柔性直流输电在城市配电网中的应用..

直流输电技术课程报告
题目柔性直流输电在城市配电网中的应用
学院学号姓名
电气学院
14S106XXX
XXX
哈尔滨工业大学2015年 4月 13日
摘要
城市电网是城市现代化建设的重要基础设施之一，是电力系统的主要负荷中心，
具有用电量大、负荷密度高、安全可靠和供电质量要求高等特点。

随着城市化进
程的不断推进和社会经济的高速发展，城市负荷不仅持续快速增长，并且对供电
可靠性以及电能质量的要求越来越高。

由于大中城市的空中输电走廊的限制和不断
发展的城市负荷，纯交流线路的城市配电网络己经越来越不能满足社会和经济发展
的需求。

因此，向城市负荷中心供给大量优质可靠的电能将面临越来越大的困难和
挑战。

柔性直流输电利用电压源换流器 VSC 的自换向特性使其具有诸多优点，研究
高压直流输电，特别是柔性直流输电在城市电网中的应用具有重要意
义。

本文分析了当前城市配网面临的问题和柔性直流输电的原理及技术优势，针对
柔性直流输电在城市配网中的应用进行了相关分析。

关键词：城市电网柔性直流输电技术优缺点技术可行性
1引言
电能在当前经济和生活中起到非常重要的作用，人类已经越来越离不开电。

人们是从直流电开始了解和使用电的，同时电力科学的发展的基础也是直流电。

法国物理学家 M. 得彼列茨于 1882 年进行了世界上首次直流输电试验。

这次试验
的损耗高达 78，几乎没有任何实用价值，但它预示着高电压、远距离和大容量输电
的开始。

自 20 世纪 50-70 年代，汞弧换流器和可控硅换流器的相继出现，使直流输电
技术在现代电力工业中得到广泛的应用。

直流输电与交流输电相比，两者各有优
缺点，可以取长补短，相互补充。

与交流输电相比，直流输电在大功率远距离输电、海底电缆送电和交流系统非同步连接等方面具有明显的优势，因此直流输电在现代
电力系统中具有重要的经济和技术意义。

随着可控硅换流器制造成本的不断下降，
直流输电在电力系统中将得到更广泛地应用。

目前世界各国都或多或少面临着能源
问题，在此情况下直流输电不但是减少输电损耗的输电形式，而且
直流输电技术在开发利用可再生清洁资源以及新储能方法等方面也起到重要作
用。

随着计算机技术、电力电子技术和控制理论的飞速发展，直流输电技术逐渐
完善，直流输电的运行损耗和建造成本不断下降，直流输电的可靠性逐步提高。

目前，直流输电在海底输电、大功率远距离输电和交流系统异步连接等方面得到
了大量应用。

2柔性直流输电技术
2.1 柔性直流输电技术发展历程
高压直流输电技术诞生于20 世纪 20 年代，但直到1954 年，世界上第一条
高压直流输电线路才建成，该线路为连接瑞典本土和 Gotland 的岛的直流线路，自
此直流输电技术进入了商业化时代。

多年来，高压直流输电系统普遍采用晶闸管和
自然换向技术，而晶闸管是一种只具有控制接通而无自关断能力的半控型器件，在
换向过程中，存在换向失败的问题。

为解决此类问题，出现了采用了电压
源换流器技术的柔性直流输电。

脉宽调制( PWM) 技术原本在小功率和中低压系统中得到广泛的应用，随着新型大功率高压可关断电力电子器件 (IGBT, GTO, IGCT) 的出现，脉宽调制 (PWM)
技术开始被用于输电换流领域。

，加拿大 McGill 大学的 Boon-Teck 等于 1990 年首先提出一种新的直流输电概念，该新型直流输电利用了基于脉宽调制控制的基于脉
宽调制 (PWM) 技术。

在此基础上， ABB 公司提出了柔性直流输电的概念，
该柔性直流输电主要将电压源型换流 (VSC) 技术与聚合物电缆相结合。

1997 年 3
月世界上第一次柔性直流输电试验在位于瑞典中部的格兰斯堡和赫尔斯杨之间进行。

柔性直流输电技术从此开始进入商业应用阶段 .
柔性直流输电技术 (Flexible HVDC) 是一种基于电压源型换流 (Voltage Sourced Converters-VSC)技术的新型高压直流输电技术。

