2020年柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用精品版

1、直流輸電技術(shù)課程報(bào)告目柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用學(xué) 院電氣學(xué)院學(xué) 生xxx學(xué) 號(hào)xxx哈爾濱工業(yè)大學(xué)2014年4月3日柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用xxx摘要：柔性直流技術(shù)的出現(xiàn)為城市高壓電網(wǎng)的構(gòu)建及微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)提拱了新的技術(shù)手段 和解決方案， 因此研究柔性直流技術(shù)在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要意義。 本文介紹了城市交 流供電存在的問(wèn)題， 對(duì)城市配電網(wǎng)采用柔性直流輸電方案的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行分析。 在對(duì)柔性直流輸 電的主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上， 對(duì)城市供電系統(tǒng)采用直流輸電的可行性進(jìn)行分析。 最 后給出可行的家庭和辦公直流供電方案。關(guān)鍵詞 ：柔性直流 高壓直流輸電 城市電網(wǎng) 電壓源換流器1.

2、引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 到目前為止， 電力傳輸經(jīng)歷了直流、 交流和交直流混 合輸電三個(gè)階段。 早期的輸電工程是從直流輸電系統(tǒng)開(kāi)始的， 但是由于不能直接 給直流電升壓， 使得輸電距離受到較大的限制， 不能滿足輸送容量增長(zhǎng)和輸電距 離增加的要求。19 世紀(jì) 80年代末發(fā)明了三相交流發(fā)電機(jī)和變壓器， 交流輸電就普遍地代替 了直流輸電，并得到迅速發(fā)展， 逐漸形成現(xiàn)代交流電網(wǎng)的雛形。 大功率換流器的 研究成功， 為高壓直流輸電突破了技術(shù)上的障礙， 因此直流輸電重新受到人們的 重視。直流輸電相比交流輸電在某些方面具有一定優(yōu)勢(shì)， 自從 20世紀(jì) 50 年代聯(lián) 接哥特蘭島與瑞典大陸之間的世界第一條高壓直流輸

3、電 （HVDC ）線路建成以來(lái)， HVDC 在很多工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用， 如遠(yuǎn)距離大功率輸電、 海底電纜輸 電、兩個(gè)交流系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)絡(luò)等等。 目前， 國(guó)內(nèi)已有多個(gè)大區(qū)之間通過(guò)直 流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)： 未來(lái)幾年， 南方電網(wǎng)將建成世界上最大的多饋入直 流系統(tǒng)；東北電網(wǎng)也有多條直流輸電線路正在建設(shè)或納入規(guī)劃。 交直流混合輸電 是現(xiàn)代電網(wǎng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的研究和工程實(shí)踐工作， HVDC 技術(shù)有了較大的提高， 在降低損 耗、控制和保護(hù)技術(shù)等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是 HVDC 在應(yīng)用中，仍然存 在著一些固有的缺陷： 受端網(wǎng)絡(luò)必須是一個(gè)有源系統(tǒng)， 不能向無(wú)源系統(tǒng)供電； 在 向短

4、路容量不足的系統(tǒng)供電時(shí)易發(fā)生換相失??； 換流器本身為一諧波源， 需要配 置專門的濾波裝置， 增加了設(shè)備投資和占地而使費(fèi)用相對(duì)較高； 同時(shí)，運(yùn)行過(guò)程 中吸收較多的無(wú)功功率等。 盡管人們對(duì)傳統(tǒng) HVDC 輸電技術(shù)進(jìn)行了不斷的改進(jìn)， 但這些改進(jìn)措施均不能從根本上解決傳統(tǒng) HVDC 輸電系統(tǒng)的不足。20 世紀(jì) 90年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是具有可關(guān)斷能力的 新型半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 等，這些新型全控型器件取代傳統(tǒng)半控型晶閘管應(yīng)用于 HVDC 中，從而促進(jìn)了 HVDC 輸電技術(shù)的重大變革。 1997 年第一個(gè)采用 IGBT 組成的電壓

5、源型換流器 的柔性直流輸電（ HVDC Flexible ）試驗(yàn)工程在瑞典投入運(yùn)行，標(biāo)志著直流輸電 技術(shù)開(kāi)始了新的發(fā)展。 隨著全控型功率器件的發(fā)展及其性能的不斷改善， 基于電 壓源（VSC、換流技術(shù)的高壓直流輸電（HVDC、的工程應(yīng)用越來(lái)越多。從其技 術(shù)特點(diǎn)和實(shí)際工程的運(yùn)行來(lái)看， 很適合應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)、 分布式發(fā)電并網(wǎng)、 孤島供電、城市電網(wǎng)供電、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域。2. 柔性直流輸電的主要研究?jī)?nèi)容與基于自然換相技術(shù)的電流源型換流器的傳統(tǒng)直流輸電不同， VSC-HVDC 是一種以電壓源換流器、可控關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制 （PWM 技術(shù)）為基礎(chǔ)的新型直 流輸電技術(shù)。 這種輸電技術(shù)能夠瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)

