游慶華，黃加福

（1.廈門(mén)工學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000）

高壓柔性直流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)綜述

游慶華1，黃加福2

（1.廈門(mén)工學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電網(wǎng)對(duì)供電可靠性、安全運(yùn)行性以及電能質(zhì)量要求也越來(lái)越高 ，基于IGBT（或者稱作電壓源換流器）的輸電方式的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛 。本文簡(jiǎn)要介紹了高壓柔性直流輸電的發(fā)展過(guò)程，分析了高壓柔性直流輸電在電網(wǎng)中應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及存在的缺陷和解決方法。最后展望了高壓柔性直流輸電技術(shù)的在電網(wǎng)中應(yīng)用前景 。

IGBT；柔性直流 電壓源；換流器；電網(wǎng)

0 引言

供電量的不斷增加，造成系統(tǒng)短路電流的增大，這對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)元件造成極大地安全隱患，這就要求供電應(yīng)該滿足靈活運(yùn)行、可控性高等特點(diǎn)，以滿足各種運(yùn)行情況的要求。20世紀(jì)90年代隨著IGBT(絕緣柵極雙極晶體管)的出現(xiàn)，在工業(yè)驅(qū)動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用。利用IGBT元件本身固有特性，柔性直流輸電技術(shù)可分別獨(dú)立控制有功和無(wú)功功率，且能實(shí)現(xiàn)換流器的四象限運(yùn)行。相對(duì)于傳統(tǒng)可控掛的高壓直流輸電，柔性直流輸電系統(tǒng)可控性好、運(yùn)行方式靈活以及不存在無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題，可以向弱交流系統(tǒng)甚至無(wú)源系統(tǒng)輸送。另外，VSC由于產(chǎn)生的諧波含量少，不必單獨(dú)配置濾波器，極大節(jié)省占地面積，解決了電網(wǎng)供電中存在的供電困難、高成本等問(wèn)題。

1 柔性直流輸電的特點(diǎn)

1.1 主要優(yōu)點(diǎn)

柔性直流輸電技術(shù)是當(dāng)今世界電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的制高點(diǎn)，與傳統(tǒng)的高壓直流輸電相比，柔性直流輸電具有以下主要優(yōu)勢(shì)：

（1）柔性直流輸電在正常運(yùn)行時(shí)可以更靈活獨(dú)立控制有功功率和無(wú)功功率。當(dāng)交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，柔性直流輸電系統(tǒng)在換流器輸送范圍內(nèi)既可向故障系統(tǒng)緊急和無(wú)功功率支援，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）柔性直流輸電技術(shù)由于VSC交流側(cè)輸出電流的可控性，在增加新的柔性直流輸電線路后，原有交流系統(tǒng)的保護(hù)基本保持不變，并且能有效解決大規(guī)模交流系統(tǒng)因短路容量過(guò)大而無(wú)法選擇斷路器的難題。

（3）柔性直流輸電的2電平和3電平電壓源換流器通常采用SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)，其輸出諧波大多集中在開(kāi)關(guān)頻率附近，在交流母線上安裝一組高通濾波器就可減弱系統(tǒng)諧波。新型模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換流器中，產(chǎn)生的諧波比傳統(tǒng)小很多，通常不需要加濾波器。

1.2 存在不足

當(dāng)然，柔性直流輸電相對(duì)于傳統(tǒng)直流輸電也存在不足。主要存在以下幾個(gè)方面：

（1）輸送容量相對(duì)較小。柔性直流輸電工程的最高設(shè)計(jì)容量為1000MW左右，與傳統(tǒng)直流輸電可達(dá)6000MW以上好還存在一定的距離。但是，如果采用VSC基本單元的串、并聯(lián)組合技術(shù)，柔性直流輸電達(dá)到傳統(tǒng)直流輸電的容量是沒(méi)有問(wèn)題的，技術(shù)上也沒(méi)問(wèn)題。因此，未來(lái)采用特高壓電壓等級(jí)輸電必然會(huì)在柔性直流輸電技術(shù)中應(yīng)用。

