轻型高压直流输电技术的发展与展望

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轻型高压直流输电技术的发展与展望

李庚银,吕鹏飞,李广凯,周　明

(华北电力大学电力工程系,河北省保定市071003)

摘要:介绍了在原有高压直流输电(HVDC)基础上,以电压源换流器和绝缘栅双极晶体管为主要部件发展起来的轻型HVDC技术,分析了轻型HVDC的基本原理和技术特点,比较了轻型HVDC与传统HVDC之间的区别,简要介绍了轻型HVDC在国外的一些工程应用以及我国的研究现状,并指出目前的主要研究领域,展望了其发展前景。

关键词:轻型高压直流输电;高压直流输电;电压源换流器中图分类号:TM721.1

0　引言

自1954年世界上第1条高压直流输电(HVDC)联络线投入商业运行以来,HVDC作为一项日趋成熟的技术在远距离大功率输电、海底电缆送电、两个交流系统之间的非同步联络等方面得到了广泛应用。然而,由于技术和经济的原因,HVDC在近距离小容量的输电场合却难以应用。随着电力半导体技术尤其是绝缘栅双极晶体管(IGBT)的快速发展,促进了HVDC的轻型化。现在,以电压源换流器(VSC)和IGBT为基础的轻型高压直流输电(HVDClight),把HVDC的容量延伸到了只有几MW到几十MW[1,2]。这种小功率的轻型HVDC系统有很好的应用前景。

轻型HVDC除具有常规HVDC的优点外,还可直接向小型孤立的远距离负荷供电,更经济地向市中心送电,方便地连接分散电源,运行控制方式灵活多变,可减少输电线路电压降落和电压闪变,从而进一步提高电能质量[3～5]。由于轻型HVDC技术才刚刚起步,许多基础理论和相关的应用基础问题尚需要深入探讨。本文在简要介绍轻型HVDC原理的基础上,分析了轻型HVDC的技术特点,比较了轻型HVDC与传统HVDC之间的区别,介绍了国外的一些工程应用以及我国的研究现状,并指出目前的主要研究领域,展望了其发展前景。

来的,其基本原理如图1所示。设送端和受端换流器均采用VSC,则两个换流器具有相同的结构。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。换流桥每个桥臂均由多个IGBT串联而成。换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带,同时也起到滤波的作用。直流电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。另外,轻型HVDC的传输线路一般采用地下电缆,对周围环境没有什么影响。

图1　轻型直流输电原理图

Fig.1　PrinciplediagramofHVDClight

假设换流电抗器是无损耗的,忽略谐波分量时,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:

USUC

P=X1sin󰀁(1)US(US-UCcos󰀁)(2)

X1

式中:UC为换流器输出电压的基波分量;US为交流

Q=

母线电压基波分量;󰀁为UC和US之间的相角差;X1为换流电抗器的电抗。

可以看出,有功功率的传输主要取决于󰀁,无功功率的传输主要取决于UC。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。因此,通过对󰀁的控制就可以控制直流电流的方向及输送有功功率的大小,通过控制UC就可以控制VSC发󰀁

󰀁

1　轻型HVDC的基本原理及技术特点

1.1　轻型HVDC的基本原理

轻型HVDC是在IGBT和VSC基础上发展起

收稿日期:2002-08-29;修回日期:2002-09-13。

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20010079001)。　　　　　　　　　　　　　　　78

电　力　系　统　自　动　化　　　　　　　　　　　　2003,27(4)

出或吸收无功功率及其大小。

1.1.1　电压源换流器(VSC)

HVDC最初是从工业驱动系统中的整流技术发展起来的。在HVDC中通常使用的换相换流器(PCC)在工业驱动领域几乎全部已被VSC代替。这两种技术之间的主要区别在于:VSC需要有源元件,可以切断电流,而不像PCC那样只能接通电流。由于VSC能切断电流,不需要从所连接的交流电网获取有源换相电压,就使得轻型HVDC可以连接“无源”网络,即在电网中可以没有旋转电机,或者旋转电机的短路容量可以很小。

