|
1 直流输电技术发展概况
人类对电的认识和应用以及电力科学的发展首先是从直流电开始的。早期的直流输电是不需要经过换流的直流输电，即发电、输电和用电均为直流电。如1882年在德国建成的57km向慕尼黑国际展览会送电的直流输电线路（2kV，1.5kW）；1889年在法国用直流发电机串联而得到高电压，从毛梯埃斯（Moutiers）到里昂（Lyon）的230km直流输电线路（125kV，20MW）等，均为此种类型。l9世纪80-90年代，人类掌握了三相交流电路原理，不久运行效率更高的交流电机和变压器问世。1888年，俄国科学家发明了三相交流系统。随着三相交流发电机，感应电动机和变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代。同时变压器又可方便地改变交流电压，从而使交流输电和交流电网得到迅速的发展，并很快占据了统治地位。但在输电领域直流具有交流输电所不能取代之处，如远距离海底电缆或地下电缆输电，不同频率电网之间的联网或送电等。
1954年，第一座高压直流(HVDC)输电工程投入工业化运行，它是从瑞典本土至果特(Gotland)岛之间的一条20MW、100kV海底电缆直流输电线，线路全长96km。到目前为止，全世界共有70多个HVDC输电工程，其中，大部分电压等级超过400kV，输送功率大于1000MW或线路长度大于600km。
直流输电技术的发展与换流技术（特别是高电压、大功率换流设备）的发展有密切的关系，分为汞弧阀换流时期（工业应用从1954年世界上第一个工业性直流输电工程（哥特兰岛直流工程）在瑞典投入运行以后，到1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流输电工程（纳尔逊河1期工程）建成）、晶闸管阀换流时期（从70年代起开始了直流输电技术的晶闸管换流时期，原来采用汞弧阀换流的直流工程也逐步被晶闸管换流阀所替代）、新型半导体换流设备的应用时期。新型半导体换流设备主要指采用新型金属氧化物半导体器件-绝缘栅双极晶体管（IGBT）的电压源换流器。1997年3月世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的直流输电工业性试验工程，在瑞典中部投入运行，其输送功率和电压为3MW和10kV，输送距离10km。由于这种换流器的功能强，体积小，可以减少换流站的滤波装置，省去换流变压器，简化换流站结构，而称之为轻型直流输电（HVDC Light）。
2 基于PCC技术的HVDC输电原理及特点
传统HVDC输电的核心是相控换流器(PCC)技术，其原理是：以交流母线线电压过零点为基准，一定时延后触发导通相应阀，通过同一半桥上两个同时导通的阀与交流系统形成短时的两相短路，当短路电流使先导通阀上流过的电流小于阀的维持电流时，阀关断，直流电流经新导通阀继续流通。通过顺序发出的触发脉冲，形成一定顺序的阀的通与断，从而实现交流电与直流电的相互转换。
由于采用了半控型电力电子器件——晶闸管，所以基于PCC技术的HVDC输电在以下方面具有交流输电无可比拟的优点，如(1)可实现不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同步联络，提高了两侧交流系统互为备用以及事故时紧急支援的能力，从而提高了系统的稳定性和供电的经济性。(2)特别适合高电压、远距离大容量输电。(3)尤其适合大区电网间的互联。(4)线路功耗小、对环境的危害小。
基于PCC技术的HVDC输电具有以下不足：(1)不能向小容量交流系统及不含旋转电机的负荷供电。(2)换流器产生的谐波次数低、容量大。(3)换流器吸收较多的无功功率。(4)换流站投资大、占地面积大。
因此基于PCC技术的传统HVDC输电虽是一门成熟的技术，但在与交流输电的竞争中处于不利地位，其应用领域局限在220kV及以上电压等级的远距离大容量输电、海底电缆输电及不同额定频率或相同额定频率交流系统问的非同步互联等方面。
3 轻型直流输电的特点
