高壓直流輸電技術(shù)解析

一、高壓直流輸電概述高壓直流輸電：將三相交流電通過(guò)換流站整流變成直流電，然后通過(guò)直流輸電線路送往另一個(gè)換流站逆變成三相交流電的輸電方式。高壓直流輸電原理圖如下：換流器（整流或逆變）：將交流電轉(zhuǎn)換成直流電或?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。換流變壓器：向換流器提供適當(dāng)?shù)燃?jí)的不接地三相電壓源設(shè)備。平波電抗器：減小注入直流系統(tǒng)的諧波，減小換相失敗的幾率，防止輕載時(shí)直流電流間斷，限制直流短路電流峰值。濾波器：減小注入交、直流系統(tǒng)諧波的設(shè)備。無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備：提供換流器所需要的無(wú)功功率，減小換流器與系統(tǒng)的無(wú)功交換。高壓直流輸電對(duì)比交流輸電：1）技術(shù)性功率傳輸特性交流為了滿足穩(wěn)定問(wèn)題，常需采用串補(bǔ)、靜補(bǔ)等措施，有時(shí)甚至不得不提高輸電電壓。將增加很多電氣設(shè)備，代價(jià)昂貴。直流輸電沒有相位和功角，無(wú)需考慮穩(wěn)定問(wèn)題，這是直流輸電的重要特點(diǎn)，也是它的一大優(yōu)勢(shì)。線路故障時(shí)的自防護(hù)能力交流線路單相接地后，其消除過(guò)程一般約0.4~0.8秒，加上重合閘時(shí)間，約0.6~1秒恢復(fù)。直流線路單極接地，整流、逆變兩側(cè)晶閘管閥立即閉鎖，電壓降為零，迫使直流電流降到零，故障電弧熄滅不存在電流無(wú)法過(guò)零的困難，直流線路單極故障的恢復(fù)時(shí)間一般在0.2~0.35秒內(nèi)。過(guò)負(fù)荷能力交流輸電線路具有較高的持續(xù)運(yùn)行能力，其最大輸送容量往往受穩(wěn)定極限控制。直流線路也有一定的過(guò)負(fù)荷能力，受制約的往往是換流站。通常分2小時(shí)過(guò)負(fù)荷能力、10秒鐘過(guò)負(fù)荷能力和固有過(guò)負(fù)荷能力等。前兩者葛上直流工程分別為10%和25%，后者視環(huán)境溫度而異。就過(guò)負(fù)荷而言，交流有更大靈活性，直流如果需要更大過(guò)負(fù)荷能力，則在設(shè)備選型時(shí)要預(yù)先考慮，此時(shí)需增加投資。潮流和功率控制交流輸電取決于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、發(fā)電機(jī)與負(fù)荷的運(yùn)行方式，值班人員需要進(jìn)行調(diào)度，但又難于控制，直流輸電則可全自動(dòng)控制。直流輸電控制系統(tǒng)響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)精確、操作方便、能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制。短路容量?jī)蓚€(gè)系統(tǒng)以交流互聯(lián)時(shí)，將增加兩側(cè)系統(tǒng)的短路容量，有時(shí)會(huì)造成部分原有斷路器不能滿足遮斷容量要求而需要更換設(shè)備。直流互聯(lián)時(shí)，不論在哪里發(fā)生故障，在直流線路上增加的電流都是不大的，因此不增加交流系統(tǒng)的斷路容量。電纜電纜絕緣用于直流的允許工作電壓比用于交流時(shí)高兩倍，例如35kV的交流電纜容許在100kV左右直流電壓下工作，所以在直流工作電壓與交流工作電壓相同的情況下，直流電纜的造價(jià)遠(yuǎn)低于交流電纜。輸電線路的功率損耗比較在直流輸電中，直流輸電線路沿線電壓分布平穩(wěn)，沒有電容電流，在導(dǎo)線截面積相同，輸送有用功率相等的條件下，直流線路功率損耗約為交流線路的2/3。并且不需并聯(lián)電抗補(bǔ)償。