1.1.2　绝缘栅双极晶体管(IGBT)

IGBT是一种可以自关断的半导体元件,只需要用很小的功率进行控制。与用于控制换相晶闸管的功率相比较,其功率只需要用缓冲器电路提供,这就使串联成为可能,甚至在kHz级换相频率范围内都具有很好的电压分布。IGBT技术发展很快,其额定电压已经达到2.5kV,而且有望实现更高的额定电压。

1.1.3　脉宽调制(PWM)

应用IGBT实现了从PCC技术到VSC+PWM的技术转换。轻型HVDC采用了PWM控制方式。应用PWM技术,在一定限度内可以通过改变PWM型式获得任意相角与幅值,这一过程几乎是瞬间完成的。由于PWM允许单独控制有功功率和无功功率,使得VSC非常接近于理想的输电网中的一个分支。从系统角度来看,它可以看成是一个无转动惯量的电动机或发电机,几乎能够瞬时控制有功功率和无功功率。因为交流电流也是可以控制的,故换流器不会影响短路容量。

1.1.4　轻型HVDC的控制系统

轻型HVDC的一个主要优点就是它具有强大的控制能力。轻型HVDC的工作站根据控制和保护的要求配备先进的微处理器系统。控制系统通过PWM部分控制直流电压、电流或功率,有时也通过变压器分接头进行调节。例如由ABB公司开发研制的MACH2全数字型控制和保护系统,把换流站所有的控制、监测和保护功能都集中在一块集成电路上,并由相应的软件对其进行控制。

1.1.5　轻型HVDC的传输电缆

轻型HVDC传输电缆的表面是由压缩型聚合物做成的绝缘材料,由三芯绞线的屏蔽物和绝缘屏蔽物压缩在一起构成。导体材料为70mm～1200mm的铝导线,由铜材料作为屏蔽物,其直流2

2

TM

电压可以达到±150kV,电流一般在1200A以内。

与传统的HVDC相比,用于轻型HVDC的传输电缆可以用地下电缆而没有必要用架空线,对周围环境没有什么影响,这使得轻型HVDC工程在审批上较传统的HVDC有很大的优势。

1.2　轻型HVDC的技术特点

a.VSC电流能够自关断,可以工作在无源逆变方式,不需要外加的换向电压,从而克服了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷,使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。

b.正常运行时VSC可以同时且控制有功和无功,控制更加灵活方便。

c.VSC不仅不需要交流侧提供无功功率,而且能够起到STATCOM的作用,即动态补偿交流母线无功功率,稳定交流母线电压。这意味着如果VSC容量允许,故障时轻型HVDC系统既可以向故障区域提供有功功率的紧急支援,又可以提供无功功率的紧急支援,从而提高系统的电压和功角稳定性。

d.潮流反转时直流电流方向反转,而直流电压极性不变,与传统的HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统。

e.由于VSC交流侧电流可以控制,所以不会增加系统的短路容量。这意味着增加新的轻型HVDC线路后,交流系统的保护整定无须改变。f.VSC通常采用SPWM技术,开关频率相对较高,经过低通滤波后就可得到所需交流电压,可以不用变压器,所需滤波装置的容量也大大减小。g.多个VSC可以接到一个固定极性的直流母线上,易于构成与交流系统具有相同拓扑结构的多端直流系统,运行控制方式灵活多变。

2　轻型HVDC与传统HVDC的区别

a.功率范围:传统HVDC主要运行于较大的功率范围,约在250MW以上;而轻型HVDC输送的功率可以从几MW到几百MW,直流电压可达到±150kV。

b.模型组件:轻型HVDC是以一套具有若干标准规格的换流站模块为基础,大多数设备在制造厂家就已被封装起来;而传统HVDC往往是根据系统运行的需要以及某些特殊的用途而设计和装配的。

c.换流电路:轻型HVDC的换流站通过VSC・综述・　李庚银等　轻型高压直流输电技术的发展与展望

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控制IGBT和二极管的通断,因此,电路的结构与传统HVDC有很大的区别,其主要指标的比较如表1所示。

