孔麗麗 董森濤

摘 要：相比傳統(tǒng)直流輸電，柔性直流輸電沒有無功補(bǔ)償?shù)膯栴}，傳統(tǒng)直流輸電需要吸收大量的無功功率，因而需要大量的無功功率補(bǔ)償及濾波設(shè)備。 而柔性直流輸電的VSC技術(shù)不僅不需要將這些負(fù)荷通過柔性直流輸電系統(tǒng)和電網(wǎng)相連，降低了供電成本，同時(shí)改善了環(huán)境。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)直流輸電;柔性直流輸電;HVDC;VSC-HVDC

1.1背景概述

隨著能源緊缺和環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)峻，國家將大力開發(fā)和利用可再生清潔能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。然而，隨著風(fēng)能、太陽能等可再生能源利用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其固有的分散性、小型性、遠(yuǎn)離負(fù)荷中心等特點(diǎn)，使得采用交流輸電技術(shù)或傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)聯(lián)網(wǎng)顯得很不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)海上鉆探平臺(tái)、孤立小島等無源負(fù)載，采用昂貴的本地發(fā)電裝置，既不經(jīng)濟(jì)，又污染環(huán)境。另外，城市用電負(fù)荷的快速增加，需要不斷擴(kuò)充電網(wǎng)的容量，但鑒于城市人口膨脹和城區(qū)合理規(guī)劃，一方面要求利用有限的線路走廊輸送更多的電能，另一方面要求大量的配電網(wǎng)轉(zhuǎn)入地下。因此，迫切需要采用更加靈活、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的輸電方式解決以上問題。

1.2傳統(tǒng)直流輸電（HVDC）

簡單的說，傳統(tǒng)直流輸電（HVDC）是以電流源型換流器，以晶閘管為換流元件，采用相控?fù)Q流技術(shù)，以交流母線線電壓過零點(diǎn)為基準(zhǔn)，通過順序發(fā)出的觸發(fā)脈沖，形成一定順序的硅閥的通與斷，從而實(shí)現(xiàn)交流電與直流電的相互轉(zhuǎn)換。

由于晶閘管閥關(guān)斷不可控，使目前廣泛采用的基于電流源型高壓直流輸電技術(shù)具有以下固有缺陷：

（1）只能工作在有源逆變狀態(tài)，不能向無源網(wǎng)絡(luò)（如孤立負(fù)荷）輸送電能，且受端系統(tǒng)必須有足夠的短路容量，否則容易發(fā)生換相失敗;

（2）換流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)低、容量大;

（3）由于開通滯后角α（一般為10o～15o）和熄弧角γ（一般為15o或更大一些）的存在及波形的非正弦，常規(guī)直流輸電要吸收大量的無功功率，其數(shù)值約為輸送直流功率的40～60%，這就需要大量的無功補(bǔ)償及濾波裝置。

（4）換流站占地面積大、投資大。

因此，基于晶閘管的電流源型直流輸電技術(shù)主要用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、海底電纜輸電和交流電網(wǎng)的互聯(lián)等領(lǐng)域。

1.3柔性直流輸電 （VSC-HVDC）

柔性直流輸電（VSC-HVDC）技術(shù)是一種以電壓源換流器，可控關(guān)斷器件（IGBT）和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)為基礎(chǔ)的新型直流輸電技術(shù)。這種輸電技術(shù)能夠瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)立解耦控制、能向無源網(wǎng)絡(luò)供電、換流站間無需通訊、且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。

柔性直流輸電的核心是采用可關(guān)斷型元件構(gòu)成VSC進(jìn)行直流輸電。主要特點(diǎn)如下：

（1）電流可自關(guān)斷，可以工作在無源逆變方式，受端可以是無源網(wǎng)絡(luò)，克服了傳統(tǒng)直流輸電受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷，且不增加系統(tǒng)短路容量。

（2）獨(dú)立、精確、靈活方便的有功/無功功率控制，可用作STATCOM提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，克服了系統(tǒng)并聯(lián)連接時(shí)潮流控制不便和串聯(lián)連接時(shí)影響可靠性等。

（4）VSC換流器產(chǎn)生的低次諧波很少，只需在交流母線上安裝一組高通濾波器即可，使濾波裝置的容量大大減小。

（5） 換流站占地面積僅為同容量下常規(guī)直流輸電（HVDC）的20%左右。

（6）換流站間的通訊不是必需的，控制結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)無人值守。

1.4傳統(tǒng)直流輸電（HVDC）與柔性直流輸電（VSC-HVDC）的比較

1.4.1總體性能比較

1.4.2換流變壓器方面比較

傳統(tǒng)直流輸電通過換流變壓器連接交流電網(wǎng)與整流系統(tǒng)，工程上采用12脈波整流技術(shù)，需要換流變壓器的型式為三相三繞組，網(wǎng)側(cè)繞組為星形聯(lián)結(jié)，閥側(cè)繞組分別為星形聯(lián)結(jié)和角形聯(lián)結(jié)。由于換流變壓器閥側(cè)繞組與整流系統(tǒng)相連，因此換流變壓器不僅承受交流電壓，而且還需要承受直流電壓，這是造成換流變壓器與普通電力變壓器結(jié)構(gòu)上不同的根本原因。

由這一原因所導(dǎo)致的傳統(tǒng)直流輸電用換流變壓器與普通變壓器的差別主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）換流變壓器的閥側(cè)繞組承受的直流電壓對(duì)絕緣設(shè)計(jì)的影響;

（2）換流變壓器的直流偏磁問題;

（3）換流變壓器的高次諧波對(duì)損耗和溫升的影響。

柔性直流輸電是串聯(lián)電抗器加換流變壓器，換流變壓器是帶抽頭的普通電力變壓器，網(wǎng)側(cè)繞組采用星形聯(lián)結(jié)，閥側(cè)繞組采用角形聯(lián)結(jié)，繞組中基本不含諧波電流和直流電流分量，其作用是為VSC提供穩(wěn)定、合適的電壓，保證VSC輸出最大的有功功率和無功功率。

由上可知，柔性直流輸電用變壓器無論從生產(chǎn)制造難度還是經(jīng)濟(jì)造價(jià)上，都比傳統(tǒng)直流輸電具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

1.5總結(jié)

隨著可關(guān)斷器件和控制技術(shù)的發(fā)展，在不遠(yuǎn)的將來，柔性直流輸電技術(shù)（VSC-HVDC）與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)（HVDC）之間必將形成相抗衡的局面，甚至有取代傳統(tǒng)直流輸電的可能。

參考文獻(xiàn)：

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