線路走廊按同電壓500kV考慮，一條500kV直流輸電電線路的走廊約40m，一條500kV交流線路走廊約為50m，但是1條同電壓的直流線路輸送容量約為交流的2倍，直流輸電的線路走廊其傳輸效率約為交流線路的2倍甚至更多一點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，下列因素限制了直流輸電的應(yīng)用范圍：不能用變壓器來(lái)改變電壓等級(jí)；換流站的費(fèi)用高；控制復(fù)雜。2）可靠性強(qiáng)迫停運(yùn)率電能不可用率3）經(jīng)濟(jì)性就變電和線路兩部分看，直流輸電換流站投資占比重很大，而交流輸電的輸電線路投資占主要成分；直流輸電功率損失比交流輸電小得多；當(dāng)輸送功率增大時(shí)，直流輸電可以采取提高電壓、加大導(dǎo)線截面的辦法，交流輸電則往往只好增加回路數(shù)。在某一輸電距離下，兩者總費(fèi)用相等，達(dá)一距離稱為等價(jià)距離。這是一個(gè)重要的工程初估數(shù)據(jù)。超過(guò)這一距離時(shí)，采用直流有利；小于這一距離時(shí)，采用交流有利。高壓直流輸電分類：1）兩端HVDC系統(tǒng)：由兩個(gè)換流站組成的直流輸電系統(tǒng)。分為單極類、雙極類和背靠背，前兩個(gè)很好理解，主要就是背靠背直流。背靠背直流：沒有直流線路的HVDC系統(tǒng)。主要用于兩個(gè)非同步運(yùn)行的交流電力系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)或送電，也稱非同步聯(lián)絡(luò)站。整流站和逆變站的設(shè)備通常裝設(shè)在一個(gè)站內(nèi)，也稱背靠背換流站。直流側(cè)可選擇低電壓大電流；直流側(cè)諧波不會(huì)造成通信線路的干擾；造價(jià)比常規(guī)換流站降低約15%～20%。2）多端直流輸電系統(tǒng)（MTDC）：將直流系統(tǒng)聯(lián)接到交流電網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)多于兩個(gè)時(shí)，就構(gòu)成了多端高壓直流系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)的高壓直流輸電工程還是非常多的。二、高壓直流輸電的一些原理關(guān)于換流器的原理就不展開了，很多電力電子內(nèi)容，主要總結(jié)下直流輸電控制方式。直流輸電控制系統(tǒng)的目標(biāo)是：1）保持直流功率、電壓、電流和控制角在穩(wěn)態(tài)值范圍內(nèi)；2）限制暫態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流；3）交直流系統(tǒng)故障后，在規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)地恢復(fù)送電。直流系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)就在于控制，其中也是比較復(fù)雜。直流輸電基本控制模塊：低壓限流控制(VDCOL)：低壓限流環(huán)節(jié)的任務(wù)是在直流電壓或交流電壓跌落到某個(gè)指令值時(shí)對(duì)直流電流指令進(jìn)行限制。定電流控制(CCA)：在極控制功能中定電流控制應(yīng)用最為廣泛。定電流控制的控制框圖如圖所示.在整流側(cè)，定電流控制器的輸入量是電流整定值TM3與實(shí)際電流TM4的偏差。定熄弧角控制(AMAX)：絕大多數(shù)直流工程的熄弧角定值都在15°～18°的范圍內(nèi)，熄弧角這一變量可以直接測(cè)量，卻不能直接控制，只能靠改變換流器的觸發(fā)角來(lái)間接調(diào)節(jié)。熄弧角不僅與逆變側(cè)觸發(fā)角有關(guān)，還取決于換相電壓和直流電流的大小。定電壓控制(VCAREG)：在整流和逆變方式下都設(shè)置了定電壓控制功能模塊，這個(gè)控制器的功能是用于降壓運(yùn)行，但它也有利于正常方式運(yùn)行，其控制也采用的是PI調(diào)節(jié)方式。