直流输电

直流输电（精选十篇）

直流输电 篇1

直流输电诞生于19世纪80年代末，高压直流输电技术起步在20世纪50年代后期，随着电力需求的增长及交流输电局限性的进一步突出，整流和逆变技术的研制成功，直流输电取得了突破性的发展。据不完全统计，80年代，全世界已建成了30多项直流输电工程，直流输电在工业生产中发挥了越来越重要的作用。在这期间，具有代表性的项目有是电压等级为±600kv的巴西伊泰普水电站送出工程。进入20世纪90年代，随着电力电子控制理论和计算机技术的迅速发展，以及全控型电力电子功率器件和电压源换流器技术的发展，使得高压直流输电技术迅速成熟，可靠性大大加强。

直流输电技术在我国起步较晚，在20世纪80年代开始逐渐发展。进入90年代，开始建设葛南高压直流输电工程和三常直流输电工程，葛南高压直流输电工程于1989年12月极投产，1990年建成双极投产;三常直流输电工程于2003年5月投入运行。2001年开工建设的三峡———广东直流输电工程，2004年6月正式投产;同样是2001年开工的贵州———广东直流输电工程于2004年9月双极投产。

“十一五”发展期间，我国加大了高压直流输电工程的建设速度，建成的部分高压及超高压直流输电工程包括：贵州至广东第二回直流输电工程，输送容量为3000MW，送电距离为1000 km，电压为±500kv，于2007年建成投运;陕北至山东直流输电工程，电压等级为±500 kv，输送容量为3000MW，输电距离为1000 km;宁夏银南至天津直流输电工程，电压等级为±500kv，输电距离超过1200km。

2 直流输电的特点

直流输电的主要装置为换流站，包括整流站(把三相交流电变换成直流电的换流站)和逆变站(把直流线路送来的直流电变换成交流电的换流站)。直流输电按接线方式，分为单极直流输电、单极两线直流输电和双极直流输电。

与交流输电相比，直流输电具有下列优点：1)送电距离远，高压直流输电工程可以送电到2000公里以上的距离。2)直流输电的输送容量比交流输电更大，目前，在高压直流输电领域，已建成多项输送容量达到和超过5000MW的输送电工程。3)直流输电的稳定性好，直流输电的输送容量和距离不受同步运行的限制，可以实现两个不同频率系统的连接，达到电网的非同期联网。而交流输电的同步发动机必须保持同步运行。4)适用范围比交流输电更广，不仅可以在空中架设线路，也可以采用海底电缆送电。5)直流输电过程中，电能损耗少，直流输电一般只需用两根线，海底只需要一根电缆，远低于交流输电的导线根数，导线的电阻损耗比交流小很多，而且，直流输电没有集肤效应，导线可以变细，导线的截面积还可以得到充分利用。6)直流输电可以通过可控硅换流器进行快速调节，改变输送功率的大小。7)可以有效节约线路走廊，提高输电效率，按同等输送电压进行比较，直流线路的走廊还略小于交流线路，而输送容量约为交流线路的两倍，也就是说，直流输电的效率为交流输电的两倍。8)当输送功率相同时，其线路造价低;当输送功率相同时，其功率损耗小。9)两端交流电力系统无需同步运行，输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制;可以实现不同频率或相同频率交流系统之间的非同步联系。10)直流输电线路在稳态运行时线路电压降较小(仅电阻性压降)，线路部分不需要无功补偿装置。

同时，直流输电有一些缺点，比如必须采取抑制谐波的措施;换流站造价高;单极直流输电的大地回流对地下埋设设备的金属物造成腐蚀等。

3 直流输电的发展前景

作为远距离、大功率输电模式，直流输电可以采用海底电缆送电，用地下电缆向用电密度高的城市供电，也适合火电基地电力外送以及巨型水电网络互联等。对于能源资源主要集中在西部，而主要负荷却集中在中东部的我国而言，恰是我国电网发展中所需要的。

如何选择输电方式，不仅关系到电力系统建成后的输送能力，还关系到电力系统工程效益、安全稳定和电力市场营销等一系列问题。随着我国加大对西部电力资源的开发力度，巨型电站大规模建设，输送电力的容量越来越大，输送电力的距离越来越远，对输送电的可靠性要求越来越高，直流输电技术特别是高压直流输电技术将在我国电网的发展中发挥越来越重要的作用。同时，也给直流输电技术提出了更高的要求。

