基于雙極管的輕型hvdc技術(shù)綜述

基于雙極管的輕型hvdc技術(shù)綜述

0輕型化hvdc技術(shù)自1954年世界上第一條高壓直流電壓供電（hvdc）線引入商業(yè)運營以來，hvdc作為一項尚未開發(fā)的非同步關(guān)聯(lián)技術(shù)，在遙遠的大規(guī)模能源供電、海上公路運輸以及兩個通信系統(tǒng)之間的非同步連接方面取得了廣泛應(yīng)用。然而,由于技術(shù)和經(jīng)濟的原因,HVDC在近距離小容量的輸電場合卻難以應(yīng)用。隨著電力半導(dǎo)體技術(shù)尤其是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的快速發(fā)展,促進了HVDC的輕型化。現(xiàn)在,以電壓源換流器(VSC)和IGBT為基礎(chǔ)的輕型高壓直流輸電(HVDClight),把HVDC的容量延伸到了只有幾MW到幾十MW。這種小功率的輕型HVDC系統(tǒng)有很好的應(yīng)用前景。輕型HVDC除具有常規(guī)HVDC的優(yōu)點外,還可直接向小型孤立的遠距離負荷供電,更經(jīng)濟地向市中心送電,方便地連接分散電源,運行控制方式靈活多變,可減少輸電線路電壓降落和電壓閃變,從而進一步提高電能質(zhì)量。由于輕型HVDC技術(shù)才剛剛起步,許多基礎(chǔ)理論和相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)問題尚需要深入探討。本文在簡要介紹輕型HVDC原理的基礎(chǔ)上,分析了輕型HVDC的技術(shù)特點,比較了輕型HVDC與傳統(tǒng)HVDC之間的區(qū)別,介紹了國外的一些工程應(yīng)用以及我國的研究現(xiàn)狀,并指出目前的主要研究領(lǐng)域,展望了其發(fā)展前景。1hvdc的基本原則和技術(shù)特點1.1交流濾波器和換流電抗器輕型HVDC是在IGBT和VSC基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其基本原理如圖1所示。設(shè)送端和受端換流器均采用VSC,則兩個換流器具有相同的結(jié)構(gòu)。換流器由換流橋、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器組成。換流橋每個橋臂均由多個IGBT串聯(lián)而成。換流電抗器是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶,同時也起到濾波的作用。直流電容器的作用是為逆變器提供電壓支撐、緩沖橋臂關(guān)斷時的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波。交流濾波器的作用是濾除交流側(cè)諧波。另外,輕型HVDC的傳輸線路一般采用地下電纜,對周圍環(huán)境沒有什么影響。假設(shè)換流電抗器是無損耗的,忽略諧波分量時,換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無功功率Q分別為:P=USUCX1sinδ(1)Ρ=USUCX1sinδ(1)Q=US(US?UCcosδ)X1(2)Q=US(US-UCcosδ)X1(2)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;δ為U˙CU˙C和U˙SU˙S之間的相角差;X1為換流電抗器的電抗?？梢钥闯?有功功率的傳輸主要取決于δ,無功功率的傳輸主要取決于UC。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。因此,通過對δ的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小,通過控制UC就可以控制VSC發(fā)出或吸收無功功率及其大小。1.1.1工業(yè)驅(qū)動領(lǐng)域HVDC最初是從工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)中的整流技術(shù)發(fā)展起來的。在HVDC中通常使用的換相換流器(PCC)在工業(yè)驅(qū)動領(lǐng)域幾乎全部已被VSC代替。這兩種技術(shù)之間的主要區(qū)別在于:VSC需要有源元件,可以切斷電流,而不像PCC那樣只能接通電流。由于VSC能切斷電流,不需要從所連接的交流電網(wǎng)獲取有源換相電壓,就使得輕型HVDC可以連接“無源”網(wǎng)絡(luò),即在電網(wǎng)中可以沒有旋轉(zhuǎn)電機,或者旋轉(zhuǎn)電機的短路容量可以很小。1.1.2換相晶閘管功率與約束IGBT是一種可以自關(guān)斷的半導(dǎo)體元件,只需要用很小的功率進行控制。與用于控制換相晶閘管的功率相比較,其功率只需要用緩沖器電路提供,這就使串聯(lián)成為可能,甚至在kHz級換相頻率范圍內(nèi)都具有很好的電壓分布。