6、有功和無(wú)功的獨(dú)立解耦控制、 能向無(wú)源 網(wǎng)絡(luò)供電、換流站間無(wú)需通訊、且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。另外，該輸電技術(shù)能 同時(shí)向系統(tǒng)提供有功功率和無(wú)功功率的緊急支援， 在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能 力等方面具有優(yōu)勢(shì)。下面詳細(xì)介紹 VSC-HVDC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其基本工作原理。2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1 為柔性直流輸電系統(tǒng)單線原理圖，兩端的換流站均采用 VSC 結(jié)構(gòu)，它 由換流站、換流變壓器、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器等部分組成。下 面就各組成部分的結(jié)構(gòu)和作用作一簡(jiǎn)單介紹。圖1柔性直流輸電單線原理圖電壓源型換流器 VSC :電壓源型換流器的橋臂是由大功率的可控關(guān)斷型電 力電子器件(如IGBT、IGCT)和

7、反并聯(lián)二極管組成。隨著大功率電力電子器件 的發(fā)展，目前IGBT的耐受電壓達(dá)到6.5kV、通斷電流最大達(dá)到3kA，IGCT目 前能承受的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓達(dá)到 6kV，最大可控關(guān)斷電流達(dá) 3-6kA。目前， 擁有柔性直流輸電系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)行實(shí)際工程業(yè)績(jī)的，世界上只有ABB公司。在這些工程中，主要采用三相二電平和三相三電平兩種換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如表1所示)。兩電平換流器是用于輕型直流輸電系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 2(a)所示。它有六個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由IGBT和與之反并聯(lián)的二極管組成。圖2(b) 所示為中點(diǎn)鉗位型三電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在高壓大功率情況下，為提高換流器容量和系統(tǒng)的電壓等級(jí)，每個(gè)橋臂

8、由多個(gè)IGBT及其相并聯(lián)的二極管相互串聯(lián)來(lái) 獲得，其串聯(lián)的個(gè)數(shù)由換流器的額定功率、電壓等級(jí)和電力電子開(kāi)關(guān)器件的通電能力與耐壓強(qiáng)度決定。表1瑞典ABB公司已投運(yùn)的部分柔性直流輸電工程的相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)工程名稱投運(yùn)時(shí) 間換流器拓?fù)溟_(kāi)關(guān)調(diào)制 方式開(kāi)關(guān)頻率可控性電路 復(fù)雜度損耗Gotla ndTjaereborgDirectili nd199920002000兩電平SinusPWM1950非常好低高Hagfors1999三電平SFOPWM1260 1650非常好中中CrossSo undCableMurraryli nk2002三電平3PWMSinusPWM12601350非常好中中低Estli nk2

9、006兩電平Optimum PWM1150很好低低|片C “Ik(a)兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖(b)三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖(c)器件串聯(lián)結(jié)構(gòu)圖圖2典型電壓源型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變壓器T:變壓器可以采用常規(guī)的單相或三相變壓器。通常，為了使換流站 能夠達(dá)到最大的有功功功率和無(wú)功功率，變壓器的二次側(cè)繞組帶有分接頭開(kāi)關(guān)。 通過(guò)調(diào)節(jié)分接頭來(lái)調(diào)節(jié)二次側(cè)的基準(zhǔn)電壓，進(jìn)而獲得最大的有功和無(wú)功輸送能 力。另外，變壓器連接交流系統(tǒng)側(cè)的繞組（一次側(cè)）一般采用星形接法，而靠近 換流器側(cè)的繞組 （二次側(cè)） 則采用三角形接法。 變壓器繞組中基本不含諧波電流 分量和直流電流分量； 而且這種變壓器接法能夠防止由調(diào)制模式引起的零序分量 向交流系

10、統(tǒng)傳遞。 此外，為了向換流站提供輔助交流電源， 變壓器還可以采用三 繞組變壓器。除了上述特點(diǎn)外， 換流變壓器的另一個(gè)重要作用是將系統(tǒng)交流電壓 變換到與換流器直流側(cè)電壓相匹配的二次側(cè)電壓，以確保開(kāi)關(guān)調(diào)制度不至于過(guò) 小，以減小輸出電壓和電流的諧波量，進(jìn)而可以減小交流濾波裝置的容量。換流電抗器 L ：在電壓源換流站中，對(duì)應(yīng)每一相分別安裝一個(gè)換流電抗器。 換流電抗器是電壓源換流站的一個(gè)關(guān)鍵部分，它是 VSC 與交流系統(tǒng)之間傳輸功 率的紐帶，它決定換流器的功率輸送能力、有功功率與無(wú)功功率的控制；同時(shí)， 換流電抗器能抑制換流器輸出的電流和電壓中的開(kāi)關(guān)頻率諧波量， 以獲得期望的 基波電流和基波電壓。另外，換

11、流電抗器還能抑制短路電流。因此，對(duì)換流電抗 器的參數(shù)必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。直流側(cè)電容器C:直流側(cè)電容是VSC的直流側(cè)儲(chǔ)能元件，它可以緩沖橋臂 開(kāi)斷的沖擊電流、減小直流側(cè)的電壓諧波，并為受端站提供電壓支撐。同時(shí)，直 流側(cè)電容的大小決定其抑制直流電壓波動(dòng)的能力，也影響控制器的響應(yīng)性能。交流濾波器: 與基于晶闡管的傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)不同， 電壓源型直流輸電系 統(tǒng)采用 PWM 技術(shù)。因此，換流站在較高的開(kāi)關(guān)頻率下，其輸出的交流電壓和電 流中含有的低次諧波很少， 又由于換流電抗器對(duì)輸出電流具有濾波作用， 使得電 流的諧波能較容易符合標(biāo)準(zhǔn)。 然而， 在沒(méi)有任何濾波裝置的情況下， 輸出的交流 電壓中還含有一定量的