加快交直流并联系统的研究：电网互联采用交流联网方式，有方案实施简便、反应速度快的优点。但考虑到联网后两网之间的自然“捆绑”，使交流同步范围延伸，当其中一个电网发生故障时，可能会波及到多个互联电网，导致故障的后果蔓延。如果电网互联采用直流方式时，则可以有效地隔断互联交流电网间的相互影响，不会形成相互干扰，本网所发生的事故可以控制在本网范围内。因此，如何更好地结合交、直流的优点，认真研究交直流并联运行系统的问题，提高交直流并联系统的运行水平，成为一个重要课题。

提高额定输送容量和额定电压等级：目前，高压输电工程的电压等级对于送电距离在1000km左右、送电容量不超过3000MW的直流工程来说，±500kv的电压基本合适。但当送电容量超过3000MW，送电距离接近或超过1500 km时，需要将电压等级提高到±600kv甚至更高，以充分利用线路走廊资源，减少输电回路数，降低输电损耗。比如，特变电工特高压研究基地正在研究的±1100kv的超高电压就是一种很好的尝试。

4 结语

提高直流输电技术的可靠性，提高直流输电的输送容量和输送的电压等级，提高交直流并联系统的运行能力，加快交直流并联的研究，这是我国电网发展的需要，也将是世界电网发展的趋势。有理由预测，在未来10～20年，采用直流输电将成为输电方式的主流。

参考文献

[1]王兆安, 黄俊编著.电力电子技术.机械工业出版社, 2003.

[2]李兴源编著.高压直流输电系统的运行和控制.北京:科学出版社, 1998.

[3]全国联网规划深化研究工作组.全国联网规划研究总体报告, 2003.

《高压直流输电系统》开题报告 篇2

一、毕业设计(论文)课题来源、类型 本毕业设计的课题来源为导师给定，课题类型为研究类。

二、选题的目的及意义 本毕业设计的主要任务是高压直流输电系统谐波电流的分析与研究。我国能源和负荷的地理分布极不均衡，决定了我国要解决21世纪上半叶的电力供应问题，就必须在大力开发水电和火电的同时，建设全国能源传输通道，实现长距离大容量的“西电东送”和“北电南送”，从而实现全国联网，充分发挥电网的水火互补调剂及区域负荷错峰作用。目前，我国已经建成了多条直流输电线路，包括早期建成的舟山试验工程和葛卜直流输电工程，以及近年新建的天广、三常、三广和贵广直流输电工程等。我国正在建设和规划建设中的还有灵宝背靠背、三峡一上海、云南水电送广东、四川水电送华中、华东以及西南水电送江西、福建，广东一海南联网等直流输电工程。我国的直流输电技术必将在此过程中有长足的发展。直流输电因其输电容量大，控制响应速度快，自身没有同步运行的稳定性问题，远距离、大容量送电优势明显，已成为我国重要的远距离、大容量送电和区域联网方式。高压直流输电中的谐波问题也日益突出，谐波的存在使

得系统电能质量下降。其不但会严重影响电力系统自身的安全运行，而且还影响输变电设备的正常运行和干扰周围的通信系统。为此，我国于1993年对电网中的谐波制定了相应的国家标准。谐波对电力系统和其他用电设备可能带来非常严重的影响和危害。如果交、直流系统的谐波分量过大，会使系统电压波形发生畸变，降低电能的质量。谐波电压和谐波电流对电力系统的影响一般有以下几点：

1．会在电网中引起局部的并联或串联谐振，加大了谐波分量；

2．由谐振导致的局部过电压，加速电力设备绝缘老化，缩短使用寿命，增加建设投资；

3．增加电网中发电机和电容器的附加损耗；

4．影响换流器控制的稳定性；

5．干扰邻近的通信设备，使电话线路产生杂音，降低通信质量。

6.干扰仪表和电能计量，造成较大误差;

7.对继电保护或自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动

8．谐波的存在对电网的经济运行也有一定程度的影响。即使是在谐波分量没有超标的情况下，谐波也会造成大量有功功率和无功功率的损耗。虽然它的相对值并不大，但是绝对数量也是非常可观的。高压直流输电的换流器是一个高度非线性的谐波源，高

压直流输电系统运行时会在交、直流系统中产生丰富的谐波，包括特征谐波及非特征谐波，因而进行谐波治理之前需要了解高压直流输电系统中谐波的次数及含量。这也正是本课题的研究意义所在。

