柔性直流输电技术和上海示范工程简介

柔性直流输电技术和上海示范工程简介

摘要：柔性直流输电技术是一种适用于小功率传输的新型直流输电技术。本文阐述了柔性直流的工作原理和应用优势，并简要介绍了上海南汇风电厂柔性直流输电示范工程。

关键词：柔性直流传统直流上海示范工程

1、引言

柔性直流输电（VSC-HVDC）技术是一种以电压源换流器（VSC）、可控关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型直流输电技术。与传统直流输电相比，具有控制灵活方便、提高系统稳定性，增加系统动态无功储备，改善电能质量、节约建设用地等技术优势，适用于可再生能源并网、孤岛供电、非同步互联、城市电网供电等多方面。

2、柔性直流输电技术原理与特点

2.1 柔性直流输电原理

轻型直流输电是在电压源换流器(VSC)技术和门极可关断晶闸管（GTO）及绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型功率器件基础上发展起来的，由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制（SPWM）式VSC，换流器的单相电路如图1所示。

1——直流电容器；2——IGBT；3——续流二极管；

4——换流电抗器；5——换流电容器

图1 换流器单相图

其工作原理是：把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。工频正弦波控制信号经与三角波载波信号比较产生触发信号，见图2。

VSC换流器可单独调节有功功率和无功功率。

有功功率计算公式：

无功功率计算公式：

式中、分别为VSC输出电压和母线电压基频分量的有效值，为与的相位差，X为换流电抗器的电抗。

2.2 柔性直流输电特点

与传统直流输电相比，柔性直流输电主要有以下技术特点：

(1)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，从而克服了传统直流输电受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用直流输电为远距离的孤立负荷送电成为可能。

(2)正常运行时VSC可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便。

(3)VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到静止无功补偿器(STATCOM)的作用，即动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。这意味着在VSC容量允许的情况下，一旦系统发生故障，轻型HVDC系统既可向故障区域提供有功功率的紧急支援，也可提供无功功率的紧急支援，从而提高系统得稳定性。

(4)由于VSC交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量。这意味着增加新的轻型HVDC线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。

(5)VSC通常采用SPWM技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。

(6)控制器可根据交流系统的需要实现自动调节，因此两侧的VSC换流器不需要通信联络。同时，换流站内的主设备较传统直流输电大为简化，使正常维护工作量大大减少，为实现无人或少人值守创造了有利条件。

3、上海南汇柔性直流示范工程

上海是我国最大的经济中心城市之一，但是受一次能源缺乏和环境保护要求的限制，为满足地区经济长远发展对电力的需求，除了接收区外来电外，上海电网积极引进清洁能源，发展清洁能源发电。上海位于我国东部沿海中间的突出部位，风能资源丰富，因此非常适合于大力发展风力发电。上海电网在上世纪末就开始着手风力发电建设工作。按上海电网新能源及可再生能源规划，至2020年，全市风力发电总装机容量可达到约1000MW。鉴于上海风电建设的现状和发展规划，未来将有较大容量的风电接入系统，在提高电网供电能力的同时也将给系统在频率、电压调整以及动态稳定性等方面带来诸多影响。

由于柔性直流输电技术的诸多优点使其能够在一定程度上解决风电并网后给系统带来的诸多问题。因此，将上海南汇风电场并网方案作为柔性直流输电技术的示范工程。

3.1 接入系统方案

上海南汇风电场是上海电网已建的规模最大的风电场。本工程将南汇风电场至大治站现有一回35kV线路治风3993线改造为柔性直流输电线路，并在南汇风电场和大治站附近各新建一个换流站，大治站侧换流站（书柔站）至大治站还需新建一段交流线路。直流输电电压采用±30kV，两端交流侧维持接入系统方案现状。

3.2 柔性直流输电系统基本工作特性

两个换流站间有功功率的平衡是通过选择一端换流器控制直流侧电压，另一端换流器控制有功功率来实现的。定电压控制可以使各换流站间有功功率传输自动平衡。换流站无功功率的控制，由两个换流站完全独立完成，无功功率指令的期望值可以由交流侧电压产生，也可以手动设置。由于换流器额定容量的限制，每个换流站有功功率和无功功率的独立控制被限制在一个确定运行范围内。柔性直流输电工程换流站控制系统是在各自换流站内独立运行的，不依赖于站间通信。

4、结语

作为国网公司“十一五”重大科技项目，上海示范工程是柔性直流输电技术应用于风电场与主网并网的一次探索和研究，将为以后的风电场、孤岛电网并网及柔性直流输电技术的推广应用提供技术支撑和运行经验，极具实践意义。

参考文献

[1]王兆安,黄俊.《电力电子技术》第四版.西安交通大学.

[2]《柔性直流输电示范工程初步设计》.上海电力设计院有限公司.