12、高次諧波， 且其總的諧波畸變率并不能達(dá)到相關(guān)的諧波標(biāo) 準(zhǔn)。因此，通常要在換流母線處安裝適當(dāng)數(shù)量的交流濾波器 （接地或不接地 ），其 結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。當(dāng)然，交流濾波器的容量和參數(shù)選擇與換流器所采用的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)、開(kāi)關(guān)頻率及其調(diào)制方式等因素有關(guān)。因此，在選擇交流濾波器參數(shù)時(shí)，要視 上述具體情況而定。CI C777777圖3交流濾波器輸電電纜：為了減少輸電線路故障，在柔性直流輸電系統(tǒng)中通常采用電纜為 輸電線路。由ABB公司研制的輸電電纜是采用新型的三層聚合材料擠壓的單極 性電纜（圖4所示），它由導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層三層同時(shí)擠壓成絕 緣層；中間導(dǎo)體一般為鋁材單芯導(dǎo)體，它不同于傳統(tǒng)紙或者油絕

13、緣電纜， 這種新 型電纜具有高強(qiáng)度、環(huán)保和方便掩埋等特點(diǎn)，適合用于深海等惡劣環(huán)境。另外， 這種新型電纜重量輕、傳輸功率密度大，對(duì)于一對(duì)95mm2的鋁電纜在直流電壓為100kV時(shí)能夠傳輸30MW的功率，其重量為1kg/m,絕緣厚度為5.5mm,可 以方便地掩埋入地中。圖4 ABB公司的直流輸電電纜2.2基本工作原理如前所述，與基于晶閘管的傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)不同， 柔性直流輸電采用電壓源型換流器和PWM技術(shù)，其基本工作原理如圖5和圖6所示。由調(diào)制波與三角 載波比較產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，使 VSC上下橋臂的開(kāi)關(guān)管高頻開(kāi)通和關(guān)斷，則橋臂 中點(diǎn)電壓Uc在兩個(gè)固定電壓+Ud和-Ud之間快速切換，Uc再經(jīng)過(guò)電抗器濾

14、波后則 為網(wǎng)側(cè)的交流電壓Us。±ud .nF1Z/c圖5 VSC單相示意圖+三角載波調(diào)制波圖6 VSC正弦脈寬調(diào)制原理及輸出波形進(jìn)一步分析可知，在假設(shè)換流電抗器無(wú)損耗且忽略諧波分量時(shí)，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：p_UsUcXiUs(Us -Uc cos、)(1)Xi式中：Uc為換流器輸出電壓的基波分量；Us為交流母線電壓基波分量；S 為Uc和Us之間的相角差；Xi為換流電抗器的電抗。由式（1）和式（2）可以得到圖7所示的換流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基波相量圖。 由圖可知，有功功率的傳輸主要取決于無(wú)功功率的傳輸主要取決于 UC。因此通過(guò)對(duì)S的控制就可以控制直流電流的

15、方向及輸送有功功率的大小，通過(guò)控制UC就可以控制VSC發(fā)出或者吸收的無(wú)功功率。從系統(tǒng)角度來(lái)看，VSC可以看成是一個(gè)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)， 幾乎可以瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率 的獨(dú)立調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。圖7 VSC-HVDC換流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基波相量圖3. 城市交流供電與柔性直流輸電的對(duì)比分析隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電力需求日益增加，特別是隨著城市經(jīng)濟(jì)的持續(xù) 發(fā)展和市民生活水平的不斷提高，我國(guó)一些大城市的市區(qū)負(fù)荷密度和人均用電量 增長(zhǎng)尤為迅速，城市電網(wǎng)承受的負(fù)荷壓力越來(lái)越大， 已接近其功率傳輸極限；另 一方面，由于主力電廠多數(shù)分布在城市外圍，高壓架空線引入市區(qū)會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生 嚴(yán)重的影響，與

16、城市建設(shè)、公共福利事業(yè)及旅游業(yè)的矛盾日益突出； 再加上城市 土地資源的限制，跨越電氣化鐵路、高速公路和立交橋的難度越來(lái)越大， 使得新 增架空線輸電走廊的安裝和補(bǔ)償?shù)韧顿Y費(fèi)用越來(lái)越高，甚至出現(xiàn)缺少線路走廊的 尷尬境地。因此，未來(lái)在市區(qū)內(nèi)采用架空輸電線路的可能性越來(lái)越小，必須通過(guò)地下高壓、超高壓輸電線路向市中心高負(fù)荷密度地區(qū)實(shí)施送電，地下輸、變、配 電工程的建設(shè)將逐漸成為今后城市電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。目前向城市供電可以采用的地下供電方式有兩種：交流電纜供電（HVAC）和柔性直流供電方式（ HVDC Flexible ）。3.1 交流電纜供電（ HVAC ）目前向城市供電的地下供電方式大多采用高壓交流