三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势 由于电力系统日益复杂化以及电能质量要求日益提高，高压直流输电系统谐波检测研究也在向纵深发展，主要发展趋势有：

(1)谐波检测对象研究从以稳态谐波检测研究为主转向非稳态谐披(波动谐波、快速变化谐波)检测。目前，对稳态谐波检测的研究已经比较深入，其中的FFT检测方法及其实现技术已经比较成熟。

(2)谐波检测方法研究将以改善FFT为主转向探索新的有效方法。由于DFT、FFT受使用条件的限制，对小波变换、瞬时无功功率理论、d-q旋转坐标变换、NN遗传算法等开展深入研究是一种必然选择，这些新的谐波检测方法被广泛应用是一种发展趋势。

(3)谐波检测实现技术研究将以模拟电路技术和不可编程数字电路技术为主转向追求高精度、高速度和高可靠性、高实时性、高鲁棒性的可编程器件技术”。

(4)谐波理论研究从以传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论。传统的谐波理论很少关注不同次谐波之间产生的畸变

功率问题以及非稳态谐波问题，已经不能完全适应电力系统复杂化的客观实际，探索适用于复杂化系统的通用谐波理论以及新的谐波评定方法，不仅是谐波理论自身发展的需要，更是解决电力系统谐波问题的客观需求。

四、本课题主要研究内容 本课题主要研究内容为：

了解国内外高压直流输电系统及其谐波问题的研究状况及研究方法。

学习快速傅里叶变换理论，深入研究分析FFT理论用于分析高压直流输电系统谐波的可行性和可能遇到的问题。

利用Matlab编写基于FFT谐波检测算法，验证该算法程序的正确性和有效性。

利用Matlab搭建 Simulink 仿真模型产生比较符合实际的高压直流输电系统电流波形并进行抽样采集。

轻型直流输电及其应用前景研究 篇3

【关键词】轻型直流输电；高压直流输电；海上风电

0.引言

现代高压直流输电（HVDC）普遍采用晶闸管和移相换流器技术，多用于远距离、大功率输电[1]。但晶闸管（SCR）开关频率较低，换相损耗大。而移相换流器接线复杂，体积庞大，换流电压谐波含量高、功率性能指标低等缺点。因此，由于技术和经济等各方面的的原因， HVDC在近距离小容量的输电场合却难以应用。随着电力半导体技术尤其是绝缘栅双极晶体管（IGBT）的快速发展，其额定电压越来越高，并且在很大程度频率变化范围内仍能有较好的电压分布，促进了HVDC的轻型化，轻型高压直流输电系统即HVDC Light应运而生。

这种轻型直流输电系统把HVDC的容量延伸到了只有几MW到几十MW[2]，除具有传统HVDC的优点外，还可直接向小型孤立的远距离负荷供电，更经济地向市中心送电，方便地连接分散电源，运行控制方式灵活多变，减少输电线路的电压降落和电压闪变，从而进一步提高电能质量，因而具有很好的应用前景[3]。

1.轻型直流输电简介及其特点

轻型HVDC是在绝缘栅双极晶体管和电压源换流器（VSC）基础上发展起来的，其基本原理如图1所示。设送端和受端换流器均采用VSC，则两个换流器具有相同的结构。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。换流桥每个桥臂均由多个IGBT串联而成。换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用。直流电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。

HVDC Light其特点：

（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HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷， 使利用HVDC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）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。

（4）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。

（5）多个VSC可以接到一个固定极性的直流母线上，易于构成与交流系统具有相同拓扑结构的多端直流系统，运行控制方式灵活多变。

2.轻型直流输电技术在国内外的应用

自1954年世界上第1条高压直流输电联络线投入工业化运行以来， HVDC作为一项日趋成熟的技术在远距离大功率输电、海底电缆送电、两个交流系统之间的非同步联络等方面得到了广泛应用。到目前为止，全世界共有70 多个HVDC输电工程[4]。

随着我国经济的飞速发展，能源紧缺和环境污染等问题日益显著，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，可再生清洁能源的发展首推风电。合理开发和利用风能、太阳能等可再生能源是符合我国国情需要的，但这些可再生能源一般分散性强、且远离负荷中心，接入系统后还会影响整个电网的稳定情况。传统直流输电技术能够解决这个问题，却不是很经济，而模块化设计的轻型直流输电将是个不错的选择。