（2）設(shè)備成本較高。目前來(lái)看，柔性直流輸電工程目前所需設(shè)備的制造商只有有限的幾家企業(yè)，成本過(guò)高。不過(guò)，隨著技術(shù)的不斷革新，柔性直流輸電的設(shè)備投資成本降低到與傳統(tǒng)直流輸電相當(dāng)也是可以預(yù)期的。

（3）運(yùn)行損耗高。電壓源換流器的損耗主要取決于IGBT的制造工藝水平、換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及調(diào)制方式。當(dāng)前采用的2電平、3電平以及多電平的輸電技術(shù)，開(kāi)關(guān)頻率都在1～2kHz之間，產(chǎn)生的損耗較大。柔性直流輸電損耗下降的前景包括兩個(gè)方面：①進(jìn)一步提高現(xiàn)有技術(shù)。②采用新型的可關(guān)斷器件。

（4）不適合于長(zhǎng)距離輸電。由于傳輸?shù)膯?wèn)題沒(méi)好解決，使柔性直流工程的傳輸電壓不高，而且該系統(tǒng)損耗又相對(duì)較大，導(dǎo)致輸電距離受到很大限制。針對(duì)這個(gè)缺陷，目前柔性直流輸電技術(shù)的一個(gè)重要研究方向就是開(kāi)發(fā)具有直流側(cè)故障自清除能力的電壓源換流器。

2 高壓柔性直流輸電技術(shù)在電網(wǎng)中應(yīng)用的可行性分析

2.1 現(xiàn)實(shí)性要素

柔性直流輸電技術(shù)對(duì)交流系統(tǒng)要求較低及能向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電，此外，柔性直流輸電系統(tǒng)在換流器輸送范圍內(nèi)可向故障系統(tǒng)緊急救援和無(wú)功功率支援，不但可以處理目前電網(wǎng)存在的弊端，還可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面體現(xiàn)出來(lái)：增強(qiáng)電網(wǎng)的供電能力，為城市的負(fù)荷提供必要的無(wú)功支撐要求，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性和達(dá)到改善電能質(zhì)量的目的；柔性直流輸電占用面積小能夠增強(qiáng)城市電網(wǎng)建設(shè)的可能性，節(jié)約電力建設(shè)成本；柔性直流輸電可獨(dú)立控制有功功率和無(wú)功功率，改善電流站的電壓和頻率，方便新資源接入，滿足電力市場(chǎng)的要求。

2.2 成本評(píng)估

輸電線路的成本主要由基礎(chǔ)設(shè)施投資（包括導(dǎo)線、絕緣子、終端等設(shè)備的費(fèi)用）和運(yùn)行成本（主要為損耗）組成。假設(shè)對(duì)于相同峰值電壓水平的交流和直流電路其絕緣要求相同，如果采用直流輸電，那么只需采用兩個(gè)輸電線，在交、直流載流量相同的情況下，直流損耗能夠降低33.3%。另外終端設(shè)備和無(wú)功補(bǔ)償也是影響線路成本的因素。柔性直流線路主要在換流器設(shè)備上成本較高，不過(guò)需要說(shuō)明的是，隨便電力電子器件的成本不斷降低和換流站的不斷完善，換流站的成本將會(huì)不斷降低。并且無(wú)論從占地面積、周?chē)h(huán)境、節(jié)約線路走廊方面更易滿足未來(lái)電力的發(fā)展趨勢(shì)。

3 高壓柔性直流輸電在電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 基本工作原理

正弦脈寬調(diào)制(SPWM)是柔性直流輸電技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)，如圖1所示。圖中g(shù)u為調(diào)制波，為載波，在調(diào)制波gu與載波cu的交點(diǎn)時(shí)刻控制各功率管的通斷。當(dāng)gu>cu時(shí)，上橋臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，下橋臂開(kāi)關(guān)關(guān)斷，當(dāng)gu