17、電纜供電， 主要設(shè)備包括 交流連接網(wǎng)絡(luò)、變電站、 HVAC 電纜和無(wú)功補(bǔ)償裝置。為提高城市電網(wǎng)的供電可靠性，根據(jù)電纜產(chǎn)品的發(fā)展潮流和國(guó)外的運(yùn)行經(jīng) 驗(yàn)，一般采用固體介質(zhì)電纜，特別是交聯(lián)聚乙烯（簡(jiǎn)稱 XLPE）電纜。目前，230 kV 及以下電壓等級(jí)的 XLPE 電纜已在英、法、日等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛使用，顯 示了優(yōu)良的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能，如損耗小、容性充電電流小、載流量大、重量輕、 安裝簡(jiǎn)便、維護(hù)量小以及耐火、易加裝外冷裝置等。然而，在相同的電壓等級(jí)下， 交流電纜的充電電流比架空線高的多， 較高的 容性充電電流限制了電纜的最大傳輸距離和傳輸容量， 而且交流電纜產(chǎn)生的容性 無(wú)功功率隨著電壓等級(jí)和電纜長(zhǎng)度

18、的增加而增加。 因此，為了增大交流電纜的最 大傳輸距離和傳輸容量必須在電纜的兩端進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。另一方面， 由于電磁感應(yīng)和互感的作用， 使得交流電纜的集膚效應(yīng)對(duì)電纜的 電阻影響很大， 造成包括導(dǎo)體損耗、 金屬套損耗、 磁滯損耗和電介質(zhì)損耗在內(nèi)的 電纜損耗明顯增大，而且由于容性電流的存在大大降低了電纜的載流能力。3.2 柔性直流供電方式（ HVDC Flexible ）與基于自然換相技術(shù)的傳統(tǒng)直流輸電（HVDC CSC）不同，HVDC Flexible 是一種以電壓源換流器、可控關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制（ PWM 技術(shù)）為基礎(chǔ)的新型 直流輸電技術(shù)。 這種輸電技術(shù)能夠瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的獨(dú)立解耦控制、 能

19、向無(wú) 源網(wǎng)絡(luò)供電、換流站間無(wú)需通訊、且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。另外，該輸電技術(shù) 能同時(shí)向系統(tǒng)提供有功功率和無(wú)功功率的緊急支援， 在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電 能力等方面具有優(yōu)勢(shì)。柔性直流供電（HVDC Flexible ）的主要元件35包括：換流器：主要完成交流 /直流和直流 /交流的變換，由基于 GTO、 IGBT 等全 控元件的閥橋和帶負(fù)載調(diào)節(jié)分接頭的變壓器組成。 換流變壓器的主要作用是通過(guò) 調(diào)節(jié)分接頭來(lái)調(diào)節(jié)二次側(cè)的基準(zhǔn)電壓， 進(jìn)而獲得最大的有功和無(wú)功輸送能力。 換 流變壓器的另一個(gè)重要作用是將系統(tǒng)交流電壓變換到與換流器直流側(cè)電壓相匹 配的二次側(cè)電壓， 以確保開(kāi)關(guān)調(diào)制度不至于過(guò)小， 以減小輸出電

20、壓和電流的諧波 量，進(jìn)而可以減小交流濾波裝置的容量。換流電抗器： 在電壓源換流站中， 對(duì)應(yīng)每一相分別安裝一個(gè)換流電抗器。 它 是電壓源換流站的一個(gè)關(guān)鍵部分，是 VSC 與交流系統(tǒng)之間傳輸功率的紐帶，決 定換流器的功率輸送能力、 有功功率與無(wú)功功率的控制； 同時(shí)， 換流電抗器能抑 制換流器輸出的電流和電壓中的開(kāi)關(guān)頻率諧波量， 以獲得期望的基波電流和基波 電壓。另外，換流電抗器還能抑制短路電流。直流側(cè)電容器：直流側(cè)電容是 VSC 的直流側(cè)儲(chǔ)能元件，它可以緩沖橋臂開(kāi) 斷的沖擊電流、減小直流側(cè)的電壓諧波，并為受端站提供電壓支撐。同時(shí)，直流 側(cè)電容的大小決定其抑制直流電壓波動(dòng)的能力，也影響控制器的響應(yīng)性

21、能。交流濾波器： 與基于晶闡管的傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)不同， 電壓源型直流輸電系 統(tǒng)采用 PWM 技術(shù)。因此，換流站在較高的開(kāi)關(guān)頻率下，其輸出的交流電壓和電 流中含有的低次諧波很少， 又由于換流電抗器對(duì)輸出電流具有濾波作用， 使得電 流的諧波能較容易符合標(biāo)準(zhǔn)。 然而， 在沒(méi)有任何濾波裝置的情況下， 輸出的交流 電壓中還含有一定量的高次諧波， 且其總的諧波畸變率并不能達(dá)到相關(guān)的諧波標(biāo) 準(zhǔn)。因此，通常要在換流母線處安裝適當(dāng)數(shù)量的交流濾波器（接地或不接地） 。直流電纜：構(gòu)成回路進(jìn)行有功功率傳送。由 ABB 公司研制的輸電電纜是采 用新型的三層聚合材料擠壓的單極性電纜， 它由導(dǎo)體屏蔽層、 絕緣層、 絕緣屏蔽