3.轻型直流输电的应用前景

（1）向偏远地区供电。

（2）海上供电。

（3）城市配电网增容改造。

（4）清洁能源发电。

（5）提高配电网电能质量。

（6）在风电领域的发展前景。

由于海上风能资源丰富，发电量比陆地上更大，同时受到环境的影响也很小，在当今技术的可行性条件下，海上风力发电必将成为一个迅速发展的领域[5]。但是，随着海上风电场容量在电网中所占比例的不断增加，海上风电场对电网的稳定性、安全性，以及电能质量的影响也越来越显著。传统的无功补偿装置，如静止无功补偿（Static Compensator，STATCOM），电压源换流器等，虽然能在部分范围内改善风电场并网性能，但是对电网的影响并没有从实质上得到改善。因此，对海上风电场并网方法的研究就非常必要。

VSC-HVDC系统传输性能好，对于相同线材，其传输容量为交流系统的1.5～2倍。VSC-HVDC系统电能损耗小，其阻性损耗一般只有相同容量交流系统的65%。换流站为室内式设计，占地少，维修容易，建造工期短。海上风电轻型直流输电系统的核心技术在于所采用的大容量换流器，其主要为ABB、西门子公司所拥有，并在国外的大型海上风电场得以成功应用[5]。我国在轻型直流输电技术方面还处于跟踪与技术储备阶段，国家电网公司已制定了相应的实施计划，并在福建（岛屿输电）、甘肃（大型风电场）、上海（城市供电）建立了应用示范。

4.结束语

作为一项新型的输电技术，HVDC Light以其自身的特点在应用方面显示出了很大的优越性。

可以预见的是，在不久的将来，轻型直流输电将在向偏远地区供电、海上供电、城网增容改造、新能源的利用以及改善配网电能质量等方面发挥不可限量的作用，随着高新技术产业快速发展、可再生能源全面开发以及电力市场日益发展和完善，对高品质电能质量和电网运行的灵活性和可靠性要求进一步提高，HVDC Light必将在我国得到日趋广泛的重视，研究与应用。

【参考文献】

[1]王官洁，任震.高压直流输电技术[M].重庆：重庆大学出版社，1997.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]文俊，张一工，韩民晓，肖湘宁.轻型高压直流输电——一种新一代的HVDC技术[J].电网技术，2003，27（1）.

[4]李庚银，吕鹏飞，李广凯，周明.轻型高压直流输电技术的发展与展望[J].2003，27（4）.

浅谈高压直流输电与交流输电的特点 篇4

1.1 高压直流输电基本原理

高压直流输电的定义:发电厂发出的交流电, 经整流器变换成直流电输送至受电端, 再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流电网。

直流输电的一次设备主要由换流站 (整流站和逆变站) 、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成。

1.2 高压直流输电的技术特点

(1) 高压直流输电输送容量更大、送电距离更远。

(2) 直流输送功率的大小和方向可以实现快速控制和调节。

(3) 直流输电接入系统是不会增加原有电力系统的短路电流容量的, 也并不受系统稳定极限的限制。

(4) 直流输电是可以充分利用线路的走廊资源, 线路的走廊宽度大致为交流输电线路的一半, 并且送电容量相比前者更大。

(5) 直流输电工程运行时, 无论任一极发生故障时, 另一极均能继续运行, 并可以发挥过负荷能力, 保持输送功率不变或最大限度的减少输送功率的损失。

(6) 直流系统本身具有调制功能, 可根据系统的要求做出快速响应, 对机电振荡产生阻尼, 阻尼能够产生低频振荡, 从而提高了电力系统暂态稳定水平。

(7) 能够通过换流站内配置的无功功率自动控制装置对系统交流电压进行自动调节。

(8) 对于大电网而言, 能够实现大电网之间通过直流输电互联供电的方式, 同时2个电网之间也不会因为这种方式产生互相干扰和影响, 并在必要时可以迅速进行功率交换。

2 高压交流输电

2.1 交流输电的基本原理

发电厂发出的电能以交流形式输送的方式送至受电端。交流电可以方便灵活地根据需要通过变压器升压和降压, 使配送电能变得极为便利。

2.2 交流输电的特点

(1) 高压交流输电在输电的过程中可以有中转点, 可以组成强大的电力网络, 根据电源点分布、负荷点的布点、传输电力和进行电力交换等实际需要而构成国家高压、特高压主体电网网架。因此高压交流电网的最大优势是:输送电能的能力比较强大、覆盖的范围很广、电网线损小、输电路径明显减少, 能很灵活地适应电力市场运营的要求。

