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

学院电气学院

学生xxx

学号xxx

哈尔滨工业大学

2014年4月3日

柔性直流输电在城市配电网中的应用

xxx

摘要：柔性直流技术的出现为城市高压电网的构建及微电网接入大电网提拱了新的技术手段和解决方案，因此研究柔性直流技术在城市电网中的应用具有重要意义。本文介绍了城市交流供电存在的问题，对城市配电网采用柔性直流输电方案的优点进行分析。在对柔性直流输电的主要研究内容进行研究的基础上，对城市供电系统采用直流输电的可行性进行分析。最后给出可行的家庭和办公直流供电方案。

关键词：柔性直流高压直流输电城市电网电压源换流器

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.柔性直流输电的主要研究内容

与基于自然换相技术的电流源型换流器的传统直流输电不同，VSC-HVDC 是一种以电压源换流器、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。这种输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。另外，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。下面详细介绍VSC-HVDC的系统结构及其基本工作原理。

2.1 系统结构

图1为柔性直流输电系统单线原理图，两端的换流站均采用VSC结构，它由换流站、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等部分组成。下面就各组成部分的结构和作用作一简单介绍。

图1 柔性直流输电单线原理图

电压源型换流器VSC：电压源型换流器的桥臂是由大功率的可控关断型电力电子器件（如IGBT、IGCT）和反并联二极管组成。随着大功率电力电子器件的发展，目前IGBT的耐受电压达到6.5kV、通断电流最大达到3kA，IGCT目前能承受的断态重复峰值电压达到6kV，最大可控关断电流达3∼6kA。目前，拥有柔性直流输电系统商业化运行实际工程业绩的，世界上只有ABB公司。在这些工程中，主要采用三相二电平和三相三电平两种换流器拓扑结构（如表1所示）。两电平换流器是用于轻型直流输电系统中最简单的换流器拓扑结构，如图2(a)所示。它有六个桥臂，每个桥臂由IGBT和与之反并联的二极管组成。图2(b)所示为中点钳位型三电平换流器拓扑结构。在高压大功率情况下，为提高换流器容量和系统的电压等级，每个桥臂由多个IGBT及其相并联的二极管相互串联来获得，其串联的个数由换流器的额定功率、电压等级和电力电子开关器件的通电能力与耐压强度决定。

表1 瑞典ABB公司已投运的部分柔性直流输电工程的相关参数和指标

工程名称投运时

间换流器

拓扑

开关调制

方式

开关频率可控性电路

复杂度

损耗

Gotland Tjaereborg Directilind 1999

2000

2000

两电平

Sinus

PWM

1950 非常好低高

Hagfors 1999 三电平SFOPWM 1260∼1650 非常好中中CrossSound

Cable Murrarylink 2002 三电平

3PWM

Sinus

PWM

1260

1350

非常好

中

中

低

Estlink 2006 两电平Optimum

PWM

1150 很好低低