柔性直流输电专题调研2013年.docx

 PAGE \* MERGEFORMAT 8 柔性直流输电专题调研 摘要：本文介绍了柔性直流输电系统的基本原理，详细分析VSC-HVDC在国内外的研究和应用现状，介绍了其技术特点并指出其应用前景。简要总结了国内的柔性直流输电的实际工程应用，指出柔性直流输电技术将在更多的应用领域发挥积极的作用。 1引言 直流输电系统的换流元件经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变革。然而，由于晶闸管阀关断不可控，使目前广泛采用的基于晶闸管的电流源型高压直流输电技术具有以下固有缺陷：①只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；②换流器产生的谐波次数低、容量大；③换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的滤波和无功补偿装置；④换流站占地面积大、投资大。 随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。 随着电力电子器件和控制技术的发展，换流站采用IGBT、IGCT等元件构成电压源型换流站（Voltage Source Converter，VSC）来进行直流输电成为可能。自上世纪九十年代后期，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，并成功应用于多个领域。电压源换流器型直流输电（Voltage Source Converter Based HVDC，VSC-HVDC）是一种以电压源换流器和脉宽调制等技术为基础的新一代直流输电技术。这种直流输电技术是采用基于可关断型器件的电压源型换流器进行直流输电。从其技术特点来看，很适合应用于可再生能源并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。 2 VSC—HVDC的基本原理 柔性直流输电技术是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电技术，核心是采用以全控型器件（如GTO和IGBT等）组成的电压源换流器（VSC）进行换流其系统原理如图2.1所示。 图2.1 柔性直流输电系统原理示意图 其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器，主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器；全控换流桥的每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成，可以满足一定技术条件下的容量需求；直流侧电容为换流器提供电压支撑，直流电压的稳定是整个换流器可靠工作的保证；交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用；交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。 假设换流电抗器是无损耗的，在忽略谐波分量时，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 P=USUCXLsinδ 1 Q=USUS-UCcosδXL 2 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；δ为UC和US之间的相角差；XL为换流电抗器和换流变压器的电抗。 由式（1）、（2）可以看出，有功功率的传输主要取决于δ，无功功率的传输主要取决于UC。因此通过对δ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发出或吸收的无功功率。从系统角度看，VSC可以看成是一个无转动惯量的发送机或发电机，几乎可以瞬间实现有功功率和无功功率的独立调节，实现四象限运行。 3 VSC—HVDC国内外研究和应用现状 由于具备向无源系统或者弱交流系统供电、有功和无功功率快速独立控制、易于构成多端网络和环境友好等优异性能，VSC-HVDC在输电领域和配电领域都有着广泛的应用潜力，国内外多家公司和机构投入了大量精力进行相关的研究。 3.1 国内外研究现状 国际上关于VSC-HVDC技术的研究在基础理论和工程化应用等方面都已经比较深入，研究的热点主要集中在如何提高系统电压等级和输送容量，如何提高系统的稳态和暂态性能，如何提高系统的可靠性，如何降低系统造价，如何降低损耗，以及对交流电网的支持、与交流电网相互作用等方面。 在国内，华北电力大学、中国电力科学研究院、浙江大学、华中科技大学、合肥工业大学、许继公司及南方电网科学研究院等单位已经开展了这方面的研究，研究工作注意集中在柔性直流输电的建模仿真、柔性直流输电的控制和保护策略、柔性直流输电在城市电网中的应用等。 3.1.1已经研究的方面 柔性直流输电系统的数学模型及仿真方法，建立柔性直流输电系统的仿真研究手段； 通过研究和设计中海油柔性直流输电系统，完成换流站带电、海缆充电、逆变站空载运行、孤立负荷供电、电动机启动冲击、发电机并网、热稳定等7