鄭夢笛， 夏 夢

(中南建筑設計院股份有限公司， 武漢 430071)

0 引言

在現(xiàn)有的運行控制技術下，電力負荷的不斷增加使得現(xiàn)有的變速器無法滿足長距離大容量電能傳輸?shù)男枰?。由于環(huán)保和科學發(fā)展的需要，新建輸電線路的建設受到線路走廊短缺的制約。高壓柔性輸電具有系統(tǒng)穩(wěn)定性高、功率小、模塊體積小等特點，將柔性直流輸電運用到城市配電系統(tǒng)中將是一個不錯的選擇，本文即是對柔性直流輸電技術的原理和應用進行簡要分析和介紹。

1 直流輸電的基本原理

高壓直流輸電(HVDC)是由發(fā)電廠產生交流電，經整流器變換成直流電輸送至受電端，然后使用逆變器將直流電力轉換為將交流電力傳輸?shù)浇邮斩私涣麟娋W的一種減少電能損耗的傳輸方法。直流輸電系統(tǒng)主要由DC側電力濾波器、直流電抗器、保護控制裝置、換流站、直流線路、無功補償裝置、換流變壓器組成。其中換流站是整個直流輸電系統(tǒng)的核心，完成交流AC和直流DC之間的轉換。

高壓直流輸電主要應用于異步交流系統(tǒng)的互聯(lián)和超長距離大功率輸電。高壓直流輸電線路具有投資少、系統(tǒng)穩(wěn)定、調節(jié)速度快、可靠性高等優(yōu)點。隨著科學技術的不斷進步和發(fā)展，直流輸電的發(fā)展也受到一些因素的限制。例如，高壓直流輸電換流站比交流系統(tǒng)更復雜、成本高，需要更嚴格的運行管理。此外，在變換器的運行中需要大量的無功功率補償，并且在正常運行中可以實現(xiàn)40%～60%直流輸電功率的傳輸功率。運行中轉換器將在交流側和DC側產生諧波震蕩，要安裝過濾器。在地下或海水中的直流傳輸會導致金屬部件沿該方向腐蝕，需要設置保護措施。因此為了發(fā)展多端直流輸電，需要不斷開發(fā)高壓直流斷路器。

2 柔性輸電的結構及工作原理

2.1 柔性輸電系統(tǒng)的結構

圖1為連接2個交流系統(tǒng)的柔性直流輸電單線原理圖，其結構組成如下：變壓器T為電壓源變換器提供合適的工作電壓，以確保電壓源變換器的最大有功功率和無功功率輸出；交流濾波器AC，能夠濾掉交流電壓中一定量的高次諧波；電抗器L是交流系統(tǒng)與電壓源變換器之間的功率傳輸環(huán)節(jié)，在很大程度上決定了變換器的功率傳輸能力和對有功功率、無功功率的控制，并在濾波環(huán)節(jié)起著重要的作用；電壓源換流器VSC的使用是VVDC傳輸?shù)年P鍵部分，在橋臂中用新型的可控硅電力電子管(IGBT、IGCT)取代了傳統(tǒng)意義上的晶閘管，使整個變流器系統(tǒng)變得更加可控；直流電容器C為DC側儲能元件，電壓源變換器為變換器提供直流電壓，還可以起到緩沖系統(tǒng)故障引起的DC側電壓波動，降低DC側的電壓紋波的作用，并為T提供直流電壓支持。

圖1 兩端VSC-HVDC結構

2.2 柔性直流輸電的基本工作原理

為解決傳統(tǒng)直流輸電中存在的弊端，采用新型的直流輸電的技術可達到有功和無功的獨立解耦控制瞬時實現(xiàn)，同時免去換流站間繁雜的通訊系統(tǒng)，在滿足對無源網絡供電的同時也易于構成多段直流系統(tǒng)。而柔性直流輸電融合了PWM技術，采用可控關斷器件以及電壓源換流器，完全滿足了上述技術要求。同時該項技術相較于傳統(tǒng)輸電優(yōu)勢明顯，可同時提供有功、無功功率，有較高的穩(wěn)定性及較強的輸電能力。圖2為柔性直流輸電系統(tǒng)單線原理圖。

圖2 柔性直流輸電原理圖

柔性直流輸電加入了PWM技術和電壓源型換流器，觸發(fā)脈沖的產生會導致開關管的開通關斷，并控制其關斷頻率。因此橋壁中點電壓UC可以實現(xiàn)在+Ud和-Ud之間快速切換，經電抗器濾波得到所需交流電壓Us。在理想情況下(即忽略諧波分量并假設電抗器零損耗)，分析可得到換流器和交流電網之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無功功率Q的計算公式：

P=USUC/X1sinδ

(1)

