柔性直流输电

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1、柔性直流输电摘要：介绍了柔性直流输电技术的系统和工作原理；柔性直流输电的优势；与传 统HVDC比较所具有的特点，以及简要介绍了柔性直流输电技术的应用现状。关键词：柔性直流输电；脉宽调制；应用现状一、引言20世纪90年代后期，以ABB公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电 （HVDC Light ）技术，即同时应用电压源型换流器（Voltage Source Converter, VSC）和脉宽调制技术（PWM）的直流输电技术，并成功应用于多个领域。2006 年5月，我国的“柔性（轻型）直流输电系统关键技术研究框架研讨会”建议国 内将该技术统一命名为“柔性直流输电”（VSC-HVDC）。柔性直流

2、输电技术从其 技术特点和实际工程的运行来看，很适合应用于可再生能源并网、分布式发电并 网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。目前，我国对常规高压直流输电技术的研究相对深入和成熟，在国内多个直 流工程中进行可广泛实践。而关于柔性直流输电技术的研究还处于起步阶段，仅 在风电场接入方面开始实践研究，缺乏承受的工程经验。我国正在大力开发清洁 新能源，城市电网也将面临供电能力不足、短路电流超标、直流负荷增长等问题。 因此，研究柔性直流输电技术对我国电网建设具有重大的意义。二、柔性直流输电技术2. 1柔性直流输电技术原理柔性直流输电系统的原理图如图1所示。VSC1直流输电线VSC2换流电抗器

3、%U.2交流滤波器电寻夺阀夺夺 r交流滤波器图1:柔性直流输电系统的原理图假设换流电抗器是无损耗的且忽略谐波分量，则柔性直流输电系统的等效简化如图2所示。图2柔性直流输电系统的等效简化图换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为P 二sin 8(1)Xq二 Us(Us-UcCos6)X式中：Uc为换流器输出电压的基波分量；Us为交流母线电压基波分量。为Uc 和Us之间的相角差；X为换流电抗器的电抗。由式(1)和式(2)可以看出，有功功率的传输主要取决于6角，6角的正 负决定了 VSC是处于整流运行方式还是逆变运行方式，即有功功率的传输方向; 6角的大小决定了传输有功功率的大小。无功

4、功率的传输主要取决于Uc, Uc的 正负决定了 VSC是处于感性运行方式还是容性运行方式，即无功功率的传输方 向；Uc的大小决定了传输无功功率的大小。而Uc是由换流器输出的脉宽调制 (PWM)电压的脉冲宽度控制的。柔性直流输电技术中的一*项核心技术是正弦脉宽调制I ( Sine Pulse Width Modulation, SPWM),其控制原理如图3所示。图3中A相SPWM的调制参考 波UAref与三角载波utri进行数值比较，当参考波数值大于三角载波，触发A 相的上桥臂开关导通，并关断下桥臂开关，反之则触发下桥臂开关导通，并关 断上桥臂开关。伴随上下桥臂开关的交替导通与关断，VSC交流出

5、口电压UA。将 产生幅值为正负Ud / 2的脉冲序列，Ud为VSC的直流侧电压。该脉冲序列中 的基频电压分量Uai与调制参考波相位一致，幅值为Ud/2。因此，从调制参考 波与VSC出口电压基频分量的关系上看，VSC可视为无相位偏移、增益为原/2 的线性放大器。由于调制参考波的幅值与相位可通过PWM的脉宽调制比M( VSC 交流输出基频相电压幅值与直流电压的比值)以及移相角6实现调节，因此VSC 交流输出电压基频分量的幅值与相位亦可通过这两个变量进行调节。这样，采用 SPWM技术的VSC可以同时独立地控制调制比M和移相角8两个物理量。图3 VSC-HVDC系统SPWM控制原理图2. 2柔性直流输

6、电技术特点柔性直流输电技术是在可关断器件组成的电压源换流器和交联聚乙烯电缆 出现之后，采用脉宽调制控制技术而发展起来的，可以将直流输电的经济应用功 率范围降低到儿十MW*】。目前，实际运行的柔性直流输电工程电压最高达到土 150KV,输送功率达到400MW；o柔性直流输电技术的特点主要表现在：（1）电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换相电压， 受端系统可以是无源网络，能够向小容量系统或不含旋转电机的系统供电，使远 距离的孤立负荷直流送电成为可能。（2）控制灵活方便。正常运行时，可以同时且独立地控制有功功率和无功 功率，不仅不需要交流测提供无功功率，而且能够起到静态同步补偿器的

7、作用。 如果容量允许，那么系统的紧急支援，提高系统的功角稳定性和电压稳定性。（3）系统在潮流反转时，直流电流反响反转而直流电压极性不变。这个特 点有利于构成潮流控制方便且可靠性高的并联多端直流系统，克服了常规多段直 流系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时乂影响可靠性的缺点。（4）采用脉宽调制控制技术，开关频率相对较高，经过高通滤波后就可得 到所需交流电压，不需要变压器，简化了换流站的结构。其相关设备可以采用模 块化设计，工程建设周期大为缩短，正常维护工作量大为减少，有理于实现无人 值班或少人值守，提高生产效率。5柔性直流输电与传统HVDC进行比较，柔性直流输电技术具有以下特点。1）在结构上，

8、传统HVDC通过换流变压器同电网连接，柔性直流输电则通 过小型电抗器与电网相连，只有在直流电压同电网电压不相匹配时才加换流变 压器；传统的HVDC需要加电容器或者调相机等进行无功补偿，柔性直流输电 则只需要尺寸很小的滤波器，如控制方式效果良好甚至可以取消滤波器；传统 HVDC在直流侧采用平波电抗器抑制直流电流变化时的上升速度，减少直流线路 中电压和电流的谐波分量，柔性直流输电采用VSC技术，直流侧采用电容器滤 波。2）在应用场合上，柔性直流输电可用于向无源网络供电。如小岛，钻井平 台等远离电网的负载，在距离超过50 100 km以上或者传输功率过大时，采用 交流电缆变得不可行，而传统HVDC因