表1　轻型HVDC与传统HVDC的部分指标比较Table1　Comparisonofsomeaspectsbetween

conventionalHVDCandHVDClight

换流站指标换流阀

与交流系统连接的器件

滤波和无功补偿直流平波站间通信

传统HVDC晶闸管换流变压器

50%在滤波器和并联电容器平波电抗器+直流滤波器

需要

轻型HVDCIGBT

串联电感(+变压器)只用小型滤波器直流电容器不需要

络直接供电,而传统HVDC在受端电网中必须有旋转电机。

e.对功率的控制:传统HVDC可以通过滤波器和串联电抗器的通断以及在某种程度上对触发角的控制来达到对功率的控制,但是这种控制需要额外的设备和额外的损耗;轻型HVDC则可以在很短的时间内形成任意的相角或幅值,这对于地控制有功和无功提供了可能性。

3　轻型HVDC在国外的应用及发展情况

3.1　国外已经投运的轻型HVDC工程

从1997年瑞典的赫尔斯扬(Hellsjon)工程试验成功,到现在已经有4条轻型HVDC线路相继投入商业运行。

各工程的具体技术参数见表2。

　　此外,轻型HVDC的换流电路是自然双极性,直流电流没有接地,因此需要两根导线;而传统HVDC直流电流接地,可以用单根传输线。

d.运行的性:轻型HVDC不依赖于交流系统去维持电压和频率的稳定,与传统HVDC相比,短路容量并不重要;轻型HVDC可以给无源网

表2　已投运的轻型HVDC工程主要技术指标2　TableMaindataoftheHVDClightprojectsbroughtintooperation

工程Hellsjon

GotlandDirectlinkTjaereborgEaglePass

投运时间1997-031999-061999-122000-082000-09

最大传输功率/MW3503×607.236

两侧交流电压/kV10/1080/80132/11010.5/10.5132/132

直流电压/kV±10±80±80±9±15.9

直流电流/A1503503423581100

线路长度/km102×706×592×4.3背靠背

选择轻型HVDC的主要原因工业试验

风力发电(电压支撑)、地下电缆电力交易、系统互联、地下电缆风力发电、示范工程电力交易、系统互联、电压控制

　　Hellsjon工程是世界上第1个以VSC为基础的

轻型HVDC工业试验工程,用于连接现有10kV交流电网中的不同部分。该工程采用瑞典中部Hellsjon与格兰斯堡之间一条长10km的50kV交流输电线路。自工程投运以来,已经完成了复杂的试验计划,输电稳定,换流器能够满足关于噪声水平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面的技术要求。

1999年6月,瑞典哥特兰岛(Gotland)轻型HVDC工程投入运行。这是世界上第1个商业化运行的轻型HVDC系统。该系统为充分开发、利用当地丰富的风力资源提供了技术支持,解决了风力发电所带来的电能质量问题(电压和无功支撑),而且以地下电缆传输电能,对环境的影响相对较小。

1999年底,在澳大利亚建成投运的Directlink轻型HVDC系统首次将新南威尔士(NewSouthWales)电网和昆士兰州(Queensland)电网联接起来,并在两个电网之间进行电能交易。传输的电能根据NEMMCO(NationalElectricityMarketManagementCompanyLimited)市场的价格决定,因

此在传输线上的功率有时每5min就要改变一次。

2000年8月,在丹麦修建的第1个轻型HVDC示范工程——Tjaereborg工程正式投运,这也是轻型HVDC用于风力发电的又一成功范例。

2000年9月,由EPRI,AEP和ABB联合在美国的伊格帕斯(EaglePass)建设了世界上第1个采用轻型HVDC技术实现电网背靠背互联的工程。该工程增加了向EaglePass的输电能力,解决了EaglePass电网的电压支撑问题,同时也解决了美国电网与墨西哥电网之间电能交换容量的问题。该工程的最大可传输功率为36MW,或以STATCOM方式运行,为两端电网提供36Mvar的无功补偿容量。