它采用绝缘栅双极晶体
管 IGBT 的电压源型换流器，具有关断电流的能力，可以应用脉宽调制 (CPWM) 技
术进行无源逆变。

由于这种换流器的功能强，体积小，可以减少换流站的滤波装置，简化换流站结构，而称之为柔性直流输电。

它除了具有传统高压直流输电优点外，还可直接向远距的小型孤立离负荷供电，连接分散电源，运行控制方式灵活多变，可减少输电线路电压降落及闪变，提高电能质量。

柔性直流输电技术是一种基于脉宽调制 (PWM) 技术、可控关断器件和电压源换流器的新型直流输电技术。

柔性直流
输电技术具有可以向无源网络提供电能、能够快速实现有功和无功的独立解祸控制、易实现多端直流系统和采用柔性直流输电的换流站间无需通讯等优点。

2.2 柔性直流输电技术基本原理
柔性直流输电单线原理图如图2-1 所示。

柔性直流输电的送端和受端均采用
电压源型换流(VSC)技术，两端的换流器具有相同的结构。

柔性直流输电由换流器、交流滤波器、换流电抗器和换流变压器等部分组成。

换流器的每个桥臂是由多个
可关断晶闸管 (GTO)或绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 串联而成。

图 2-1 柔性直流输电单线原理
其中，1 为滤波器 ;2 为换流电抗 ;3 为电压源型换流器 ;4 为直流电容 ;5 为直流电缆。

柔性直流输电是在建立在绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 和电压源型换流
(VSC) 技术的基础上，其基本工作原理如图2-2 和图 2-3 所示。

1 一直流电容器 ;
2 一绝缘栅双极型品体管;
3 一续流二极管;
4 一换流电抗器;
5 一换流电
容器
图 2-2 柔性直流输电换流器单相图
图 2-3 电压源换流器正弦脉宽调制原理及输出波形
柔性直流输电工作原理是:工频正弦波控制信号u c。

经与三角波载波信号u trl 比较产生触发信号u i;，见图 2-3。

当 2+被触发导通后，输出电压uo=U d/2;当 2_被触发导通后 uo= - U d/2，由于 2+和 2-不同时触发导通，所以 u0只有± U d/2 两种数值。

经换流电抗器和滤波器滤除u0中的高次谐波分量后，交流母线可得到与
u c波形相同的工频正弦波电压u s.。

其中 u tri，决定开关的动作频率，u c决定输出电压 u0的相位和幅值。

设交流母线电压基波分量为U s，逆变桥输出电压为Uo ,为 Us 与 Uo 的相位
差，换流器电抗为 Xo 假定换流电抗器的损耗和谐波分量可忽略不计，可得交流
电网与换流器之间的有功功率和无功功率分别为 :
可以看出，基于电压源型换流 (VSC)技术的换流器不但可以提高功率因素，而且还可以稳定交流母线电压和动态补偿交流母线的无功功率，此时换流器起到静止同步补偿器的作用。

从系统角度来看，柔性直流输电中的换流器可以看成是
无转动惯量的电动机或发电机。

换流器可以实现有功功率和无功功率的独立调节。

3柔性直流输电的应用特点
3.1 柔性直流输电特点
柔性直流输电是采用可关断电力电子器件和脉宽调制 (PWM) 技术，它与传统直流输电相比，主要具有以下特点 :
1、基于电压源型换流(VSC)技术的换流器为无源逆变，对受端系统没有要求。

2、基于电压源型换流(VSC)技术的换流器产生少量的谐波，其对无功功率的需要也很少，因此在交流母线上只需安装一组高通滤波器即可满足谐波要求，同时可以减小无功补偿装置的容量，可以不用装设换流变压器，并简化开关。

3、基于电压源型换流(VSC)技术的换流器不会出现换相失败故障。

受端系统不会出现可持续几个周期的短时电源中断。

4、柔性直流输电采用模块化设计，这将大大缩短其设计、生产、安装和
调试周期。

5、基于电压源型换流 (VSC)技术的换流器的控制器可根据交流系统的需要不需要通信联络自动调节，从可减少通信的投资和维护费用。

3.2 柔性直流输电与传统直流输电比较
3.2.1 柔性直流输电与传统直流输电结构比较
柔性直流输电与传统直流输电在结构上存在不同，如表3-1 所示
表 3-1 柔性直流输电与传统直流输电结构比较
3.2.2 柔性直流输电与传统直流输电控制方式比较
柔性直流输电与传统直流输电在控制方式上存在不同，如表3-2 所示
表 3-2 柔性直流输电与传统直流输电控制方式比较
3.3 柔性直流输电应用领域
1、向偏远地区供电。