22、 層三層同時(shí)擠壓成絕緣層； 中間導(dǎo)體一般為鋁材單芯導(dǎo)體， 它不同于傳統(tǒng)紙或者 油絕緣電纜， 這種新型電纜具有高強(qiáng)度、 環(huán)保和方便掩埋等特點(diǎn)， 適合用于深海 等惡劣環(huán)境。另外，這種新型電纜重量輕、傳輸功率密度大，對(duì)于一對(duì) 95mm2 的鋁電纜在直流電壓為100kV時(shí)能夠傳輸30MW的功率，其重量為1kg/m，絕 緣厚度為5.5mm，可以方便地掩埋入地中。柔性直流供電的主要缺點(diǎn)是造價(jià)高和換流器損耗大。3.3 兩種供電方式比較表2列出了交流輸電、傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電技術(shù)的比較。表2集中輸電技術(shù)的比較交流輸電柔性直流輸電結(jié)構(gòu)組成1電力變壓器2交流線路或電纜3無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備1. 換流變壓器或僅需換流

23、電抗器2. 小型濾波器3. 直流電容支撐及濾波4. 直流電纜入地，環(huán)境友好應(yīng)用場(chǎng)合廣泛應(yīng)用于輸配電中小容量，經(jīng)濟(jì)容量已擴(kuò)展到幾十到幾百兆瓦：1. 遠(yuǎn)距離無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電，如島嶼，鉆井平 臺(tái)2. 電纜距離超過(guò) 50-100km，或功率大3. 分布式電源和風(fēng)力發(fā)電接入4. 城市供電系統(tǒng)增容5. 交流系統(tǒng)非同步互聯(lián)對(duì)系統(tǒng)的影響增加短路容量不增加短路容量和短路比，可以提高系 統(tǒng)穩(wěn)定性當(dāng)前 換流 器功 率極1200MW，士 320kV （電纜）交流輸電柔性直流輸電限技術(shù)優(yōu)點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，可靠，成本較低。1. 模塊化，體積小，可搬遷，模塊化的設(shè) 計(jì)使HVDC Light的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和 調(diào)試周期大為縮短。換流

24、站的主要設(shè)備 能夠先期在工廠中組裝完畢，并預(yù)先做 完各種試驗(yàn)。換流站的設(shè)計(jì)非常緊湊且占地面積很小。一個(gè)65MVA的換流站僅 占800m2。一個(gè)250MVA的換流站將占 地3000m2。占地面積僅為同等容量下傳 統(tǒng)直流輸電換流站的 20%2. 潮流反轉(zhuǎn)時(shí)直流電流方向反轉(zhuǎn)，而直流 電壓極性不變，易于實(shí)現(xiàn)多端直流網(wǎng)絡(luò)3. 不僅不需要交流側(cè)提供無(wú)功功率而且能夠起到STATCOM的作用。因此，在 交流系統(tǒng)故障時(shí)，HVDC Light可同時(shí)向 系統(tǒng)提供有功和無(wú)功支援，從而提高系 統(tǒng)功角和電壓的穩(wěn)定性4. 送端與受端可不通信5交流側(cè)電流可以被控制， 所以不會(huì)增加 系統(tǒng)的短路功率。交流系統(tǒng)的保護(hù)整定 基本不需

25、改變運(yùn)行與控制采用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電力潮流措施，如機(jī) 械控制的移相器、帶負(fù)荷調(diào)變壓器抽 頭、開(kāi)關(guān)投切電容和電感、固定串聯(lián) 補(bǔ)償裝置等，只能實(shí)現(xiàn)部分穩(wěn)態(tài)潮流HvDCLight可在很短的時(shí)間調(diào)節(jié)逆變器 輸出電壓的相角與幅值，進(jìn)而可以對(duì)有 功和無(wú)功功率進(jìn)行單獨(dú)地、迅速地調(diào)整， 冋時(shí)還可以做到對(duì)交流系統(tǒng)頻率與電壓交流輸電柔性直流輸電的調(diào)節(jié)功能，而且，由于機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，響應(yīng)慢的控制。存在高頻諧波，易于濾除有功潮流控制可連續(xù)從0至士 1倍額定功率調(diào)節(jié)無(wú)功 補(bǔ)償 及控 制通過(guò)換流器內(nèi)部PWM連續(xù)無(wú)功控制能否有功 無(wú)功 獨(dú)立 控制是典型損耗4-6%注：“ '表示本項(xiàng)未參加比較4. 城市供電系統(tǒng)米用直流

26、輸電的可行性分析4.1城市電網(wǎng)存在的問(wèn)題由于城市電網(wǎng)的用電負(fù)荷增長(zhǎng)十分迅猛，而城市負(fù)荷中心主力電廠建設(shè)不 足，大量的電能需要由500kV和220kV線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，導(dǎo)致城市電網(wǎng)供 電能力不足、供電可靠性差、短路電流過(guò)大、電壓支撐較弱等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重 威脅著城市電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。1供電能力不足且供電可靠性差隨著我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及城市用地面積的擴(kuò)大， 城市用電量和負(fù)荷增 長(zhǎng)迅速，并且中心城區(qū)的負(fù)荷密度逐年增大， 現(xiàn)有的供電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)越來(lái)越不能適 應(yīng)城市負(fù)荷發(fā)展的要求。城市用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)給城市電網(wǎng)帶來(lái)了巨大壓力， 使得城市內(nèi)的變電站和電力線路等設(shè)備負(fù)載率偏高， 甚至曾出現(xiàn)過(guò)滿負(fù)荷或過(guò)