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UC和US之間的相角差；X1為換流電抗器的電抗。

由式(1)和式(2)可以得到換流器穩(wěn)態(tài)運行時的基波相量圖，如圖3所示。

圖3 VSC-HVDC換流器穩(wěn)態(tài)運行時的基波相量圖

由圖3可知，δ值決定了有功功率的大小，無功功率則主要受UC的影響。同時δ還控制者直流電流的方向。縱觀整個系統(tǒng)，VSC可實現(xiàn)有功功率無功功率的瞬時獨立調節(jié)，因此完全可近似看作一個零轉動慣量的發(fā)電機。

3 柔性直流輸電的關鍵技術

3.1 主電路設計

影響換流器主電路拓撲結構的因素有很多，工程中實際的電壓等級和所需的傳輸容量，開關的頻率及其調制方式、系統(tǒng)的可控性等因素都會對實際拓撲結構產生影響。目前實際應用的換流器拓撲結構具有以下特點：(1)結構簡單，通常采用兩電平或者三電平結構，相比較于傳統(tǒng)的直流輸電，VSC-HVDC橋壁器件是直接串聯(lián)的，從而提高了電壓等級。(2)開關頻率的調節(jié)可通過優(yōu)化PWM的調制方式實現(xiàn)，適當降低開關頻率可延長IGBT、IGCT 的使用壽命。(3)換流器損耗小。

此外，在設計主電路的拓撲結構時，裝置實際的實現(xiàn)難度、設備的造價、后期的運營維護費用等都需要考慮在其中，力求設計的拓撲結構在能減少電力電子器件數(shù)目的同時也能有效降低控制系統(tǒng)的復雜性，確保系統(tǒng)總體的穩(wěn)定性、可靠性和經濟性。

3.2 控制策略

柔性直流輸電的控制策略總結起來主要分為間接電流控制和直接電流控制兩個方面。前者系統(tǒng)結構簡單,但存在一些如交流側電流動態(tài)響應慢、難以實現(xiàn)過電流控制等缺點。后者也稱為“矢量控制”，包括內環(huán)電流控制和外環(huán)電壓控制兩個部分，其電流響應對后者快速,受到了學術界的普遍關注。直接電流控制的控制器，由內環(huán)電流控制器、外環(huán)電壓控制器、觸發(fā)脈沖生成和鎖同步環(huán)節(jié)組成。內環(huán)控制器常常應用于實現(xiàn)換流器交流側電流相位和波形的直接控制，目的在于快速跟蹤參考電流；外環(huán)控制根據其系統(tǒng)級控制目標的不同，可以實現(xiàn)定有功功率控制、定直流電壓控制、定無功功率控制等目標。根據PWM原理，觸發(fā)脈沖產生鏈路通過使用來自內環(huán)的基準電壓和同步相位輸出信號來生成每個橋臂的觸發(fā)脈沖。鎖相環(huán)的輸出用于提供電壓矢量定向控制和觸發(fā)脈沖產生所需的參考相位。在由無源網絡供電的靈活直流系統(tǒng)中，傳輸終端通常由恒定的直流電壓控制。由于端到端系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定的功率，通常采用恒定的交流電壓控制。

4 柔性直流輸電技術在電氣設計中的應用

4.1 在城市供電中的應用

隨著國民經濟水平的增長，電力需求也不斷增長，我國的許多大城市的市區(qū)電力負荷密度以及用電量增長迅速。而且一些在城市的外圍的電廠對環(huán)境產生了巨大的影響。為響應國家環(huán)保號召，避免城市土地資源利用的許多限制，未來在中心城區(qū)內采用架空輸電線路的機會越來越小，地下輸、變、配電工程將逐步成為未來電氣設計方面的一個重點。由于柔性直流輸電系統(tǒng)具有結構緊湊、占地面積小等特點，因此對于城市供電的擴容問題,柔性直流輸電將是一個較好的解決辦法。

4.2 在民用建筑中的應用

由于現(xiàn)在有許多民用建筑內部配備有整流電源，要將輸入的交流電轉換為直流電驅動電器運用。如果從民用供電系統(tǒng)到用戶側用電的全過程都能使電能自始自終保持直流狀態(tài)，將大幅度地減少電能損耗，達到節(jié)能減排的效果。

圖4 直流供電方案

如圖4所示為新型直流供電方案圖，其能充分發(fā)揮直流輸電的優(yōu)點。在傳統(tǒng)方法中，直流輸電的過程體現(xiàn)在長距離高壓輸電過程中，從二級變電站到用戶之間使用架空輸電線路成本較高。最近幾年來，直流輸電技術日趨發(fā)展成熟，特別是輕型直流輸電系統(tǒng)的發(fā)明，打破了傳統(tǒng)的距離限制，因此在用戶側供電中使用此方法更加科學合理。

5 結束語