偏远地区一般具有远离电网、负荷轻、日负荷波动大等特点。

经济因素和线路输送能力低是限制交流输电线路的主要原因。

采用柔性直流输电，可以提高线
路的单位输送功率，减少线路维护工作量，并提高供电的可靠性。

2、电网的非同步运行。

模块化结构和电缆线路的使用，大大降低了柔性直流输电对地理环境的要求，同时也降低了换流站的投资。

这可使接入系统的位置主要考虑供电技术的需求。

3、城市配电网增容改造。

由于大中城市的人口密度急剧增大，可使用土地面积减少，因此输电线路的空中输电走廊已没有发展余地。

原有的配电网络架空线路已经不能满足电力增容的要求。

直流电缆与交流电缆相比具有占有空间小和输送功率多等特点，因此柔性直流输电可成为城市增容改造的最佳途径。

4、海上供电。

海上负荷 (海岛、海上石油钻井平台等负荷)一般远离陆地电网，通常靠
柴油或天然气来发电。

利用柴油或天然气来发电具有发电成本高、很难保证稳定供电和破坏环境等特点。

利用柔性直流输电向海上负荷输电，同时还可将海上负荷所产生的多余电能 (如用海上石油钻井获得的天然气发电 )反送给系统。

5、清洁能源发电接入电网。

由于自身特点的限制，清洁能源发电一般具有装机容量小、供电质量不高和远离主网等特点。

由于清洁能源发电的运营成本很高以和交流线路输送能力偏低
等因素，采用交流输电线路互联的方案无论在经济上还是在技术上均不实际，可见柔性直流输电与主网互联是充分利用清洁能源的最佳方式。

6、直流环网供电。

环网比辐射网及链式网的供电可靠性都高。

多个基于电压源型换流(VSC)技
术的换流器容易构成多端并联供电的直流环网，从而提高直流输电的可靠性和灵
活性。

7、提高配电网电能质量。

配电网电能质量问题主要由非线性负荷和冲击性负荷引起的，其可使一些敏感设备失灵，造成重大经济损失。

柔性直流输电系统可以分别控制系统的有功功率和无功功率，保持输出电压稳定，使电压和电流满足电能质量要求。

4柔性直流输电在城市电网中应用的可行性
4.1 柔性直流输电技术评估
通过交流线路向城市中心增加新的输电容量是昂贵的，并且在某些情况下，
新的输电走廊难以获得。

直流电缆比交流架空线所需的空间小，而且输送容量比交流电缆大，因此如果城市中心需要更多的电力，很多时候直流电缆是唯一现实
的解决方案。

柔性直流输电能够瞬时实现有功和无功的独立解藕控制，结构紧凑、占地面积小、且易于构成多端直流系统。

此外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。

利用这些特点不仅可以解决目前城市电网存在的问题，而且可以满足未来城市电网的发展要求，改善电力系统的安全稳定运行。

主要从一下几个方面体现：
(1)增强城市电网的供电能力，满足城市日益增长的负荷需求
柔性直流输电采用新型的交联聚乙烯 (XLPE) 挤压聚合物直流电缆，不仅占用空间小、输电能力强，而且可以安装在现有的交流电缆管内或线路走廊内，这样可以充分利用输电走廊，增强城市电网的供电能力，满足城市的负荷需求。

(2)为城市负荷中心提供必要的无功支撑，克服电压稳定性所构成的限制
柔性直流输电可以实现有功和无功的独立快速控制，在对其输送的有功功率快速、灵活控制的同时，还能够动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线的电压，起到 STATCOM 的作用。

这个特点不仅可以有效缓解城市中心区域大量的地下交流电缆以及空调负荷比例的日益增大造成的无功缺乏问题，还可以为城市负荷中心提供必要的无功支撑，维持城市电网的安全稳定运行。

(3)提高城市电网的可控性和安全可靠性
柔性直流输电具有快速多目标控制能力，可以实现正常运行时潮流的优化调
节故障时交流系统之间的快速紧急支援和隔离故障限制事故扩大，避免连锁故障。

此外，还可以增强系统的可控性和抗扰动能力，从而达到提高其稳定性、运行可
靠性和不增加短路容量、改善电能质量的目的。

(4)增强城市电网建设的可实施性，节省电力建设成本
柔性直流输电结构紧凑、占用空间小，模块化的设计使其的设计、生产、安装
和调试周期大为缩短。

采用新型的交联聚乙烯 (XLPE) 挤压聚合物直流电缆不仅安
装容易、快速，而且机械强度和柔韧性好、重量轻，更重要的是无油、电磁辐射和
无线电干扰小，利于实现与市政设施和环境的协调。