轻型直流输电是在电压源换流器(VSC)技术和门极可关断晶闸管(GTO)及绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型功率器件基础上发展起来的， 由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制(SPWM)式VSC，换流器的单相电路如图1所示。其工作原理是：工频正弦波控制信号经与三角波载波信号比较产生触发信号 ，见图2。
当2+被触发导通后，输出电压uO=Ud/2；当2_被触发导通后，uO=一Ud/2， 由于2+ 和2-不同时触发导通，所以u0 只有±Ud /2两种数值。经换流电抗器和滤波器滤除 中的高次谐波分量后，交流母线上可得到与uc波形相同的工频正弦波电压uS 。其中， utri决定开关的动作频率， uc决定输出电压u0的相位和幅值。改变uc的相位，即改变uO与us的相位关系，可改变有功功率的大小和方向；改变uc的幅值，即改变uO与us的数值关系，可改变无功功率的大小和极性(感性或容性)。因此，VSC换流器可单独调节有功功率和无功功率。
有功功率的计算公式为：
P= USUO/X*sinδ (1)
无功功率的计算公式为：
Q= US(US -UO cosδ)/X (2)
式中UO 、US 分别为VSC输出电压uO和母线电压基频分量的有效值，δ为uO与us的相位差，X为换流电抗器的电抗。
到目前为止，世界上已建或在建的轻型直流输电工程有：
(1)赫尔斯扬(Hellsjon)试验工程：1997年3月10日投运，为历史上第一个试验性轻型直流输电工程。这条输送容量3MW，电压±10kV，长10km的线路是利用一条暂时没用的交流50kV线路使Hellsjon与瑞典中部的Grangesberg交流系统通过直流互连，其接线原理见图3。多年运行情况表明该工程运行良好，为轻型直流输电建设积累了许多宝贵的经验。
(2)果特兰(Gotland)工程：瑞典，50MW，±80kV，70km 长，建设目的是将Gotland岛上的风力发电站发出的电力送至负荷中心。1999年6月投运。运行测试数据表明该工程各项指标均达到了设计要求。
(3)Directlink工程：澳大利亚，180MW，65 km长，建设目的是使Queensland和New South Wales两个交流电网实现非同步运行，1999年12月投运。
(4)Tiaereborg示范工程：丹麦，7.2MW，±9kV，4.3km长，建设目的是将位于西部Tiaereborg的风力发电站与交流主网相联，2000年8月投运。
(5)Eagle Pass工程：美国和墨西哥，36MW，±15.9 kV，采用背靠背方式，建设目的是使美国一侧的德克萨斯(Texas)州电网与墨西哥电网实现非同步互联。
(6)Cross-Sound联络工程：美国，330MW，±150kV，40km 长，建设目的是通过海底电缆使位于New Mavend的Connecticut电网与纽约长岛电网联网。2000年8月开工，2002年5月投运。
(7)Murraylink工程：澳大利亚，200MW，±150kV，180km，建设目的是使南部电网与Victoria州电网互联。2002年4月投运，该工程当时是世界上最长的地下电缆输电项目。
基于VSC技术的HVDC输电在技术和经济上均比基于PCC技术的HVDC输电有了很大改进，轻型直流输电的特点主要表现在以下几个方面：
(1)VSC换流器为无源逆变，对受端系统没有要求，故可用于向小容量系统或不含旋转电机的系统供电。
(2)VSC换流器产生的谐波大为减弱，对无功功率的需要也大大减少，因此只需在交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波要求；无功补偿装置的容量也大为减少，可不装设换流变压器，同时可简化开关。
(3)不会出现换相失败故障。即使对小容量系统或无源负荷供电，VSC换流器也不会发生换相失败故障，从而避免了受端系统出现持续几个周期的短时电源中断，提高了受端系统的电能质量。
(4)模块化设计使轻型直流输电的设计、生产、安装和调试周期大为缩短，换流站的主要设备能够先期在工厂中组装完毕，并预先做完各种试验。最重的模块重约20 t， 可方便地用卡车直接运至安装现场。从而大大减轻了现场安装调试时间和劳动强度，而且可显著缩小换流站的占地面积。一个20MW、±30kV 的轻型直流输电换流站占地面积不足250m2 ，交货时间不超过12个月。
