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        基于MMC柔性直流輸電系統(tǒng)性能的分析

        2015-05-30 20:55:54陳海燕康美金張顏真
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年20期

        陳海燕 康美金 張顏真

        摘 要:闡述基于模塊化多電平換流器(MMC)的柔性直流輸電系統(tǒng)的基本原理以及各種控制模式,分別討論了采用不同方式控制時靜止無功補償器(STATCOM)和高壓直流輸電(HVDC)兩種運行模式下柔性直流系統(tǒng)的性能。表明柔性直流輸電在傳輸有功功率的同時,也可維持交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定以及電網(wǎng)穩(wěn)定,并且具有長時間穩(wěn)定運行的能力。

        關(guān)鍵詞:柔性直流輸電;模塊化多電平換流器;靜止無功補償器;高壓直流輸電

        1 概述

        IGBT元件這一可自關(guān)斷器件作為柔性直流輸電系統(tǒng)的核心器件,比傳統(tǒng)直流輸電,可以獨立控制換流站有功功率和無功功率的流向;并且柔性直流輸電(Flexible DC transmission)系統(tǒng)可以向無源負(fù)荷供電,不需要交流系統(tǒng)提供換相容量;同時,柔性直流輸電(Flexible DC transmission)系統(tǒng)換流站的輸出電壓諧波量較小,其換流閥的開關(guān)頻率相對較高。因此,柔性直流輸電技術(shù)具有很高的應(yīng)用價值,領(lǐng)域包括在城市電網(wǎng)供電、孤島供電以及分布式能源并網(wǎng)等方面。

        特別是具有可關(guān)斷能力的新型半導(dǎo)體器件的出現(xiàn),譬如IGBT、GTO等,并伴隨著時代發(fā)展以及現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進步,應(yīng)用于HVDC中的這些新型全控型器件取代傳統(tǒng)半控型晶閘管,大大促進了HVDC這一輸電技術(shù)在歷史上重大變革。全控型功率器件的發(fā)展及其性能發(fā)展進步,基于VSC換流技術(shù)的高壓直流輸電的工程隨著不斷改善,其應(yīng)用越來越廣泛。觀其實際工程運行和技術(shù)特點方面來看,非常適合應(yīng)用于光伏、風(fēng)力等可再生分布式能源發(fā)電的并網(wǎng)、地區(qū)城市電網(wǎng)及孤島的供電、以及交流異步電網(wǎng)互聯(lián)等等相關(guān)領(lǐng)域上。

        文章先簡要地介紹柔性直流輸電的基本原理,柔性直流輸電系統(tǒng)基于MMC的各種控制模式,然后介紹采用定無功功率、定直流電壓、定有功功率、定交流電壓等各種控制方式,STATCOM和HVDC兩種運行模式下,輸送不同功率時柔性直流輸電系統(tǒng)的性能。表明在傳輸有功功率的同時,還可以維持交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定,柔性直流輸電具有長時間穩(wěn)定運行的能力,對維持電網(wǎng)穩(wěn)定運行具有重要的意義。

        2 Flexible DC transmission基本原理

        假設(shè)忽略系統(tǒng)的諧波分量,并且假設(shè)換流電抗器是無損耗時,柔性直流輸電(Flexible DC transmission)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,換流閥和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖和無功功率Q分別如公式(1)和公式(2)所述。

        圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

        (1)

        (2)

        Us:交流母線電壓的基波分量;Uc:換流閥輸出電壓的基波分量;?啄:Us和Uc之間的相角差;X:換流電抗器電抗。

        3 Flexible DC transmission控制模式

        具有更強的功率控制方式的柔性直流輸電(Flexible DC transmission)系統(tǒng)。相比較于傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)或者直流輸電系統(tǒng),對于柔性直流換流站而言,為單站精致無功補償STATCOM方式運行以及兩站HVDC方式運行,有功功率和無功功率的控制方式在不同的運行模式下也不同,即為兩種運行模式。譬如在HVDC的模式下,可以選擇控制的方式有:定有功功率控制、定直流電壓控制、定頻率控制(有功方式控制)、定無功功率控制、定交流電壓控制(無功方式控制)。又譬如在STATCOM模式下,可以選擇控制的方式有:定直流電壓控制(有功方式控制)、定無功功率控制、定交流電壓控制(無功方式控制)。無論是哪種控制方式下,均是通過求解式(1)和式(2)得到橋臂電壓的調(diào)值參考值,通過計算出當(dāng)前的所需要的有功功率和無功功率的數(shù)值,然后進而進行實際控制換流閥操作,最終調(diào)制出相應(yīng)的電壓波形?;镜牟襟E大致上是如此的。