3.2　国外正在建设的轻型HVDC工程

目前有两个轻型HVDC工程正在建设之中,它们分别是位于美国的CrossSoundCable工程和澳大利亚的Murraylink工程。其主要技术参数如表3所示。

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表3　正在建设的轻型HVDC工程的主要技术指标

Table3　MaindataoftheongoingHVDClightprojects

工程

CrossSoundCableMurraylink

预计投运时间2002下半年2002下半年

最大传输功率/MW

330200

两侧交流电压/kV345/138132/220

直流电压/kV±150±150

直流电流/A11751400

线路长度/km2×402×180

选择轻型HVDC的主要原因电力交易、系统互联、海底电缆电力交易、系统互联、地下电缆

4　轻型HVDC在我国的发展及应用前景

我国电力科技工作者一直关注轻型HVDC技

[6～10]

术的发展,并开展了一些初步的研究工作。该技术的优势也已引起一些应用单位的注意,正考虑在实际输配电工程中予以采用。但总体上说,该项研究在我国基本处于空白。尽快提高该技术的研究水平,尽快投入应用,具有十分迫切而重要的现实意义。为此,建议目前着重开展以下几方面的工作:

a.研究并提出轻型HVDC系统全部一、二次设备的新型数学模型及数字仿真新方法,建立轻型HVDC系统的数字仿真研究手段。

b.通过VSC的运行特性及故障分析,研究并提出适用于VSC的PWM新技术及相关保护策略。

c.建立轻型HVDC物理模型,利用高速数字信号处理芯片研制轻型HVDC控制器。

d.研究轻型HVDC系统以及由多个VSC连接构成的多端直流系统的运行特性、控制方式(有功、无功潮流控制,电压控制)及保护策略。

e.研究轻型HVDC系统对整个电网电能质量的影响及控制手段。

f.进行技术经济论证,研究轻型HVDC技术在我国应用的可行性和必要性。

重视、研究和应用。

参考文献

1　SzukiHirokazu,AajimaTatsuhito.DevelopmentandTestingofPrototypeModelsforAHigh-performance300MWSelf-commutedAC/DCConverter.IEEETransonPowerDelivery,1997,12(4):15～1597

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Guangzhu).基于VSC的直流输电系统的稳态建模及其非线性控制(Steady-stateModelandItsNonlinearControlofVSC-HVDCSystem).中国电机工程学报(ProceedingsofCSEE),2002,22(1):17～22

In:Power

5　结语

电力半导体及其控制技术的进步,特别是IGBT的不断发展,导致轻型HVDC技术的出现。已经投运或即将投运的各项轻型HVDC工程的成功经验表明,该技术正在不断进步和成熟。

作为一项新型的输电技术,轻型HVDC以其自身的特点在应用方面显示出了很大的优越性,其中包括:模块化结构、标准化设计、建设工期短、结构紧凑、对环境影响较小、对潮流和电压具有可控性等。与新的控制算法相结合,轻型HVDC技术在减少输电线路电压降落和电压闪变、进一步提高电能质量方面能够获得更好的性能;与现有交流输电线路相比,可以大幅度降低线损。

随着高新技术产业快速发展、可再生能源全面开发以及电力市场日益发展和完善,对高品质电能质量和电网运行的灵活性和可靠性要求进一步提高,轻型HVDC技术必将在我国得到越来越广泛的李庚银(19—),男,博士,教授,博士生导师,副系主任,现主要研究方向为电能质量、电力市场、新型输配电技术等。E-mail:ligy@ncepu.edu.cn

