柔性输电技术

柔性输电之直流输电

内容简介

轻型直流输电技术是20世纪90年代开始发展的一种新型直流输电技术，核心是采用以全控型器件（如GTO和IGBT等）组成的电压源换流器（VSC）进行换流。这种换流器功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，故称之为轻型直流输电，其系统原理如图2-1所示。

图2.1 柔性直流输电系统原理示意图其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器，主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器；全控换流桥的每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成，可以满足一定技术条件下的容量需求；直流侧电容为换流器提供电压支撑，直流电压的稳定是整个换

流器可靠工作的保证；交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用；交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆，对周围环境产生的影响很小。

1引言

随着科学技术的发展，到目前为止，电力传输经历了直流、交流和交直流混合输电三个阶段。早期的输电工程是从直流输电系统开始的，但是由于不能直接给直流电升压，使得输电距离受到较大的限制，不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。

19世纪80年代末发明了三相交流发电机和变压器，交流输电就普遍地代替了直流输电，并得到迅速发展，逐渐形成现代交流电网的雏形。大功率换流器的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，因此直流输电重新受到人们的重视。直流输电相比交流输电在某些方面具有一定优势，自从20世纪50年代联接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界第一条高压直流输电（HVDC）线路建成以来，HVDC在很多工程实践中得到了广泛的应用，如远距离大功率输电、海底电缆输电、两个交流系统之间的非同步联络等等。目前，国内已有多个大区之间通过直流输电系统实现非同步联网：未来几年，南方电网将建成世界上最大的多馈入直流系统；东北电网也有多条直流输电线路正在建设或纳入规划。交直流混合输电是现代电网的主要发展趋势。

经过多年来的研究和工程实践工作，HVDC技术有了较大的提高，在降低损耗、控制和保护技术等方面取得了长足的进步。但是HVDC在应用中，仍然存在着一些固有的缺陷：受端网络必须是一个有源系统，不能向无源系统供电；在向短路容量不足的系统供电时易发生换相失败；换流器本身为一谐波源，需要配置专门的滤波装置，增加了设备投资和占地而使费用相对较高；同时，运行过程中吸收较多的无功功率等。尽管人们对传统HVDC输电技术进行了不断的改进，但

这些改进措施均不能从根本上解决传统HVDC输电系统的不足。

20世纪90年代以后，随着电力电子技术的发展，特别是具有可关断能力的新型半导体器件的出现，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）等，这些新型全控型器件取代传统半控型晶闸管应用于HVDC中，从而促进了HVDC 输电技术的重大变革。1997年第一个采用IGBT组成的电压源型换流器的柔性直流输电（HVDC Flexible）试验工程在瑞典投入运行，标志着直流输电技术开始了新的发展。随着全控型功率器件的发展及其性能的不断改善，基于电压源（VSC）换流技术的高压直流输电（HVDC）的工程应用越来越多。从其技术特点和实际工程的运行来看，很适合应用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。

2柔性直流输电技术概述

2.1直流输电技术的发展历程

虽然历史上第一个实用的电力系统采用直流输电，但由于在电力工业发展初期，直流输电与交流输电相比存在很多劣势，如灵活变压能力差、电压低、损耗大、联网能力差、供电范围小、输电和用电设备复杂、维护量大和成本高等，导致直流输电的发展较慢。在很长一段时间内，直流输电都处于劣势，而交流输电发展迅速，占据了电力工业的主导地位。但是随着电力系统的不断发展壮大，电网联系日趋复杂，交流系统也暴露了一些其固有的特点，特别是交流远距离输电受到同步运行稳定性的限制，直流输电技术重新为人们重新重视，从而推动直流输电技术的快速发展。由于电力系统的发输配电各个环节绝大部分均为交流电，要采用直流输电，就必须要解决换流问题，因此，直流输电技术的发展主要体现在换流器件的发展变化上。根据换流器件的不同可以看出直流输电技术的发展过程。

1.可控汞弧阀换流器

20世纪50年代，可控汞弧阀（mercury arc valve）换流器的研制成功并投入运行，为发展高电压、大功率直流输电开辟了道路。1954年，世界上第一个采用汞弧阀换流器的商业化直流输电系统——瑞典大陆到哥特兰岛（Gotland）的直流输电工程的成功投入运行，标志着HVDC输电的诞生。20世纪50~70年代是HVDC的汞弧阀换流器换流时期。在此期间，世界上共有12项汞弧阀换流的

HVDC工程投入运行，总容量约为5000MW。但是由于汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高、可靠性较差、运行维护不便等因素，它很快被新兴的晶匝管阀换流技术所代替。到20世纪末期，全世界依然采用汞弧阀换流的HVDC工程尚存4个。

2.晶匝管换流器

由于晶匝管换流器克服了汞弧阀易发生逆弧、控制复杂、启动时间长等缺点，而且制造、维修和维护也都比汞弧阀方便，因此，随着高压大容量的可控硅元件组成的晶匝管换流器的出现，逐渐代替汞弧阀，并将HVDC输电带入一个新的发展时期，即所谓的晶匝管换流时期。1970年，瑞典首先采用可控硅换流器叠加在原有汞弧阀换流器上，对哥特兰岛直流输电系统进行了扩建增容，增容部分的直流电压为50kV、电流为200A、送电功率为10MW，扩建成为150kV、30MW的直流输电系统。1972年投入的加拿大伊尔河非同步联络站（80kV、320MW）是世界上第一个全部采用晶匝管换流器的直流输电工程。1976年以后，世界上建成的直流输电工程几乎全部采用可控硅换流器，包括目前世界上容量最大、电压等级最高的巴西Itaipu HVDC输电工程（1987年投运，±600kV，6300MW，传输距离约为800km）。晶匝管换流器的应用，使直流输电有了较快的发展。1960-1975年间，直流输电容量的年平均增长速度仅450MW，而1976-1980年间，年平均增长速度达1500MW。

虽然我国的直流输电工程起步较晚，但发展异常迅速，从1987年我国第一个直流输电工程——舟山直流输电工程开始，到2004年底已有7项直流输电工程投入运行，还有多项直流工程正在实施或计划建设，如三峡向上海送电的第二个HVDC工程，西北-华北HVDC B2B互联的灵宝工程，西南水电向华南、华中、广东输送的HVDC工程等。

3.新型半导体换流元件构成的换流器

目前，HVDC中应用最广泛的仍然是基于晶匝管的换流器，但是随着新型电力电子器件的出现，特别是可关断器件的发展，其电压等级不断提高，容量不断增大，而且具有高频开关特性，给HVDC技术注入新的活力。其中“轻型直流输电（HVDC light）”（即柔性直流输电）被认为是HVDC发展史上的一次重大技术突破。它一改传统的采用的CSC的作法，而是采用IGBT等可关断器件构成的