27、負(fù) 荷情況，這不但對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行不利，也無(wú)法滿足用電負(fù)荷繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)， 更加限制了城市電網(wǎng)的供電容量和供電可靠性。2. 城市電網(wǎng)短路電流過(guò)大隨著城市負(fù)荷以及負(fù)荷密度不斷增大， 城市電網(wǎng)發(fā)展迅速， 省會(huì)城市和沿海 大城市已經(jīng)基本建成了 500kV 和 220 kV 的超高壓外環(huán)網(wǎng)或 C 形網(wǎng)， 110220kV 高壓變電所已經(jīng)廣泛深入市區(qū)負(fù)荷中心， 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展完善， 電網(wǎng)聯(lián)系緊密， 在增強(qiáng)城市電網(wǎng)供電能力、 提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平的同時(shí)， 但同時(shí)又造成系統(tǒng) 阻抗不斷下降， 各級(jí)電壓的短路電流逐年增大， 短路電流水平越來(lái)越高， 不少城 網(wǎng)已出現(xiàn)短路容量超過(guò) 城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則 中短路

28、容量的限制， 甚至超 過(guò)了斷路器的開(kāi)斷能力。比如，目前北京、上海、廣州等大城市的某些 500kV 和220kV變電站短路電流水平已經(jīng)超過(guò) 50kA，甚至有的已超過(guò)63kA，而且隨 著城市負(fù)荷的進(jìn)一步增長(zhǎng)， 更會(huì)加劇短路電流超標(biāo)問(wèn)題， 因此，短路電流超標(biāo)問(wèn) 題不僅制約了城市電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性，而且對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了極大的威 脅。3. 城市負(fù)荷中心缺乏足夠的電壓支撐隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展， 電力需求保持著強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭， 特別是城 市負(fù)荷需求增長(zhǎng)更加迅猛。但是，在城市負(fù)荷中心因受土地資源、水資源、輸電 走廊、環(huán)境保護(hù)和高額投資等因素， 限制了建立新電源的可能性， 造成了大功率 遠(yuǎn)距離、跨越大

29、功角、 大電壓降落輸電的現(xiàn)狀， 再加上電力市場(chǎng)下的新的系統(tǒng)運(yùn) 行方式，未來(lái)的系統(tǒng)不得不在接近其物理極限下運(yùn)行。近年來(lái)在城市電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用帶負(fù)荷調(diào)分頭變壓器 ( On-Load Tap Changing， OLTC)及并聯(lián)電容器等也帶來(lái)嚴(yán)重的電壓穩(wěn)定性隱患。OLTC在系統(tǒng)低電壓時(shí)的負(fù)調(diào)壓作用或連續(xù)調(diào)節(jié)是電壓失穩(wěn)的主要原因之一，低電壓時(shí)， OLTC 動(dòng)作使 次級(jí)電壓升高，初級(jí)電壓下降；OLTC的連續(xù)動(dòng)作，引起初級(jí)電壓的不斷下降， 可能導(dǎo)致電壓失穩(wěn)或崩潰；并聯(lián)電容器容許其附近發(fā)電機(jī)接近單位功率因數(shù)運(yùn) 行，以使發(fā)電機(jī)具有最大的快速作用的無(wú)功儲(chǔ)備，但是，在電壓緊急情況下，并 精選文檔聯(lián)電容器不象串聯(lián)電容

30、器那樣具有自調(diào)節(jié)能力，它的無(wú)功出力隨電壓的平方下 降。不良的負(fù)荷特性也是可能造成電壓不穩(wěn)定 /崩潰的重大隱患，特別是在溫控 負(fù)荷很重的地區(qū)。以北京電網(wǎng)為例， 2006 年夏季北京地區(qū)空調(diào)負(fù)荷估計(jì)在 3650MW 左右，約為其最大負(fù)荷的 40%左右，空調(diào)負(fù)荷的特性非常不利于電壓 穩(wěn)定。日本東京電網(wǎng) 1987年7月23日損失負(fù)荷 8168MW 的電壓失穩(wěn)事故，就 與大量空調(diào)設(shè)備在低電壓時(shí)吸收更多電流 （特別是無(wú)功電流） 的負(fù)荷特性密切相 關(guān)。由于電源遠(yuǎn)離城市負(fù)荷中心， 負(fù)荷中心電源支撐弱、 無(wú)功電壓支撐能力不足， 所以當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)， 城市電網(wǎng)非常容易失去同步穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定。 若此時(shí)沒(méi) 有采取必

31、要的和強(qiáng)制性措施， 來(lái)維持城市電網(wǎng)一定的電壓水平， 勢(shì)必造成電壓崩 潰使系統(tǒng)失去穩(wěn)定運(yùn)行，從而發(fā)生大面積停電事故。4. 缺乏靈活的調(diào)節(jié)手段且抗擾動(dòng)能力差由于交流系統(tǒng)的潮流分布取決于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、 發(fā)電機(jī)與負(fù)荷的運(yùn)行方式， 雖然 利用傳統(tǒng)的潮流調(diào)節(jié)手段和通過(guò)調(diào)度員的合理調(diào)度可以達(dá)到調(diào)節(jié)潮流目的， 但是 遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求， 使得目前城市電網(wǎng)的可控性依然 較差，容易出現(xiàn)功率分布和走向不當(dāng)， 從而引起以下幾方面的問(wèn)題： 部分線路和 設(shè)備過(guò)載， 部分線路和設(shè)備輕載， 并且容易引發(fā)穩(wěn)定性問(wèn)題； 系統(tǒng)的有功功率損 耗增加，系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性較差；容易形成 “功率繞送”或“功率倒流 ”；系統(tǒng)

