì)有功功率、無功功率的控制，并在濾波環(huán)節(jié)起著重要的作用；電壓源換流器VSC的使用是VVDC傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，在橋臂中用新型的可控硅電力電子管(IGBT、IGCT)取代了傳統(tǒng)意義上的晶閘管，使整個(gè)變流器系統(tǒng)變得更加可控；直流電容器C為DC側(cè)儲(chǔ)能元件，電壓源變換器為變換器提供直流電壓，還可以起到緩沖系統(tǒng)故障引起的DC側(cè)電壓波動(dòng)，降低DC側(cè)的電壓紋波的作用，并為T提供直流電壓支持。

圖1 兩端VSC-HVDC結(jié)構(gòu)

2.2 柔性直流輸電的基本工作原理

為解決傳統(tǒng)直流輸電中存在的弊端，采用新型的直流輸電的技術(shù)可達(dá)到有功和無功的獨(dú)立解耦控制瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)免去換流站間繁雜的通訊系統(tǒng)，在滿足對(duì)無源網(wǎng)絡(luò)供電的同時(shí)也易于構(gòu)成多段直流系統(tǒng)。而柔性直流輸電融合了PWM技術(shù)，采用可控關(guān)斷器件以及電壓源換流器，完全滿足了上述技術(shù)要求。同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)相較于傳統(tǒng)輸電優(yōu)勢(shì)明顯，可同時(shí)提供有功、無功功率，有較高的穩(wěn)定性及較強(qiáng)的輸電能力。圖2為柔性直流輸電系統(tǒng)單線原理圖。

圖2 柔性直流輸電原理圖

柔性直流輸電加入了PWM技術(shù)和電壓源型換流器，觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管的開通關(guān)斷，并控制其關(guān)斷頻率。因此橋壁中點(diǎn)電壓UC可以實(shí)現(xiàn)在+Ud和-Ud之間快速切換，經(jīng)電抗器濾波得到所需交流電壓Us。在理想情況下(即忽略諧波分量并假設(shè)電抗器零損耗)，分析可得到換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無功功率Q的計(jì)算公式：

P=USUC/X1sinδ

(1)

Q=US(US-UCcosδ)/X1

(2)

式中，UC為換流器輸出電壓的基波分量；US為交流母線電壓基波分量；δ為UC和US之間的相角差；X1為換流電抗器的電抗。

由式(1)和式(2)可以得到換流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基波相量圖，如圖3所示。

圖3 VSC-HVDC換流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基波相量圖

由圖3可知，δ值決定了有功功率的大小，無功功率則主要受UC的影響。同時(shí)δ還控制者直流電流的方向?？v觀整個(gè)系統(tǒng)，VSC可實(shí)現(xiàn)有功功率無功功率的瞬時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)，因此完全可近似看作一個(gè)零轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的發(fā)電機(jī)。

3 柔性直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主電路設(shè)計(jì)

影響換流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的因素有很多，工程中實(shí)際的電壓等級(jí)和所需的傳輸容量，開關(guān)的頻率及其調(diào)制方式、系統(tǒng)的可控性等因素都會(huì)對(duì)實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。目前實(shí)際應(yīng)用的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常采用兩電平或者三電平結(jié)構(gòu)，相比較于傳統(tǒng)的直流輸電，VSC-HVDC橋壁器件是直接串聯(lián)的，從而提高了電壓等級(jí)。(2)開關(guān)頻率的調(diào)節(jié)可通過優(yōu)化PWM的調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)，適當(dāng)降低開關(guān)頻率可延長(zhǎng)IGBT、IGCT 的使用壽命。(3)換流器損耗小。

此外，在設(shè)計(jì)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，裝置實(shí)際的實(shí)現(xiàn)難度、設(shè)備的造價(jià)、后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用等都需要考慮在其中，力求設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在能減少電力電子器件數(shù)目的同時(shí)也能有效降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，確保系統(tǒng)總體的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

3.2 控制策略

柔性直流輸電的控制策略總結(jié)起來主要分為間接電流控制和直接電流控制兩個(gè)方面。前者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但存在一些如交流側(cè)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、難以實(shí)現(xiàn)過電流控制等缺點(diǎn)。后者也稱為“矢量控制”，包括內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓控制兩個(gè)部分，其電流響應(yīng)對(duì)后者快速,受到了學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。直接電流控制的控制器，由內(nèi)環(huán)電流控制器、外環(huán)電壓控制器、觸發(fā)脈沖生成和鎖同步環(huán)節(jié)組成。內(nèi)環(huán)控制器常常應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)換流器交流側(cè)電流相位和波形的直接控制，目的在于快速跟蹤參考電流；外環(huán)控制根據(jù)其系統(tǒng)級(jí)控制目標(biāo)的不同，可以實(shí)現(xiàn)定有功功率控制、定直流電壓控制、定無功功率控制等目標(biāo)。根據(jù)PWM原理，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生鏈路通過使用來自內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)電壓和同步相位輸出信號(hào)來生成每個(gè)橋臂的觸發(fā)脈沖。鎖相環(huán)的輸出用于提供電壓矢量定向控制和觸發(fā)脈沖產(chǎn)生所需的參考相位。在由無源網(wǎng)絡(luò)供電的靈活直流系統(tǒng)中，傳輸終端通常由恒定的直流電壓控制。由于端到端系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定的功率，通常采用恒定的交流電壓控制。

4 柔性直流輸電技術(shù)在電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 在城市供電中的應(yīng)用

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的增長(zhǎng)，電力需求也不斷增長(zhǎng)，我國(guó)的許多大城市的市區(qū)電力負(fù)荷密度以及用電量增長(zhǎng)迅速。而且一些在城市的外圍的電廠對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響。為響應(yīng)國(guó)家環(huán)保號(hào)召，避免城市土地資源利用的許多限制，未來在中心城區(qū)內(nèi)采用架空輸電線路的機(jī)會(huì)越來越小，地下輸、變、配電工程將逐步成為未來電氣設(shè)計(jì)方面的一個(gè)重點(diǎn)。由于柔性直流輸電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小等特點(diǎn)，因此對(duì)于城市供電的擴(kuò)容問題,柔性直流輸電將是一個(gè)較好的解決辦法。

4.2 在民用建筑中的應(yīng)用

由于現(xiàn)在有許多民用建筑內(nèi)部配備有整流電源，要將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電驅(qū)動(dòng)電器運(yùn)用。如果從民用供電系統(tǒng)到用戶側(cè)用電的全過程都能使電能自始自終保持直流狀態(tài)，將大幅度地減少電能損耗，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

圖4 直流供電方案

如圖4所示為新型直流供電方案圖，其能充分發(fā)揮直流輸電的優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)方法中，直流輸電的過程體現(xiàn)在長(zhǎng)距離高壓輸電過程中，從二級(jí)變電站到用戶之間使用架空輸電線路成本較高。最近幾年來，直流輸電技術(shù)日趨發(fā)展成熟，特別是輕型直流輸電系統(tǒng)的發(fā)明，打破了傳統(tǒng)的距離限制，因此在用戶側(cè)供電中使用此方法更加科學(xué)合理。

5 結(jié)束語(yǔ)