輔助控制模塊：分接頭控制(TCC)：分接頭控制的目的是保持觸發(fā)角、熄弧角、直流電壓運(yùn)行在指定范圍內(nèi)，分接頭控制的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)速度比較慢。無(wú)功功率控制(RPC)：不同的直流工程，濾波器和電容器分成幾組，由電力開關(guān)進(jìn)行投切。一般情況下，1）當(dāng)兩側(cè)交流系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)不大時(shí)，整流側(cè)采用定電流控制，逆變側(cè)采用定熄弧角控制。2）為了快速、精確地調(diào)節(jié)功率，整流側(cè)采用定電流控制(或定功率控制)，逆變側(cè)采用定直流電壓控制。原因在于：整流側(cè)用定電流控制可以控制觸發(fā)角根據(jù)負(fù)載改變，定電壓控制保持逆變側(cè)觸發(fā)角恒定，這樣傳輸電流即功率傳輸大小可以通過(guò)整流側(cè)觸發(fā)角來(lái)控制.不過(guò)當(dāng)整流側(cè)觸發(fā)角達(dá)到最小值（大概5°），就不能繼續(xù)用定電流控制了，整流側(cè)觸發(fā)角只能恒定，也會(huì)變成定電壓控制了。這塊和運(yùn)行關(guān)系緊密，里面內(nèi)容挺復(fù)雜，自己也不是特別熟悉，只是總結(jié)個(gè)皮毛。三、高壓直流輸電系統(tǒng)分析的一些要點(diǎn)1）換相失敗換相失敗是直流系統(tǒng)比較關(guān)鍵且常見的故障。當(dāng)換流器做逆變運(yùn)行時(shí)，從被換相的閥電流過(guò)零算起，到該閥重新被加上正向電壓為止這段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的角度，也稱為關(guān)斷角（熄弧角）。如果關(guān)斷角太小，以致晶閘管閥來(lái)不及完全恢復(fù)正常阻斷能力，又重新被加上正向電壓，它會(huì)自動(dòng)重新導(dǎo)通，于是將發(fā)生倒換相過(guò)程，其結(jié)果將使該導(dǎo)通的閥關(guān)斷，而應(yīng)該關(guān)斷的閥繼續(xù)導(dǎo)通，稱為換相失敗。換相失敗主要原因是交流系統(tǒng)故障，其使得逆變側(cè)換流母線電壓下降。在一定的條件下，有些換相失敗可以自動(dòng)恢復(fù)。但是如果發(fā)生兩次或多次連續(xù)換相失敗，換流閥就會(huì)閉鎖，中斷直流系統(tǒng)的輸電通道，在嚴(yán)重的情況下可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)逆變站同時(shí)發(fā)生換相失敗，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。換相重疊角的影響：當(dāng)β>γ時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果β<>2）無(wú)功補(bǔ)償直流系統(tǒng)的無(wú)功計(jì)算，也是要分為常規(guī)計(jì)算和系統(tǒng)仿真兩部分。采用普通晶閘管換流閥進(jìn)行換流的高壓直流輸電換流站，一般均采用電網(wǎng)電源換相控制技術(shù)，其特點(diǎn)是換流器在運(yùn)行中要從交流系統(tǒng)吸取大量的無(wú)功功率。與交換的有功功率成正比，在額定工況時(shí)整流裝置所需的無(wú)功功率約為有功功率的30%~50％，逆變裝置約為40%~60％。常規(guī)計(jì)算的話，換流器消耗的無(wú)功功率可由下式表示：P為換流器直流側(cè)功率，MW；φ為換流器的功率因數(shù)角；μ為換相角；α為整流器觸發(fā)角。當(dāng)換流器以逆變方式運(yùn)行時(shí)，式中的α用γ代替，γ為逆變側(cè)關(guān)斷角。當(dāng)然具體工程中，無(wú)功配置還涉及各種無(wú)功分組方案的比較，感性和容性都要考慮，但一般來(lái)說(shuō)感性無(wú)功主要考慮小負(fù)荷方式無(wú)功過(guò)剩情況，很多時(shí)候計(jì)算出來(lái)是不需要配的。