基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)

一、高壓直流輸電概述

高壓直流輸電：將三相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過直流輸電線路送往另一個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)燃壍牟唤拥厝嚯妷涸丛O(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。

無功補(bǔ)償設(shè)備：提供換流器所需要的無功功率，減小換流器與系統(tǒng)的無功交換。

高壓直流輸電對比交流輸電：

1）技術(shù)性

功率傳輸特性

交流為了滿足穩(wěn)定問題，常需采用串補(bǔ)、靜補(bǔ)等措施，有時甚至不得不提高輸電電壓。將增加很多電氣設(shè)備，代價昂貴。直流輸電沒有相位和功角，無需考慮穩(wěn)定問題，這是直流輸電的重要特點(diǎn)，也是它的一大優(yōu)勢。

線路故障時的自防護(hù)能力

交流線路單相接地后，其消除過程一般約0.4~0.8秒，加上重合閘時間，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法過零的困難，直流線路單極故障的恢復(fù)時間一般在0.2~0.35秒內(nèi)。

過負(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負(fù)荷能力，受制約的往往是換流站。通常分2小時過負(fù)荷能力、10秒鐘過負(fù)荷能力和固有過負(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。就過負(fù)荷而言，交流有更大靈活性，直流如果需要更大過負(fù)荷能力，則在設(shè)備選型時要預(yù)先考慮，此時需增加投資。

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

兩個系統(tǒng)以交流互聯(lián)時，將增加兩側(cè)系統(tǒng)的短路容量，有時會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，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)。

總的來說，下列因素限制了直流輸電的應(yīng)用范圍：不能用變壓器來改變電壓等級；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，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)一距離稱為等價距離。這是一個重要的工程初估數(shù)據(jù)。超過這一距離時，采用直流有利；小于這一距離時，采用交流有利。

高壓直流輸電分類：

1）兩端HVDC系統(tǒng)：由兩個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)諧波不會造成通信線路的干擾；造價比常規(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)多于兩個時，就構(gòu)成了多端高壓直流系統(tǒng)。

目前國內(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)過電壓和過電流；

3）交直流系統(tǒng)故障后，在規(guī)定的響應(yīng)時間內(nèi)平穩(wěn)地恢復(fù)送電。

直流系統(tǒng)的主要優(yōu)勢就在于控制，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指令值時對直流電流指令進(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量，卻不能直接控制，只能靠改變換流器的觸發(fā)角來間接調(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)中的電壓波動不大時，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整流側(cè)觸發(fā)角來控制.不過當(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，從被換相的閥電流過零算起，到該閥重新被加上正向電壓為止這段時間所對應(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，它會自動重新導(dǎo)通，于是將發(fā)生倒換相過程，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)重的情況下可能會出現(xiàn)多個逆變站同時發(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，換相結(jié)束時，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。如果β<γ時（從圖右下角的波形中可清楚地看到），該通的晶閘管（VT2）會關(guān)斷，而應(yīng)關(guān)斷的晶閘管（VT1）不能關(guān)斷，最終導(dǎo)致逆變失敗。

2）無功補(bǔ)償

直流系統(tǒng)的無功計算，也是要分為常規(guī)計算和系統(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)吸取大量的無功功率。與交換的有功功率成正比，在額定工況時整流裝置所需的無功功率約為有功功率的30%~50％，逆變裝置約為40%~60％。

常規(guī)計算的話，換流器消耗的無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，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，無功配置還涉及各種無功分組方案的比較，感性和容性都要考慮，但一般來說感性無功主要考慮小負(fù)荷方式無功過剩情況，很多時候計算出來是不需要配的。

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。

提供所需無功功率最節(jié)省的方法是使用并聯(lián)電容器組。既然無功隨著所傳輸?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，則對處理部分無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。對于弱交流系統(tǒng)，或許有必要以靜止無功補(bǔ)償器（SVC）或靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）提供無功補(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。換流裝置對于交流側(cè)是一個諧波電流源，對于直流側(cè)則是一個諧波電壓源。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，對直流功率或直流電流、直流電壓、換流器吸收的無功功率進(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。一個直流輸電系統(tǒng)是否需要設(shè)計某種調(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，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議已持續(xù)經(jīng)年，力推交流特高壓的國家電網(wǎng)認(rèn)為該項(xiàng)目優(yōu)勢明顯，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題；反對者則認(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。

國內(nèi)投運(yùn)和在建的特高壓直流線路也很多，比如±800kV云廣、向上、錦蘇、哈鄭線等。下圖為向上線（向家壩-上海）路徑圖

UHVDC的系統(tǒng)組成形式與高壓直流輸電同，但單橋個數(shù)、輸送容量、電氣一次設(shè)備的容量及絕緣水平等相差很大。

2）輕型直流輸電技術(shù)

輕型直流輸電：以電壓源型換流器（VSC)為核心，硬件上采用IGBT等可關(guān)斷器件，控制上采用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)以達(dá)到具有高可控性直流輸電的目的。

VSC-HVDC的控制方式還是比較成熟的，目前研究主要集中于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，比如多電平等等（也有可能我的信息不夠前沿），比如模塊化多電平換流器（MMC）。

VSC-HVDC應(yīng)用前景還是很廣泛的，個人最看好新能源并網(wǎng)和中心城區(qū)電網(wǎng)的應(yīng)用。