IGBT技術(shù)發(fā)展很快,其額定電壓已經(jīng)達到2.5kV,而且有望實現(xiàn)更高的額定電壓。1.1.3gm的運行過程應(yīng)用IGBT實現(xiàn)了從PCC技術(shù)到VSC+PWM的技術(shù)轉(zhuǎn)換。輕型HVDC采用了PWM控制方式。應(yīng)用PWM技術(shù),在一定限度內(nèi)可以通過改變PWM型式獲得任意相角與幅值,這一過程幾乎是瞬間完成的。由于PWM允許單獨控制有功功率和無功功率,使得VSC非常接近于理想的輸電網(wǎng)中的一個分支。從系統(tǒng)角度來看,它可以看成是一個無轉(zhuǎn)動慣量的電動機或發(fā)電機,幾乎能夠瞬時控制有功功率和無功功率。因為交流電流也是可以控制的,故換流器不會影響短路容量。1.1.4處理器的設(shè)計特點輕型HVDC的一個主要優(yōu)點就是它具有強大的控制能力。輕型HVDC的工作站根據(jù)控制和保護的要求配備先進的微處理器系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過PWM部分控制直流電壓、電流或功率,有時也通過變壓器分接頭進行調(diào)節(jié)。例如由ABB公司開發(fā)研制的MACH2TM全數(shù)字型控制和保護系統(tǒng),把換流站所有的控制、監(jiān)測和保護功能都集中在一塊集成電路上,并由相應(yīng)的軟件對其進行控制。1.1.5導(dǎo)電材料的選用輕型HVDC傳輸電纜的表面是由壓縮型聚合物做成的絕緣材料,由三芯絞線的屏蔽物和絕緣屏蔽物壓縮在一起構(gòu)成。導(dǎo)體材料為70mm2~1200mm2的鋁導(dǎo)線,由銅材料作為屏蔽物,其直流電壓可以達到±150kV,電流一般限制在1200A以內(nèi)。與傳統(tǒng)的HVDC相比,用于輕型HVDC的傳輸電纜可以用地下電纜而沒有必要用架空線,對周圍環(huán)境沒有什么影響,這使得輕型HVDC工程在審批上較傳統(tǒng)的HVDC有很大的優(yōu)勢。1.2交流側(cè)提供無功功率a.VSC電流能夠自關(guān)斷,可以工作在無源逆變方式,不需要外加的換向電壓,從而克服了傳統(tǒng)HVDC受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷,使利用HVDC為遠距離的孤立負荷送電成為可能。b.正常運行時VSC可以同時且獨立控制有功和無功,控制更加靈活方便。c.VSC不僅不需要交流側(cè)提供無功功率,而且能夠起到STATCOM的作用,即動態(tài)補償交流母線無功功率,穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著如果VSC容量允許,故障時輕型HVDC系統(tǒng)既可以向故障區(qū)域提供有功功率的緊急支援,又可以提供無功功率的緊急支援,從而提高系統(tǒng)的電壓和功角穩(wěn)定性。d.潮流反轉(zhuǎn)時直流電流方向反轉(zhuǎn),而直流電壓極性不變,與傳統(tǒng)的HVDC恰好相反。這個特點有利于構(gòu)成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的并聯(lián)多端直流系統(tǒng)。e.由于VSC交流側(cè)電流可以控制,所以不會增加系統(tǒng)的短路容量。這意味著增加新的輕型HVDC線路后,交流系統(tǒng)的保護整定無須改變。f.VSC通常采用SPWM技術(shù),開關(guān)頻率相對較高,經(jīng)過低通濾波后就可得到所需交流電壓,可以不用變壓器,所需濾波裝置的容量也大大減小。g.多個VSC可以接到一個固定極性的直流母線上,易于構(gòu)成與交流系統(tǒng)具有相同拓撲結(jié)構(gòu)的多端直流系統(tǒng),運行控制方式靈活多變。2傳統(tǒng)hvdc的特點a.功率范圍:傳統(tǒng)HVDC主要運行于較大的功率范圍,約在250MW以上;而輕型HVDC輸送的功率可以從幾MW到幾百MW,直流電壓可達到±150kV。b.模型組件:輕型HVDC是以一套具有若干標準規(guī)格的換流站模塊為基礎(chǔ),大多數(shù)設(shè)備在制造廠家就已被封裝起來;而傳統(tǒng)HVDC往往是根據(jù)系統(tǒng)運行的需要以及某些特殊的用途而設(shè)計和裝配的。c.換流電路:輕型HVDC的換流站通過VSC控制IGBT和二極管的通斷,因此,電路的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)HVDC有很大的區(qū)別,其主要指標的比較如表1所示。此外,輕型HVDC的換流電路是自然雙極性,直流電流沒有接地,因此需要兩根導(dǎo)線;而傳統(tǒng)HVDC直流電流接地,可以用單根傳輸線。d.運行的獨立性:輕型HVDC不依賴于交流系統(tǒng)去維持電壓和頻率的穩(wěn)定,與傳統(tǒng)HVDC相比,短路容量并不重要;輕型HVDC可以給無源網(wǎng)絡(luò)直接供電,而傳統(tǒng)HVDC在受端電網(wǎng)中必須有旋轉(zhuǎn)電機。e.