輕型直流輸電

HVDC Light作為一項新技術(shù)，工程應(yīng)用實例還相當(dāng)少見，共有以下一些HVDCLight工程投入實際運(yùn)行。

HVDC Light在電力市場的應(yīng)用主要在以下幾個方面：

(1)清潔可再生能源接入電網(wǎng)。受環(huán)境條件限制，清潔能源發(fā)電一般裝機(jī)容量小、供電質(zhì)量不高且遠(yuǎn)離主網(wǎng)，如中小型水電廠、風(fēng)電場、潮汐電站、太陽能電站等，由于其運(yùn)營成本很高及交流線路輸送能力偏低等原因使采用交流互聯(lián)方案在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上均難以滿足要求，利用HVDC Light與交流大電網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保護(hù)環(huán)境。

(2)非同步運(yùn)行的獨立電網(wǎng)之間需要交換較小容量的有功時可采用HVDC Light進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。地區(qū)電網(wǎng)之間的互聯(lián)是電網(wǎng)未來的發(fā)展方向，不僅可以增加系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可靠性，對電力市場的發(fā)展也有著重要的意義。

(3)向偏遠(yuǎn)小負(fù)荷地區(qū)供電。對于一些偏遠(yuǎn)的小城鎮(zhèn)、村莊或島嶼等用電地區(qū)，其負(fù)荷通常較小且波動較大，因此通過長距離的交流線路對這些地區(qū)供電既不經(jīng)濟(jì)有時又受交流傳輸功率極限的限制，因而不是一個較好的選擇，而傳統(tǒng)HVDC又不能向無源網(wǎng)絡(luò)供電。在輸電性能上，HVDC Light可以向無源純負(fù)荷供電，且不受輸電距離的限制，因此HVDC Light是向偏遠(yuǎn)小負(fù)荷地區(qū)供電較理想的選擇。

(4)環(huán)境敏感區(qū)域(如城市中心)的應(yīng)用。通過交流線路向城市中心增加新的輸送容量是昂貴的，并且在某些情況下，新的輸電走廊是難以獲得的。直流電纜比交流架空線所需的空間小，而輸送容量比交流電纜大。另外，HVDC Light 系統(tǒng)具有的有功和無功獨立調(diào)節(jié)能力，使系統(tǒng)在輸送有功的同時能夠保持兩側(cè)交流系統(tǒng)的電壓恒定，從而提高電能質(zhì)量。因此如果城市中心需要更多的電力，很多時候直流電纜是唯一現(xiàn)實的解決方案。

(5)滿足電力市場交易對輸電網(wǎng)絡(luò)的要求。應(yīng)用HVDC Light技術(shù)，不必考慮連接交流系統(tǒng)的短路容量，幾乎不會對連接交流系統(tǒng)產(chǎn)生影響，可以很方便的實現(xiàn)非同步電網(wǎng)間的互聯(lián)，促進(jìn)大規(guī)模統(tǒng)一電網(wǎng)的形成，而且如上所述，應(yīng)用HVDC Light還可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。顯然，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是電力市場化改革的前提。另外，HVDC Light還可以實現(xiàn)有功、無功的完全獨立雙向控制，在電力市場條件下具有重大意義。這就意味著它不僅可用于不同電網(wǎng)間的電能交易，而且可用于向兩側(cè)電網(wǎng)提供輔助服務(wù)。如果HVDC Light得到大量應(yīng)用，甚至可以在不同電網(wǎng)間實現(xiàn)不同電價。

(6)構(gòu)成多端系統(tǒng)，由于每一個電壓源型換流器的輸出都具有相同的極性，因此集成一個多端系統(tǒng)較為容易，可以把任何數(shù)目的VSC連接到具有固定極性的直流母線上，形成一個與交流系統(tǒng)布局相同的網(wǎng)狀直流系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以對多個小島、海上鉆井平臺或者孤立負(fù)荷供電。

亞洲首條輕型直流輸電示范工程——上海南匯風(fēng)電場輕型直流輸電工程成功投入試運(yùn)行，這是我國第一條擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，具有世界一流水平的輕型直流輸電線路，也是我國在大功率電力電子領(lǐng)域取得的又一重大創(chuàng)新成果。該示范工程輸送容量為20MW，直流電壓等級為±30kV，是國家電網(wǎng)公司的重大科技示范項目，標(biāo)志著國家電網(wǎng)公司成為繼ABB、西門子之后的全球第三家掌握該技術(shù)的公司。