(2) 采用高压交流输电能够实现如同网络般的功能, 我们知道高压交流同步电网中线路两端的功角差是可以控制在20°及以下的。因此, 交流同步电网的安全稳定性越高, 同步的能力就越大、电网的功角稳定性就越好、抗干扰的能力就越强。

(3) 在输送电能的过程中, 由于高压交流线路是采用三相交流输电方式, 导线间会产生充电无功功率, 容易造成过电压效应。为了抑制因此造成的工频过电压, 线路须装设并联电抗器。每当线路输送功率产生变化, 送端和受端的无功也将随之发生变化。如果受端电网的无功功率潮流的分层分区平衡不合适, 特别是系统动态无功备用容量不足, 在极端的运行情况和严重故障条件下, 电压的稳定就会上升成为系统安全运行的主要问题。这使得电网的安全稳定运行受到很大的威胁, 是个非常严重的问题。

(4) 基于以上的问题, 提出了适时引入1 000 k V特高压输电的方案, 这样就可为受端电网提供更可靠的电压和无功支撑, 此方案可以说是从根本上解决500 k V短路电流严重超标和500 k V以下的高压输电能力低的问题。

3 高压直流与交流输电比较

3.1 技术特性比较

(1) 交流输电的优点:从设备造价上来说要相对低廉, 输、配电在该环节中, 交流电可以方便地通过变压器升压和降压, 使得配送电能变得非常的方便、合理、灵活, 能够适应不同的用电需求。此点是交流电与直流电相比所具有的独特优势。直流电相比于交流电的一次设备由于多了逆变环节而变得更加繁琐, 并且因为环节变得多了, 设备造价就不可能低, 而直流输电对技术的要求更高, 因此在设备造价上没有优势。三相交流电因为环节简单且具有造价的优势, 所以获得了广泛应用。

(2) 交流输电的缺点:在交流输电线路中, 除了传输导线本身的电阻损耗外, 还有导线因为距离过长而产生的交流感抗的损耗。为了解决交流输电所附带产生的电阻损耗, 方法是采用升高电压等级, 例如500 k V或者更高的1 000 k V电压。由电能计算公式S=U×I可以得知, 当输送同样的电力功率S的情况下, 电压等级U如果变高了, 输送的电流I就可以下降, 可用此方法来减小损耗。但是交流电感损耗不能采用这种方法来减小, 因此交流输电做太远距离输电的效果也不是很好。同样根据电能计算公式可知, 因为线路本身是有电阻的, 如果线路过长, 输送的电能就会全部消耗在输电线路上。另外, 交流输电并网还要考虑相位一致的问题。如果2个上网电厂的发电机组的相角不一致, 或差异很大的情况下, 2组发电机一旦并网发电功率就会互相抵消。所以现在许多电力技术发达的国家正在研究直流输电方式。

(3) 直流输电的优点:1) 因为直流输电只有两极, 从原理上直流输电不存在交变频率 (如工频) , 直流输电就可以避免如前所述的交流输电产生的电感损耗, 只有导线电阻的损耗。因此可以被用作远距离大容量输电、电力系统联网、远距离海底电缆或大城市地下电缆送电、配电网络的轻型直流输电等方面。2) 直流系统不存在稳定问题, 交流电力系统中所有的同步发电机都必须保持同步运行。两端机组的交流输电系统的等值电路如图1所示。

输送功率为:P= (E1E2/XΣ) sinδ

式中, E1、E2分别为受、送端交流系统的等值电势;XΣ为线路、发电机、变压器的等值电抗;δ为发电机两端的电势的相角差。

如果采用直流输电系统连接2个交流系统, 由于直流没有交变频率、没有电抗值、没有电抗的影响, 因此不存在电网并网同期的问题。由此可得出, 直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制, 还可连接2个不同频率的系统, 实现非同期联网, 这就大大提高了系统的稳定性。