        4 柔性直流輸電系統(tǒng)性能分析

        4.1 STATCOM運行方式下Flexible DC transmission系統(tǒng)的性能

        在進行交流電壓控制后,有時發(fā)出無功功率,有時吸收無功功率,柔性直流換流站輸出的無功功率不斷變化,以實時進行無功補償,從而確保交流母線電壓恒定。采用定交流電壓控制前,交流母線電壓有較大的波動,柔性直流輸電(Flexible DC transmission)在單站STATCOM系統(tǒng)運行模式下,采用定直流電壓、定交流電壓控制時,輸出的無功功率波形和交流母線電壓波形進而接入和增強系統(tǒng)的可擴展性。

        4.2 HVDC運行方式下(Flexible DC transmission)系統(tǒng)的性能

        Flexible DC transmission系統(tǒng)輸送額定容量負(fù)荷時,換流站的有功和無功的輸出相對平穩(wěn),譬如,有功功率設(shè)定值為18.0MW,無功功率設(shè)定值為2.0Mvar,無功功率瞬時值在0~4.5Mvar之間變化,有功功率瞬時值在16.5~19.5MW之間變化,直流電壓在瞬時54.2~64.1kV之間變化。

        柔性直流系統(tǒng)(Flexible DC transmission)在輸送額定容量負(fù)荷時,在傳輸功率調(diào)整到額定值后,柔性直流輸電系統(tǒng)輸出的恒定的有功和無功功率,可以計算得到,其直流電壓有效值也幾乎沒有波動。

        柔性直流系統(tǒng)傳輸額定負(fù)荷時,輸出閥側(cè)電壓諧波含量很小,波形為無畸變的正弦波。上、下橋臂的電流波形為帶有直流偏置的正弦波,有文獻曾經(jīng)提及,結(jié)合相關(guān)的理論分析,其二者結(jié)果完全一致。正負(fù)極的直流電壓對稱且恒定。直流電流幅值上有一定的波動,但其平均值維持在290A左右,上下橋臂電流合成后閥側(cè)電流波形,沒有偏置量,是正弦波。同時對于換流閥交直流側(cè)的電壓、電流波形,指明經(jīng)柔性直流輸電系統(tǒng)逆變產(chǎn)生的交流電壓、電流波形,其諧波含量小,系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。更進一步證實了柔性直流輸電的優(yōu)點。

        具有更多的功率控制方式,柔性直流換流站與傳統(tǒng)的交直流變電站相比。我國陸續(xù)實踐的工程上的調(diào)試的結(jié)果表明,柔性直流換流閥逆變輸出的電壓和電流波形含有較少諧波分量,輸出穩(wěn)定的正弦波,其上下?lián)Q流站橋臂的電流波形和理論分析結(jié)果相符。其有功功率、無功功率在柔性直流輸電系統(tǒng)額定容量運行時,能輸出平穩(wěn)準(zhǔn)確。同時交直流電壓、電流等均能維持穩(wěn)定運行,柔直系統(tǒng)的換流站在單站運行時,能夠通過發(fā)出或吸收無功功率,進而維持交流電壓穩(wěn)定。

        5 結(jié)束語

        具有長時間穩(wěn)定運行的能力的柔性直流輸電,既可在傳輸有功功率時期,還可維持交流系統(tǒng)的電壓側(cè)穩(wěn)定,柔直輸電系統(tǒng)在額定容量時具有良好的性能。采用該MMC技術(shù)對維持電網(wǎng)穩(wěn)定具有重要的意義。

        參考文獻

        [1]毛穎科,桂順生,賀之淵,等.基于MMC技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)性能分析[J].華東電力,2011,7:1133-1136.

        作者簡介:陳海燕(1982,2-),女,吉林伊通人,工學(xué)學(xué)士,國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司工程師,主要研究:柔性直流輸電。

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