因此，從調(diào)制波與電壓基頻分量的關(guān)系分析可得，換流器為一個(gè)無(wú)相位偏移和增益為Ud/2線性放大器（圖2）。由于調(diào)制波的幅值與相位可通過(guò)調(diào)制比K和移相角δ實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。因此，換流器輸出電壓基頻分量的幅值與相位也可通過(guò)這K和δ兩個(gè)變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。故采用SPWM技術(shù)的換流器可以同時(shí)獨(dú)立地控制調(diào)制比K和移相角δ。

圖1 雙極性調(diào)制時(shí)的調(diào)制波和載波

圖2 極性調(diào)制時(shí)的VSC單相輸出電壓

3.2 輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柔性直流輸電系統(tǒng)的主要由電壓源換流器（VSC）和直流輸電線路構(gòu)成。雙端柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙端柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在忽略換流電抗器損耗和諧波分量的情況下,換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無(wú)功功率Q分別為：

由式(1)、(2)可知,相角差θ控制有功功率P的傳輸，換流器輸出電壓的基波分量Uc控制無(wú)功功率的傳輸。而Uc是由換流器輸出的脈寬調(diào)制(PWM)電壓的脈沖寬度控制的。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

采用基于全控型電力電子器件的柔性直流輸電技術(shù)可得到直流電壓及有功無(wú)功功率的迅速監(jiān)視。因此在一些特定的場(chǎng)合，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和可靠的實(shí)用性。

未來(lái)一段時(shí)間高壓柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展，需要進(jìn)一步研究和分析，可從以下幾方面入手：

（1）目前的柔性直流輸電技術(shù)多采用2電平、3電平結(jié)構(gòu)，而多電平因復(fù)雜的控制系統(tǒng)而被忽略，但這控制技術(shù)又在不斷更新發(fā)展，故多電平聯(lián)接的輸電技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用空間。

（2）柔性直流輸電技術(shù)將是未來(lái)獨(dú)立無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的主要供電方式，同時(shí)還可以用于各種小型電廠的聯(lián)結(jié)。

（3）目前關(guān)于柔性直流輸電系統(tǒng)啟動(dòng)的問(wèn)題研究較少，對(duì)于其啟動(dòng)產(chǎn)生的諧波和電流電壓波動(dòng)等問(wèn)題可能是未來(lái)的主要研究方向之一。

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圖6 室溫下管道出口速度云圖

3 結(jié)語(yǔ)

借助ANSYSCFX14.0流體分析軟件，采用數(shù)值模擬方法對(duì)其內(nèi)部的流體流動(dòng)特性進(jìn)行了探索，得到了室溫條件下不同管道內(nèi)徑下管道內(nèi)部和管道出口處的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布等重要流體信息。主要結(jié)論如下。

（1）管道內(nèi)徑增加，管道內(nèi)部的最大正壓和負(fù)壓均會(huì)增加，并且分別出現(xiàn)在彎管的外圓和內(nèi)圓拐角處。

（2）管道內(nèi)徑增加，管道內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)的最大速度值也會(huì)增加，并且出現(xiàn)在壓力管道的內(nèi)拐角處。同時(shí)，內(nèi)徑越小，管道內(nèi)部不同區(qū)域的速度分布則會(huì)呈現(xiàn)較大的差異性。

（3）管道內(nèi)徑增加，壓力管道出口處的最大正壓和最大負(fù)壓均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，最大正壓出現(xiàn)在靠近壁面的位置；管道內(nèi)部存在一片速度偏小的區(qū)域向圓心位置移動(dòng)。本文只是利用CFX軟件對(duì)管道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的仿真，在后續(xù)工作中將結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真的方法展開(kāi)，并且可以借助Fluent等軟件進(jìn)行瞬態(tài)分析，以更好的為壓力管道設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

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