(4) 直流输电面临的问题:其与交流输电一样也存在的问题是电压等级升高了, 随之对设备的外绝缘要求肯定也更高。直流输电环节中的最重要的核心设施换流站的主接线的基本结构是非常复杂的, 而换流站污秽等级较高, 污染同时也会造成直流场设备绝缘问题;直流输电极易受到干扰, 抗干扰相对于交流输电要差, 因此对电磁环境的要求更高;在故障发生时, 由于直流系统没有电抗, 等值电阻非常小, 直流系统一级接地的电流会比交流系统接地电流更大;强大的故障电流对电力系统的冲击, 电网内的其他交流系统能否承受是个很大的问题。大功率的直流交流变换设备目前仍存在着制造技术难度, 还没有能够解决随之而产生的问题。现有的运行经验能够得出的数据也很少。因为用户大多数采用的都是交流电, 直流电经过传输后到了用户端还是要转变为交流电, 直流输电仅仅是传输电能的中间环节, 但是直流输电的应用价值非常值得研究和推广。

3.2 经济性能比较

(1) 直流架空线路投资省。直流输电一般采用双极中性点接地方式, 这种方式仅需2根导线, 而三相交流线路就需要3根导线, 但两者输送的功率几乎相等, 显然前者减轻了杆塔的荷重, 减少了线路路径的宽度, 节约了占地面积。对于同等的输送功率和距离, 直流架空线路的投资一般为交流的2/3。

(2) 直流电缆线路的投资少。同样绝缘等级的电缆, 用于直流时, 允许工作电压是交流的2倍, 所以同等电压等级, 直流电缆的造价远低于交流电缆。

(3) 换流站比变电站投资大。直流输电环节中的换流站的设备比交流变电站复杂, 除换流变外, 还有可控硅换流器, 以及换流器的其他附属设备, 这些设备的造价都非常高昂, 因此换流站的投资高于同等容量的交流变电站。

(4) 运行维护费用较省。根据国外的运行经验, 线路和站内设备的年折旧维护费用占工程建设费用的百分数, 交流与直流基本持平。但在相同导线截面和输送有功功率时, 直流输电电能损耗是交流输电的2/3。

4 结语

由上所述, 可知单一的交流输电和直流输电并不能全部解决问题。更好的方法是将直流输电与交流输电这2种方式结合起来, 发挥各自的优势, 构成新型的电力传输网络, 组建更强大的电网, 以满足电网日益发展的需要, 使电网更加安全稳定可靠。

参考文献

[1]李立浧．特高压直流输电特点[J]．电力设备，2004，5 (11) :1～3

[2]中国电力顾问集团特高压系统研究组.特高压电网目标网架规划 (讨论稿) [R].2005

直流输电 篇5

4发展现状与趋势

4.1发展现状

现阶段，我国电能在传输过程中主要通过柔性直流输电工程技术进行传输，该技术与传统的直流技术相比存在着很大的优势，可以在各个领域中得到广泛应用，常见的有可再生能源的接入、孤岛海上供电、城市供电等，可以满足不同领域的用电需求，促进各个领域快速发展。柔性直流输电工程技术与传统直流输出技术相比存在着很多不可替代的优势，而这些优势对其在未来的发展来说也打下了良好的基础。

4.2发展趋势

柔性直流输电工程技术发在这个领域中得到了广泛的应用，促进各行领域快速发展，这对其在未来的发展来说也有着非常重要的作用，扩大了其在未来发展的空间，并在一定程度上促进了电力行业发展。现阶段，我国柔性直流输电工程技术在发展成功推动了风电并网，实现电力互联，提高我国经济效益[7]。然而，我国柔性直流输电工程技术与一些发达国家相比仍存在着一定的不足，要想从根本上解决这一问题就需要不断吸取、借鉴其他国家的技术、经验、手段，并根据自身发展现状制定出一项全新的发展方案，只有这样才能柔性直流输电工程技术进一步发展，扩大自身的使用功能，实现高压大容量柔性直流技术、直流电网技术等。

5结束语

电能是人们日常生活中重要组成部分，而电能的传输会直接影响人们的用电安全性与稳定性。因此，要想保证电能可以以一个安全、稳定的形式运行下去，就可以通过柔性直流输电工程技术进行操作，只有这样才能满足现代人们的用电需求，从而促进我国电力行业快速发展，扩大柔性直流输电工程技术的发展空间。文章对柔性直流输电工程技术的应用、发展现状以及发展趋势进行了简单的研究，并根据自身的发展现状制定出科学、合理、安全、可靠的电能传输方式。文章中存有不足，希望我国专业技术人员加强对柔性直流输电工程技术的应用、发展现状以及发展趋势的研究。

参考文献：

[1]李强,魏澈,洪毅,等.海上油气田柔性直流输电系统关键技术及应用方案[J].中国海上油气,,(2):156-160.