對功率的控制:傳統(tǒng)HVDC可以通過濾波器和串聯(lián)電抗器的通斷以及在某種程度上對觸發(fā)角的控制來達到對功率的控制,但是這種控制需要額外的設(shè)備和額外的損耗;輕型HVDC則可以在很短的時間內(nèi)形成任意的相角或幅值,這對于獨立地控制有功和無功提供了可能性。3國外小型hvdc的應(yīng)用和發(fā)展3.1輕電和壓電技術(shù)從1997年瑞典的赫爾斯揚(Hellsjon)工程試驗成功,到現(xiàn)在已經(jīng)有4條輕型HVDC線路相繼投入商業(yè)運行。各工程的具體技術(shù)參數(shù)見表2。Hellsjon工程是世界上第1個以VSC為基礎(chǔ)的輕型HVDC工業(yè)試驗工程,用于連接現(xiàn)有10kV交流電網(wǎng)中的不同部分。該工程采用瑞典中部Hellsjon與格蘭斯堡之間一條長10km的50kV交流輸電線路。自工程投運以來,已經(jīng)完成了復(fù)雜的試驗計劃,輸電穩(wěn)定,換流器能夠滿足關(guān)于噪聲水平、諧波畸變、電話干擾和電磁場等方面的技術(shù)要求。1999年6月,瑞典哥特蘭島(Gotland)輕型HVDC工程投入運行。這是世界上第1個商業(yè)化運行的輕型HVDC系統(tǒng)。該系統(tǒng)為充分開發(fā)、利用當(dāng)?shù)刎S富的風(fēng)力資源提供了技術(shù)支持,解決了風(fēng)力發(fā)電所帶來的電能質(zhì)量問題(電壓和無功支撐),而且以地下電纜傳輸電能,對環(huán)境的影響相對較小。1999年底,在澳大利亞建成投運的Directlink輕型HVDC系統(tǒng)首次將新南威爾士(NewSouthWales)電網(wǎng)和昆士蘭州(Queensland)電網(wǎng)聯(lián)接起來,并在兩個電網(wǎng)之間進行電能交易。傳輸?shù)碾娔芨鶕?jù)NEMMCO(NationalElectricityMarketManagementCompanyLimited)市場的價格決定,因此在傳輸線上的功率有時每5min就要改變一次。2000年8月,在丹麥修建的第1個輕型HVDC示范工程——Tjaereborg工程正式投運,這也是輕型HVDC用于風(fēng)力發(fā)電的又一成功范例。2000年9月,由EPRI,AEP和ABB聯(lián)合在美國的伊格帕斯(EaglePass)建設(shè)了世界上第1個采用輕型HVDC技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)背靠背互聯(lián)的工程。該工程增加了向EaglePass的輸電能力,解決了EaglePass電網(wǎng)的電壓支撐問題,同時也解決了美國電網(wǎng)與墨西哥電網(wǎng)之間電能交換容量的限制問題。該工程的最大可傳輸功率為36MW,或以STATCOM方式運行,為兩端電網(wǎng)提供36Mvar的無功補償容量。3.2不同的試驗工程目前有兩個輕型HVDC工程正在建設(shè)之中,它們分別是位于美國的CrossSoundCable工程和澳大利亞的Murraylink工程。其主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。4對我國輕hvdc系統(tǒng)數(shù)字仿真的建議我國電力科技工作者一直關(guān)注輕型HVDC技術(shù)的發(fā)展,并開展了一些初步的研究工作。該技術(shù)的優(yōu)勢也已引起一些應(yīng)用單位的注意,正考慮在實際輸配電工程中予以采用。但總體上說,該項研究在我國基本處于空白。盡快提高該技術(shù)的研究水平,盡快投入應(yīng)用,具有十分迫切而重要的現(xiàn)實意義。為此,建議目前著重開展以下幾方面的工作:a.研究并提出輕型HVDC系統(tǒng)全部一、二次設(shè)備的新型數(shù)學(xué)模型及數(shù)字仿真新方法,建立輕型HVDC系統(tǒng)的數(shù)字仿真研究手段。b.通過VSC的運行特性及故障分析,研究并提出適用于VSC的PWM新技術(shù)及相關(guān)保護策略。c.建立輕型HVDC物理模型,利用高速數(shù)字信號處理芯片研制輕型HVDC控制器。d.研究輕型HVDC系統(tǒng)以及由多個VSC連接構(gòu)成的多端直流系統(tǒng)的運行特性、控制方式(有功、無功潮流控制,電壓控制)及保護策略。e.研究輕型HVDC系統(tǒng)對整個電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響及控制手段。f.進行技術(shù)經(jīng)濟論證,研究輕型HVDC技術(shù)在我國應(yīng)用的可行性和必要性。5輕、提效的kvdc技術(shù)特點電力半導(dǎo)體及其控制技術(shù)的進步,特別是IGBT的不斷發(fā)展,導(dǎo)致輕型HVDC技術(shù)的出現(xiàn)。已經(jīng)投運或即將投運的各項輕型HVDC工程的成功經(jīng)驗表明,該技術(shù)正在不斷進步和成熟。作為一項新型的輸電技術(shù),輕型HV