32、功率 分布不當(dāng)， 導(dǎo)致電壓質(zhì)量不滿足要求； 導(dǎo)致局部地方的短路水平過(guò)高， 威脅電力 系統(tǒng)的安全運(yùn)行。由于目前城市電網(wǎng)缺乏有效的調(diào)節(jié)和控制手段，導(dǎo)致系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力較 差，特別是在局部故障情況下， 調(diào)節(jié)控制手段缺乏極易引起骨牌效應(yīng)的連鎖故障， 無(wú)法控制事故的范圍從而導(dǎo)致大面積停電事故。因此，需要增強(qiáng)系統(tǒng)的可控性， 以隔離故障限制事故擴(kuò)大避免連鎖故障，提高系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的能力。對(duì)于這些傳統(tǒng)電力系統(tǒng)難以解決的問(wèn)題， 需要新的控制手段和控制設(shè)備， 大 幅度提高城市電網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制能力， 來(lái)減少無(wú)功潮流和避免環(huán)流以優(yōu)化系統(tǒng)潮流 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行， 并且提高系統(tǒng)抵御各種擾動(dòng)的能力以維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定 運(yùn)

33、行。4.2 柔性直流輸電對(duì)城市電網(wǎng)的作用由于柔性直流輸電能夠瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的獨(dú)立解耦控制、 結(jié)構(gòu)緊湊、 占 地面積小、 且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。 另外，該輸電技術(shù)能同時(shí)向系統(tǒng)提供有功 功率和無(wú)功功率的緊急支援，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力等方面具有優(yōu)勢(shì)。 利用這些特點(diǎn)不僅可以解決目前城市電網(wǎng)存在的問(wèn)題， 而且可以滿足未來(lái)城市電 網(wǎng)的發(fā)展要求，改善電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 增強(qiáng)城市電網(wǎng)的供電能力，滿足城市日益增長(zhǎng)的負(fù)荷需求柔性直流輸電采用新型的交聯(lián)聚乙烯（ XLPE ）擠壓聚合物直流電纜，不僅 占用空間小、輸電能力強(qiáng)，而且可以安裝在現(xiàn)有的交流電纜管內(nèi)或線路走廊內(nèi)，

34、 這樣可以充分利用輸電走廊，增強(qiáng)城市電網(wǎng)的供電能力，滿足城市的負(fù)荷需求。2. 為城市負(fù)荷中心提供必要的無(wú)功支撐，克服電壓穩(wěn)定性所構(gòu)成的限制柔性直流輸電可以實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功地獨(dú)立快速控制， 在對(duì)其輸送的有功功率 行快速、 靈活控制的同時(shí)， 還能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無(wú)功功率， 穩(wěn)定交流母線 的電壓，起到 STATCOM 的作用。這個(gè)特點(diǎn)不僅可以有效緩解城市中心區(qū)域大量 的地下交流電纜以及空調(diào)負(fù)荷比例的日益增大造成的無(wú)功缺乏問(wèn)題， 而且可以為 城市負(fù)荷中心提供必要的無(wú)功支撐，維持城市電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。3. 提高城市電網(wǎng)的可控性和安全可靠性柔性直流輸電具有快速多目標(biāo)控制能力， 可以實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)潮流的

35、優(yōu)化調(diào) 節(jié)、故障時(shí)交流系統(tǒng)之間的快速緊急支援和隔離故障限制事故擴(kuò)大避免連鎖故 障，增強(qiáng)系統(tǒng)的可控性和抗擾動(dòng)能力， 達(dá)到提高其穩(wěn)定性、 運(yùn)行可靠性和不增加 短路容量、改善電能質(zhì)量的目的。4. 增強(qiáng)城市電網(wǎng)建設(shè)的可實(shí)施性，節(jié)省電力建設(shè)成本柔性直流輸電結(jié)構(gòu)緊湊、 占用空間小， 模塊化的設(shè)計(jì)使 HVDCLight 的設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大為縮短，而且采用新型的交聯(lián)聚乙烯（ XLPE ）擠壓聚 合物直流電纜不僅安裝容易、快速，而且機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性好、重量輕，更重要 的是無(wú)油、 電磁輻射和無(wú)線電干擾小， 利于實(shí)現(xiàn)與市政設(shè)施和環(huán)境的協(xié)調(diào)， 這樣 不僅增強(qiáng)城市電網(wǎng)建設(shè)的可實(shí)施性，而且可以節(jié)省征地、賠償

36、等電力建設(shè)成本。5. 滿足電力市場(chǎng)要求，方便新能源接入柔性直流輸電的快速靈活的有功無(wú)功的控制能力， 可以實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)運(yùn)作的要求，即靈活控制潮流的能力，提供無(wú)功支撐等輔助服務(wù)，最大限度地滿足電源 與用戶之間輸送能力的要求。柔性直流輸電可以在PQ平面內(nèi)四個(gè)象限運(yùn)行，可以瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú) 功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送功率的控制，而且改善所連接換流站的 電壓和頻率，方便新能源的接入和增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。5. 家庭和辦公直流供電方案由于現(xiàn)有許多家電的內(nèi)部實(shí)際上是配備的整流電源， 將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為 直流后驅(qū)動(dòng)功能部件運(yùn)行的。電磁爐、微波爐、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等電器產(chǎn)品，本 身就是這類廣義的直流