吕鹏飞(1979—),男,硕士研究生,研究方向为轻型直流输电。E-mail:phelimlv@163.com

李广凯(1975—),男,讲师,在职博士研究生,研究方向为电能质量、轻型直流输电等。E-mail:lgk@ncepu.edu.cn

・综述・　李庚银等　轻型高压直流输电技术的发展与展望

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DEVELOPMENTANDPROSPECTSFORHVDCLIGHT

󰀂Pengfei,LiGuangkai,ZhouMingLiGengyin,Lu

(NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)

Abstract:Akindofnewpowertransmissiontechnology——HVDClight,isintroducedinthispaper,whichisbasedontheconventionalHVDCtechnologywiththevoltagesourceconverter(VSC)andinsulatedgatebipolartransistor(IGBT)asitsmaincomponents.ThebasicprincipleandtechnologycharacteristicsofHVDClightaresummarized,followedbyacomparisonofHVDClightwithconventionalHVDC.SomeapplicationsofHVDClightabroadandthecurrentdevelopmentinChinaarebrieflyintroduced.ThemainresearchareasatthepresenttimearepointedoutandtheapplicationprospectsforHVDClightarepredicted.

ThisprojectissupportedbytheResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducation,theStateEducationMinistryofChina(No.20010079001).

Keywords:HVDClight;HVDC;VSC

(上接第40页　continuedfrompage40)

PREDICTIONOFORIGINALRELIABILITYPARAMETEROFPOWERSYSTEMS

BYANIMPROVEDGREYMODEL

RenZhen1,WanGuanquan1,HuangJinfeng1,HuangWenying1,GaoZhihua2

(1.SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou5100,China)(2.GuangdongProvincePowerDispatchingCenter,Guangzhou510600,China)

Abstract:Theelectricpowersystemreliabilityevaluationisbasedontheanalyzingandestablishingoftheoriginalreliabilityparameter.Accordingtothelackoftheoriginalreliabilityparameterandtheimportanceofexploitingoriginalreliabilityparametersmallstylebooksystemstoaddthequantityofthedata,animprovedgreymodelissetupbyimprovingtheweightedaverageiterationandpredictionalgorithmofBmatrix.Themethodusesfourpiecesofnewmessagestomakecompensationforthenewandoldmessagesbyintroducingweight,andadoptthemetabolismgreypredictionalgorithmwithaddingnewmessagesandabandoningoldmessages.Sothecalculationburdenisreducedgreatly,thefunctionofnewmessagesandpredictionprecisionareimproved.ThenumericalexampleforMTTFofnewlyusedlinesandthecomparisonofresultprecisionbetweenthetraditionalmodelandimprovedmodelindicatethecorrectness,availabilityandpracticalityoftheproposedmethod.Keywords:powersystems;originalreliabilityparameter;improvedgreymodel;prediction

三峡—常州直流输电工程极Ⅰ系统送电成功

2002年12月21日,三峡至常州±500kV直流输电工程极Ⅰ系统开始送电并获成功。三峡至常州±500kV直流输电工程极Ⅰ系统线路工程西起湖北宜昌的龙泉换流站,途经湖北、安徽、江苏三省,东至江苏常州的政平换流站,全长近860km,工程静态总投资50.65亿元人民币。该工程于1995年开始进行前期研究,2000年7月正式开工。2002年9月线路工程全线架通,进入调试阶段。三峡至常州±500kV直流输电工程极Ⅰ系统由龙泉和政平两座换流站、两站的接地极及接地极线路、龙泉到政平的直流输电线路、OPGW及通信工程组成,额定电压±500kV,额定电流3kA,额定功率3GW。龙泉换流站500kV交流出线8回,220kV交流出线9回。政平换流站500kV交流出线4回。

三峡至常州±500kV直流输电工程极Ⅰ系统输送距离长、容量大、系统复杂、技术含量高,它的送电成功标志着三峡首批机组发电前的电力送出工程建设取得了决定性的阶段成果,同时标志着我国直流输电技术水平又跨上了一个新的台阶。