電力系統(tǒng)未來的是向著新型、清潔、可再生能源發(fā)電等節(jié)能型方向發(fā)展，多種新型能源發(fā)電發(fā)展迅猛，例如風(fēng)力、太陽能等，它們具有分散化、小型化等特點。地理條件、發(fā)電規(guī)模等都限制了它們的發(fā)展，運(yùn)用輸電方法進(jìn)行“孤島”電源與電網(wǎng)連接，會在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保等方面的帶來巨大壓力。柴油發(fā)電機(jī)供電是鉆探平臺、島嶼、礦區(qū)等區(qū)域的主要供電方式，它會給空氣帶來嚴(yán)重的污染，如果應(yīng)用同樣的技術(shù)供電也有相同的問題。還有，隨著社會發(fā)展，各類負(fù)荷日益增加，這就給電網(wǎng)規(guī)模、傳輸容量提出了更高要求，如果通過增加輸電走廊來解決輸電問題，也會受到更多的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保制約，特別是在城市核心區(qū)域，已經(jīng)無法為架空交流輸電線提供建設(shè)走廊。所以，我們要找到一種輸電方式解決上述困難，這種方式要具有經(jīng)濟(jì)、靈活、高質(zhì)量等特點。

輕型直流輸技術(shù)，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。HVDC Light 系統(tǒng)存在兩個基本元素：換流站和一對電纜。換流站是電壓源換流站，控制著IGBT的通斷。

與傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)相比較，HVDC Light系統(tǒng)具有以下優(yōu)點

(1)正常運(yùn)行時，VSC可以同時而且獨立地控制有功功率和無功功率，甚至可以使功率因數(shù)為1，這種調(diào)節(jié)能夠快速完成，控制靈活方便。而傳統(tǒng)HVDC中控制量只有觸發(fā)角，不可能單獨控制有功功率或無功功率。另外，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，動態(tài)補(bǔ)償交流母線的無功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著故障時，如果VSC容量允許，那么HVDC Light系統(tǒng)既可向故障系統(tǒng)提供有功功率的緊急支援，又可提供無功功率緊急支援，從而能提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性和系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

(2)VSC電流能夠自關(guān)斷，可以工作在無源逆變方式，所以不需要外加的換相電壓，受端系統(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡(luò)，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(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電成為可能。

(3)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)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)，克服了傳統(tǒng)多端HVDC系統(tǒng)并聯(lián)連接時潮流控制不便、串聯(lián)連接時又影響可靠性的缺點。

(4)由于VSC交流側(cè)電流可以被控制，所以不會增加系統(tǒng)的短路功率。這意味著增加新的HVDC Light線路后，交流系統(tǒng)的保護(hù)整定基本不需改變。

(5)模塊化設(shè)計使HVDC Light的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大大縮短。同時，VSC采用PWM技術(shù)，開關(guān)頻率相對較高，經(jīng)過高通濾波后就可得到所需交流電壓，可以不用變壓器，從而簡化了換流站的結(jié)構(gòu)，并使所需濾波裝置的容量也大大減小。換流站的占地面積僅約同容量下傳統(tǒng)直流輸電的20%。采用新型(XLPE)直流電纜，可以直接安裝在現(xiàn)有交流電纜管內(nèi)，可以使輸送容量提高約50%。

(6)換流站間的通訊不是必需的，每個站可以獨立控制，易于實現(xiàn)無人值守。而且HVDC Light在電網(wǎng)故障后快速恢復(fù)控制能力良好。

(7)HVDC Light在事故后可快速恢復(fù)供電和黑啟動，可以向無源電網(wǎng)供電，受端系統(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡(luò)，不需要濾波器開關(guān)。功率變化時，濾波器不需要提供無功功率。

電壓源換流器(VSC)技術(shù)

在傳統(tǒng)電力工業(yè)中用于高壓直流輸電的基PCC技術(shù)，如今已幾乎全被VSC技術(shù)所取代。這2種技術(shù)的根本區(qū)別在于PCC技術(shù)不僅需要開通電流的電力電子元件，還需要關(guān)斷電流的組件。而VSC技術(shù)則不需要這么麻煩，它通過使用全控型功率元件IGBT，可方便地控制電流的開斷。由于VSC能切斷電流，就不需要從所聯(lián)結(jié)電網(wǎng)來獲取有源換相電壓，所以比在驅(qū)動裝置上控制電動機(jī)的速度容易得多。VSC 應(yīng)用在HVDC Light上，使得HVDC Light可以連接“無源”網(wǎng)絡(luò)。

脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)

VSC使用具有高頻開斷功能的器件IGBT，這使得PWM的應(yīng)用成為可能。PWM控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所要的波形。PWM通過在兩固定的直流電壓間快速切換來產(chǎn)生交流電壓，并通過交流低通濾波器從高頻脈沖調(diào)制電壓中得到期望的基波電壓。使用PWM技術(shù)，可瞬時地改變交流輸出電壓的相位與幅值，從而實現(xiàn)有功與無功的獨立調(diào)節(jié)。經(jīng)PWM逆變的交流電壓可隨控制系統(tǒng)的變化而變化。這樣就可省略傳統(tǒng)HVDC中的換流變壓器，使電路結(jié)構(gòu)簡化,縮小占地面積。