不仅增强城市电网建
设的可实施性，而且可以节省征地、赔偿等电力建设成本。

(5)满足电力市场要求，方便新能源接入
柔性直流输电的快速灵活的有功无功的控制能力，可以实现电力市场运作的
要求，即灵活控制潮流的能力，提供无功支撑等辅助服务，最大限度地满足电源
与用户之间输送能力的要求。

柔性直流输电可以在PQ 平面内四个象限运行，可以瞬时实现有功功率和无
功功率的独立调节，不仅可以实现对输送功率的控制，而且改善所连接换流站的
电压和频率，方便新能源的接入和增强系统的可扩展性。

4.2 柔性直流输电经济评估
输电线路的成本由基础设施投资和运行成本构成，基础设施投资包括线路走
廊、杆塔、导线、绝缘子和终端设备的费用，运行成本主要是损耗。

假定直流线路
和交流线路对于相同的峰值电压水平其绝缘要求相同，那么对于同样规格的输
电线，具有两根导线的直流线路输送的功率与具有三根导线的交流线路相当。

所以，对于给定的输送功率水平，直流线路所需要的走廊更窄，杆塔较简单和便宜，导线和绝缘子成本更低。

如果采用直流输电方案，由于只需采用两根输电线，若设交、直流输电
系统中每根输电线的载流量相同，则直流线路的输电损耗为相应的交流线路的
2/3。

直流线路没有集肤效应，与交流线路相比，在减少损耗方面更为有利。

对
于电缆输电，直流电缆的介质损耗也比交流电缆小得多。

直流导体的电晕效应比交流导体小。

影响输电线路成本的其他因素还有无功
补偿和终端设备的成本。

柔性直流线路不需要无功补偿，所需的滤波器也较小，
但是其换流器终端设备成本较高。

但是需要进一步说明的是，随着大功率电力电子器件的成本不断降低以及换
流站的模块化设计的不断完善，换流站的成本必将不断降低。

4.3 柔性直流输电总体评估
对于城市供电方式的综合评估从三个方面建立评价准则:经济性、可实施性和系统性能的改善，其中经济性主要指供电总投资，包括建设投资、损耗费用和年运行费用，可实施性包括节约线路走廊、占地面积、周围环境相协调以及满足未来电力发展趋势四个指标，系统支持效益包括不增加短路电流、增加系统的黑启动能力、无功电压支持、提高系统阻尼和系统的动态性能四个指标。

虽然柔性直流输电较交流输电的投资大，经济性较差，但由于其占地面积
小、与环境更协调，更易于满足未来电力的发展趋势使得电力建设的可实施性更强，再加上柔性直流输电本身固有特性可以大大改善原有系统的特性，对原有系统的支持效应更强，因此全面综合考虑各项指标可知柔性直流输电有较大的优
势。

5总结
本论文阐述了柔性直流输电的基本原理，对柔性直流输电的发展现状作了简要
的介绍，并结合一些代表性的工程应用介绍了柔性直流输电技术在各域的应用。

新型的基于电压源变流器的技术的柔性直流输电技术和传统的直流输电技术
相比有很多的优点，它作为一种成本合算的直流输电技术，适合向远地负载、小岛、海上钻井平台等孤立网络供电。

随着新能源发电和分布式发电技术的发展，
柔性直流输电是一种较为合适的连接新能源发电电站和电网的方式。

由于大中城市的空中输电走廊的限制和不断发展的城市负荷，以及对供电可靠性以及电能质量要求的不断提高，纯交流线路的城市配电网络已经越来越不能
满足社会和经济发展的需求。

而传统的HVDC 使用基于晶闸管开关的电网换相电流源模型 (CSC)又有许多不足。

一直到20 世纪 90 年代初期为止，其对偶—电压源换流器 (VSC) 并没有用于直流输电。

但大功率GTO 开关和随后的大功率IGBT 开关的商业化应用，改变了这种局面。

在过去的10 年里，开始使用 VSC 并不断有新的应用被发布。

由于柔型直流输电中利用电压源换流器VSC 的自换向特性具有诸多优点，使它受到广泛的关注。

本文分析了当前城市电网面临的问题和柔性直流输电的原理及技术优势，针对柔性直流输电在城市电网中的应用，为以后柔性直流输电在城市电网的实际应
用提供一定的参考价值。