9、占地面积大而难以实施。在柔性直流输电 技术出现以前，小岛和钻井等地往往采用代价昂贵的本地柴油发电，成本高, 且对环境造成污染，采用了柔性直流输电技术后，可以从电网直接输送电能至 这些负荷区，降低了成本，减小了占地面积和对环境的污染。传统HV DC往往 用于大容量电能传输，在中、小容量电能传输成本方面，柔性直流输电更具有竞 争力。柔性直流输电灵活的潮流控制能力使其具有系统中静止无功补偿器（SVC） 或者静止同步补偿器（STATC0M）的功能，两端换流站可以各自独立地调节交流 电压，在系统故障情况下，其控制交流电压的能力对于稳定电力系统更有利。传 统HVDC要求所连接电网的短路容量足够大，柔性直流

10、输电则可以用于短路容 量小的系统，甚至是无源网络。3）在控制方式上，传统HVDC靠控制无功补偿器，如电容器的投切达到无 功补偿的目的，其控制方式比较复杂，且成本较高。柔性直流输电系统中的VSC 本身可以自由控制有功和无功功率，甚至可以使功率因数为1, VSC的这种调节 能够快速完成；柔性直流输电可以自由控制输出交流电压的幅值和频率，可将 变压器一次电压稳定在常数值，在系统发生短路故障时能通过调节输出电压来 降低短路电流，有利于提高系统稳定性;柔性直流输电系统两个站之间不需要快 速通信联系，每个站可以独立控制。2. 3柔性直流输电技术国外应用情况国际上关于柔性直流输电技术的研究相对重视，无论是在

11、基础理论方面还是 在工程实用化方面都己经比较深入。从1997年Hellsjion工程作为第一个柔性 直流输电工业试验工程建设投运以来，柔性直流输电技术在世界范围内得到了推 广和应用，建成或在建工程超过10个。这些工程主要应用于系统互联、海上风 电场输电、风电联网以及海上作业供电等，而在孤远地区供电如海岛等，以及城 市电网等方面目前还没有实际应用。我国柔性直流输电技术研充还刚刚起步，开 始在上海研究建设用于风电接入的示范工程。工程名称国家校运年份功率/MW宜流电 压/kV线路K度/km用途Hetlsjon瑞典199731010工业试验Gotland瑞典199950802x70风力发电Direct

12、Jink澳大利亚199918080659系统互联Ijacrcborg丹麦20007.292x4.3风电井网Eagle Pass美国一墨西尚20003615.9背旅背系统互联CrossSound Cable美国200233。1502x40系统互联Murray link澳大利亚20022001502x180系统立联Troll挪威200584602x68海上供电Estlink爱沙尼亚一 芬兰20063501502x105系统克联Nord E.ON1德国2009400150203海匕风电Valhall娜咸201078150292海上风电表一：柔性直流输电技术应用工程情况三、柔性直流输电技术的应用1、柔

13、性直流输电系统具有独立的无功功率控制能力，不仅具有高压直流输 电（HVDC）方式，还能以STATCOM的方式运行。图4是亚洲首条柔性直流输电示 范工程一一上海南汇风电场柔性直流输电工程示意图。结合相邻的交流线路, 南汇风电场柔性直流输电系统将具备5种运行方式，分别为：（1）柔性直流输 电系统独立接入外部电网；（2）柔性直流输电线路和交流线路并列运行；（3） 柔性直流输电系统以STATCOM方式运行；（4）柔性直流输电系统直接对负荷供 电；（5）柔性直流输电系统停运。图4：南汇风电场柔性直流输电工程示意图2、国家电网公司规划了用于大型城市供电的土300kV/500MW柔性直流输 电工程，用来提升

14、大连城市电网的供电可靠性与供电质量，保障大连城市用电的 安全。大连工程的建成将成为世界范围内最大容量的城市供电柔性直流输电工程, 目前己完成工程的可行性研充与工程设计方案。j 二程N量 OOMVAI直流电房土 氓交流电氏I赣电距商43km轰性有流 输电线馅图5：大连城市供电柔性直流输电工程设计3、国家电网公司启动了“柔性直流海岛联网关键技术与示范工程前期研究”, 以提高舟山岛屿的风电接入能力和海岛供电的可靠性，有效保障海岛居民的用电 质量和生活水平。此工程将成为世界范围内第一个多端柔性直流输电工程。4、为了更好的解决海上/陆地风电场发电并网带来的电网安全稳定运行及电 能质量等问题，以江苏、山东

15、、浙江、福建等海上和岛屿风电场及内蒙、甘肃 等陆地风电场的集中式并网技术为研究方向，以百兆瓦和千兆瓦级海上/陆地风 电场柔性直流并网工程为重点，全力助推我国经济社会的绿色、环保、可持续发 展。图6：高压大容量柔性直流输电换流站建设规划图四、结论基于电压源型逆变器的柔性直流输电技术为电网建设与发展提出了一个新 的解决方案。随着电力电子技术的发展，核心设备成本的降低，柔性直流输电技 术较其他输电技术将更具竞争力，将其广泛应用在我国新能源并网、城市电网及 孤岛供电等方面将是完全可能的。参考文献1 :刘隽，何维国，包海龙.柔性直流输电技术及其应用前景研究.北京：中国电力科学研充院，100085.2 :Suzuki H, Nakajima T. Development and testing of prototype models fora high-performance 300MW self-commut ated AC/DC converterJ