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)的角度來看，它可以看作是一個沒有質(zhì)量的馬達(dá)或發(fā)電機(jī)，幾乎能夠瞬時控制有功功率和無功功率。因為AC電流是可控制的，換流器不提供短路容量。

相控?fù)Q流器（PCC）技術(shù)具備一定的特點，它主要應(yīng)用于HVDC 輸電，其原理是：以交流母線線電壓過零點為基準(zhǔn)，具有一定的延時，在達(dá)到一定時間內(nèi)，會觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)閥，當(dāng)同一半橋上的兩個閥同時導(dǎo)通， 它會和交流系統(tǒng)共同導(dǎo)致短暫的相間短路，當(dāng)先流過導(dǎo)通閥的電流小于它的維持電流時，閥會斷開，而直流電流不受影響，通過新的導(dǎo)通閥繼續(xù)流通。利用具有一定順序觸發(fā)脈沖，通過一定順序控制閥的通和斷，進(jìn)而促使交流電與直流電的相互轉(zhuǎn)換。

HVDC 輸電由于在引用PCC 技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用晶閘管，這樣是它優(yōu)于交流輸電，具體如下：

（1）在交流系統(tǒng)中，不受額定頻率影響，使它們非同步聯(lián)絡(luò)，有效提升系統(tǒng)之間的互備能力及緊急支援能力，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、供電的經(jīng)濟(jì)性有顯著提升。

（2）非常適用于高電壓、遠(yuǎn)距離大容量輸電

由于HVDC 輸電不會影響功角關(guān)系， 所以輸送容量不會受靜態(tài)或暫態(tài)性能的影響。

（3）在電纜供電方面有更廣闊的應(yīng)用空間

在電壓、型號相同的情況下，直流電纜的傳輸功率密度約交流電纜的1.5 倍。

（4）具有耗能效、對環(huán)境的影響小

在電壓、輸送功率等同的條件下，直流輸電線路具有有功損耗小，不存在無功耗能。直流輸電存在空間電荷效應(yīng)，它使其輸電線路電暈造成的損耗、無線電導(dǎo)致的干擾均變小，達(dá)到了環(huán)保的目的。

（5）控制更迅速、精準(zhǔn)

晶閘管功率器件具有靈活、精準(zhǔn)等特點，將它應(yīng)用于換流站，就可以快捷、靈活、準(zhǔn)確的控制有功潮流大小以及雙向傳送，在功率、頻率及電壓等方面對交流系統(tǒng)提供幫助 。

輕型高壓直流輸電是ABB公司發(fā)展的一項全新的輸電技術(shù)，尤其適用于小型的發(fā)電和輸電應(yīng)用，它將高壓直流輸電的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用功率范圍降低到幾十兆瓦.該系統(tǒng)由放在兩個或兩個以上的輸電終端上的終端換流站及它們之間的聯(lián)接組成。雖然傳統(tǒng)的直流架空線可以作為聯(lián)接，但如果我們應(yīng)用地下電纜來聯(lián)接兩個變電站，整個系統(tǒng)將能最多地獲益。在很多場合，評估下來的電纜成本低于架空線的成本，而且在一個輕型高壓直流輸電系統(tǒng)中，使用電纜所需的環(huán)境等方面的許可還更容易獲得。比起交流輸電和本地發(fā)電，輕型高壓直流輸電系統(tǒng)不僅具有成本優(yōu)勢，它對提高交流電網(wǎng)供電品質(zhì)也提供了新的可能.自1997年提出輕型高壓直流輸電，數(shù)個輸電線路已投入商業(yè)運(yùn)營，其中最高容量已達(dá)330MW。更多的正在建設(shè)中。

1、兩電平雙端輕型直流輸電系統(tǒng)；2、級聯(lián)H橋動態(tài)靜止無功補(bǔ)償器；3、電壓擾動發(fā)生裝置；4、諧波電流發(fā)生裝置；5、諧波電流補(bǔ)償裝置。

《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》闡述了電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的分析，包括電力系統(tǒng)元件的數(shù)學(xué)模型、潮流計算、頻率和電壓調(diào)整、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本理論和方法。鑒于計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》增強(qiáng)了采用計算機(jī)計算、分析電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)問題的內(nèi)容。鑒于電力電子元件在電力系統(tǒng)中的大量使用和可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展，《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》對傳統(tǒng)直流輸電、輕型直流輸電和柔性輸電系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和工作原理方面進(jìn)行了介紹，對包含直流電源和直流負(fù)荷的交直流混聯(lián)系統(tǒng)潮流算法進(jìn)行了闡述。此外，除了電力系統(tǒng)最基本的穩(wěn)態(tài)分析方法外，還簡要介紹了相關(guān)的發(fā)展，并采用最新的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)涵。