37、家電；傳統(tǒng)的電動(dòng)家電產(chǎn)品，如洗衣機(jī)、電冰箱和空調(diào)等, 目前采用直流調(diào)速方式已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。 顯然，這類產(chǎn)品也屬于廣義的直流家 電產(chǎn)品。若以直流電作為這類廣義的直流家電產(chǎn)品的輸入電力，從住宅供電到家電用電的全過(guò)程，電能自始至終都是保持直流狀態(tài)，從而減少由于電能轉(zhuǎn)換過(guò)程 造成的電能損耗。家庭直流供電有兩種可行的方案。方案一如圖8所示。交詭22()、單戶家庭 直漉和圖8直流供電方案一保留原交流電網(wǎng)不變，只在每個(gè)用戶的輸入端安裝AC/DC變換器，將原來(lái)的交流電變換成直流電，然后接入原來(lái)的室內(nèi)配電線路。這種方案是一個(gè)高效大 功率的AC/DC變換電路。這種方案簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但猶豫線路短，直流供電的 優(yōu)點(diǎn)

38、不太明顯。方案二如圖所示。電力條址妣電廠i換淡站號(hào)11±DC/IK降圧粗闆壓直詭U3onyi圖9 直流供電方案二這種方案實(shí)際上是整個(gè)電網(wǎng)的改變， 能充分體現(xiàn)直流輸電的優(yōu)點(diǎn)。 在傳統(tǒng)理 論中，直流輸電的優(yōu)點(diǎn)是在長(zhǎng)距離輸電中體現(xiàn)的， 而架空輸電線路的等價(jià)距離為 400Km-700Km 之間，電聯(lián)輸電線路的等價(jià)距離在 25Km-50Km 之間，因此從二 級(jí)變電站、 末級(jí)配電站到用戶之間用直流輸電是不經(jīng)濟(jì)的。 但近幾年來(lái)直流輸電 技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展成熟， 特別是輕型直流輸電系統(tǒng)的發(fā)明， 逐步打破了傳統(tǒng)等價(jià)距 離的限制。綜合以上分析可以看出，采用方案二更科學(xué)合理。6. 結(jié)束語(yǔ)隨著電力電子器件、 計(jì)

39、算機(jī)控制等技術(shù)的不斷發(fā)展， 柔性直流輸電的輸送容 量、電壓等級(jí)將不斷提高， 而系統(tǒng)損耗和成本將不斷下降， 加上國(guó)外現(xiàn)有實(shí)際工 程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及能源戰(zhàn)略和能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和完善， 柔性直流輸電必將在 可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電、交流電網(wǎng)互聯(lián)等 應(yīng)用領(lǐng)域得到更快的發(fā)展。加快發(fā)展柔性直流輸電的基礎(chǔ)理論研究和工程實(shí)踐， 提高我國(guó)電網(wǎng)的整體科技含量， 形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)， 走出一條中 國(guó)特色的電力發(fā)展之路， 符合中國(guó)國(guó)情和中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律， 符合市場(chǎng)需求， 符 合電力工業(yè)發(fā)展規(guī)律和電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)1 CIGRE B4-37 Working Group

40、DC Transmission Using Voltage Sourced Converters R Paris， France: International Council on Large Electric Systems， 20042 ABB AB Grid Systems - HVDC It ' s time to conne-cTt echnical description of HVDC Light technologyR Ludvika, Sweden: ABB AB Grid Systems - HVDC ，20073 湯廣福，賀之淵，騰樂(lè)天，等電壓源型換流器高壓直流輸

41、電技術(shù)最新研究 進(jìn)展J 電網(wǎng)技術(shù)，2008, 32(22) : 39-44.4 Flourentzou N， Agelidis V G， Demetriades G DVSC-based HVDC power transmission systems an overviewJ. IEEE Transactions on Power Electronics， 2009， 24 (3): 592-602.5 Wang Shanshan， Tang Guangfu， and He Zhiyuan. Comprehensive Evaluation ofVSC-HVDC Transmission Ba

42、sed on Improved Analytic Hierarchy ProcessC/Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies. Nanjing ， China: Institute of Electrical and Electronics Engineers，2008: 2207-22116 L.A.S. Pilotto, A. Bianco, M. Aredes, E.H. Watanabe, W.F. Long. Back-To-Back VSC Devices: A New Solu

43、tion for the Interconnection of Asynchronous AC SystemsC/CIGRE Session 14-203Paris，F(xiàn)rance: International Council on Large Electric Systems，2000.7 Stefan G Johansson,Gunnar Asplund, Erik Jansson,Roberto Rudervall. Power System Stability Benefits with VSC DC-Transmission SystemsC/CIGRE Session B4-204Paris，F(xiàn)rance: International Council on Large Electric Systems， 2004.8 Mats Hyttinen, Jan - Olof Lamell, Tom F Nestli. New 即plication of voltagesource converter (VSC) HVDC to be installed on the gas platform Troll AC/CIGRE Session B4-210Paris，F(xiàn)rance: International Council on Large Electric