(5)可实现无人值班或少人值守。由于换流站主要设备大为简化，而且实现了模块化设计，因此正常维护工作量大大减少，有利于实现无人值班或少人值守换流站，提高生产效率。
(6)控制器可根据交流系统的需要实现自动调节，所以两侧VSC换流器不需要通信联络，从而减少通信的投资及其运行维护费用。
需要一提的是，采用IGBT的电压源换流器，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。但IGBT损耗大，不利于大型直流工程的采用。今后集成门极换相晶闸管（IGCT）和碳化硅等新型半导体器件的开发，给直流输电技术的发展将创造更好的条件。
4 轻型直流输电的应用前景
据预测 ，轻型直流输电在电压低于±150kV、容量不超过200MW 时具有经济上的优越性，它在以下应用领域将可能发挥极大的作用：
(1) 城市配电网增容改造
城市特别是大中城市的空中输电走廊已没有发展余地，原有架空配电网络已不能满足电力增容的要求，合理的方法是采用电缆输电(架空电缆或地下电缆)。而直流电缆不仅比交流电缆占有空间小，而且能输送更多的功率，因此采用轻型直流输电向城市中心区供电有可能成为未来城市增容的唯一可行办法。据资料介绍，由原有交流架空导线改送直流电，可提高50％的输送功率。以115kV、70km长的交流架空线路为例，将其改成±100kV双极式轻型直流输电供电后，线路输送容量可提高1倍，达到200MW，而改造增加的投资仅为两侧换流站和更换交流绝缘子的费用。
(2)海上供电
远离大陆电网的海上负荷如：海岛或海上石油钻井平台等负荷，通常靠价格昂贵的柴油或天然气来发电，不但发电成本高，供电可靠性难以保证而且破坏环境，用轻型直流输电以后，这些问题得以解决，同时还可将多余气体(如石油钻井产生的天然气)发出的电力反送给系统。
(3) 向偏远地区供电
偏远地区一般远离电网，负荷轻而且日负荷波动大，经济因素及线路输送能力低是限制架设交流输电线路发展的主要因素，制约了偏远地区经济的发展和人民生活水平的提高。采用轻型直流输电进行供电，可使电缆线路的单位输送功率提高，线路维护工作量减少，使供电可靠性增加。测算表明，修建一座燃煤火电厂与修建一条轻型直流输电线路相比，在相同投资规模下，轻型直流输电线路的等效距离可降至50～60km。
(4)清洁能源发电
受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量小、供电质量不高并且远离主网，如中小型水电厂、风力发电站(含海上风力发电站)、潮汐电站、太阳能电站等，由于其运营成本很高以及交流线路输送能力偏低等原因使采用交流互联方案在经济和技术上均难以满足要求，利用轻型直流输电与主网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护环境。
(5)不同额定频率或相同额定频率的交流系统间的非同步运行
模块化结构及电缆线路使轻型直流输电对场地及环境的要求大为降低，换流站的投资大大下降，因此可根据供电技术要求选择最理想的接入系统位置。
(6)直流环网供电
环网比辐射网及链式网的供电可靠性都高。多个VSC换流器容易构成并联多端供电的直流环网，从而提高直流输电的可靠性和灵活性。
(7)提高配电网电能质量
非线性负荷和冲击性负荷使配电网产生电能质量问题，如谐波污染、电压间断、电压凹陷／突起以及波形闪变等问题，使一些敏感设备如工业过程控制装置、现代化办公设备、电子安全系统等失灵，造成很大的经济损失，轻型直流输电可分别快速控制有功／无功的能力并能够保持电压基本不变，使电压、电流满足电能质量标准要求，将是未来改善配网电能质量的有效措施。
5 小结
轻型直流输电是基于电压源换流器(VSC)技术的新一代直流输电，它改善了基于PCC技术的传统直流输电的不足之处，其理想的控制和运行特性使直流输电在输送距离较短时也具有竞争力。可以预见，在不久的将来，轻型直流输电将在城网增容改造、向偏远地区供电、海上供电、新能源的利用以及改善配网电能质量等方面发挥不可估量的作用。
|