然后就是系統(tǒng)仿真校核工作，就是用電力軟件仿真各種工況下穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的運(yùn)行情況，故障方式下的穩(wěn)定情況。提供所需無(wú)功功率最節(jié)省的方法是使用并聯(lián)電容器組。既然無(wú)功隨著所傳輸?shù)闹绷鞴β首兓?，就必須提供可切換的適當(dāng)容量的電容器組，以便穩(wěn)態(tài)直流電壓在各種負(fù)荷水平下保持在可接受范圍（通?！?%）。如果發(fā)電機(jī)在直流端附近，則對(duì)處理部分無(wú)功功率需求和保持穩(wěn)態(tài)電壓在可接受范圍內(nèi)是很有用處的。對(duì)于弱交流系統(tǒng)，或許有必要以靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）或靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）提供無(wú)功補(bǔ)償。3）諧波抑制換流器在交流側(cè)和直流側(cè)都要產(chǎn)生高次諧波。換流裝置對(duì)于交流側(cè)是一個(gè)諧波電流源，對(duì)于直流側(cè)則是一個(gè)諧波電壓源。交流側(cè)特征諧波舉例如下。在理想工況的運(yùn)行下，系統(tǒng)存在特征諧波。但是實(shí)際直流輸電工程的運(yùn)行工況不可能是理想的，因此還存在非特征諧波。換流站諧波抑制措施主要有兩種：4）直流調(diào)制直流輸電系統(tǒng)調(diào)制功能屬系統(tǒng)控制層次的一種控制功能。它利用直流輸電系統(tǒng)所連交流系統(tǒng)的某些參量，對(duì)直流功率或直流電流、直流電壓、換流器吸收的無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)整，借以充分發(fā)揮直流系統(tǒng)功率的快速可控性，改善交流系統(tǒng)運(yùn)行性能。一個(gè)直流輸電系統(tǒng)是否需要設(shè)計(jì)某種調(diào)制功能，完全取決于它所連接的交流系統(tǒng)的需要，因而每個(gè)工程都可能不一樣。常用的調(diào)制功能有：(1)功率提升(或回降)，(2)頻率控制，(3)阻尼控制。簡(jiǎn)單地總結(jié)這四種調(diào)制。功率提升(或回降)：當(dāng)受端(或送端)交流電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，有可能要求直流系統(tǒng)迅速增大(或減小)輸送的直流功率，支援受端(或送端)電網(wǎng)，這種調(diào)制功能也稱為緊急功率支援。頻率控制：利用直流輸電系統(tǒng)功率的快速可控性，調(diào)節(jié)所連一端或兩端交流系統(tǒng)頻率，共同利用兩端交流系統(tǒng)熱備用容量。阻尼控制：這點(diǎn)工程中還是比較關(guān)注的，即利用功率的快速可控性用于組你控制。如阻尼所連交流系統(tǒng)中的次同步振蕩，阻尼低頻功率振蕩等。主要過(guò)程如下：四、高壓直流輸電新技術(shù)這塊主要是兩部分內(nèi)容，可能自己涉及的面不夠廣，所以應(yīng)該還有其他的內(nèi)容。1）特高壓直流輸電圍繞交流特高壓的爭(zhēng)議已持續(xù)經(jīng)年，力推交流特高壓的國(guó)家電網(wǎng)認(rèn)為該項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)明顯，可以解決新能源消納、區(qū)域電力資源平衡和治理霧霾等問(wèn)題；反對(duì)者則認(rèn)為±500千伏超高壓和直流特高壓完全可以解決上述問(wèn)題，交流特高壓經(jīng)濟(jì)性差且存安全隱患，不宜開工建設(shè)。但是有一點(diǎn)兩邊的意見是一致的，就是特高壓直流輸電是非常好的一種輸電方式。國(guó)內(nèi)投運(yùn)