[2]吕金都,王致杰,王海群,等.柔性直流输电技术及其应用研究[J].电力学报,,(4):293-300.

[3]刘云,李庚银,肖景良.高压柔性直流输电工程建设一次系统方案关键技术研究[J].现代电力,2015,(3):76-80.

[4]“高压大容量多端柔性直流输电关键技术开发、装备研制及工程应用”项目通过中机联科学技术成果鉴定[J].南方电网技术,2015,(4):59.

[5]尹寿,翟毅,吴昊,等.基于柔性直流输电技术的分布式发电在城市电网中的应用[J].江苏电机工程,,(4):9-12.

[6]许强,罗俊华,张丽,等.柔性直流输电示范工程电缆进线相关技术探讨[J].华东电力,,(7):1151-1154.

浅述直流输电的优势及发展前景 篇6

关键词：直流输电 优点 发展前景

中图分类号：TM721.1 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0077-01

直流输电的发展已经有一百多年的历史，而电力技术的发展是就从直流电开始的。早期的直流输电是直接从直流电源送往直流负荷，不经过任何换流。它在输电技术发展初期起到了非常大的作用。但是随着三相交流发电机、感应电动机和变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代，这是由于直流电机运行复杂，而且存在高电压大容量直流电机换向困难等技术问题。20世纪中期以后，由于城市的迅速发展，对电力需求，尤其远距离大容量输电的需求日益增长，致使远距离大容量输电线路不断增加，电网不断扩大。在这种情况下，由于交流输电会受到同步运行稳定性的限制，采用直流输电将会是更为合理的选择，其原因是直流输电有着交流输电所不具有的优点，例如线路投资少、适于远距离大容量输电、系统稳定高等等。

早在1950年，苏联就已经建成一条长达43 km、电压200 kV、输送功率为3万 kw的直流试验线路。随后在1954年，瑞典把高压直流输电技术应用于瑞典本土的海底电缆，总长度接近100 km，电压达到100 kw，送电容量则为2万 kw。1961年，英法两国合作，采用海底电缆建成了100 kV、16万 kw、总长度65 km的直流输电线路，成功地把两国交流电力系统连接了起来，推动了直流输电的新发展。时至今日，作为交流输电技术的有力补充，直流输电技术已在全世界得到越来越多的重视和应用，而且海底电缆的输电工程几乎都采用直流输电。

1 直流输电的优势

换流站是直流输电的主要装置，由整流站和逆变站组成。按接线方式，直流输电又可分为单极输电、单极两线输电以及双极输电。直流输电的再次受到重视，并得以迅速发展，表明其在输电技术领域中确有交流输电替代不了的优势，尤其是以下诸点：

（1）直流输电功率和电流是由两端直流电压决定的，所以可以通过改变换流器的触发相位来调节电压，不但调节速度快，而且调节方式多样。

（2）直流输电不存在交变频率，如工频，可以避免交流输电产生的电感损耗，从而实现远距离大容量输电。直流输电也可以用于远距离海底电缆、地下电缆送电、电力系统联网等方面。

（3）直流没有交变频率，不会受到电抗值的影响，所以直流输电更加稳定，不存在电网并网同期的问题。也就是说，直流输电的输送距离和容量不会受到同步运行稳定性的限制，可以同时连接不同频率的系统，实现非同期联网，有效提高了电网系统的稳定性。

（4）直流输电具有很高的灵活性，在双极直流输电线中，当一极导线停止工作时，另一极导线和大地回路仍然可以输送一半容量的电能。

（5）直流线路通常仅需根导线，线路建设费用低。在输送相同功率条件下，直流线路的功率损耗比交流线路要少三分之一左右。而且，直流线路还能节省钢材，减少线路占地面积。

（6）交流电力系统互联或配电网增容时，直流输电可以作为限制短路电流的措施，这是由于它所具有的调节快、控制性能好特点所决定的。它可以有效地限制短路电流，使其基本保持稳定。

（7）稳态时直流线路不存在电容电流，沿线电压分布十分平稳，不存在空载时交流长线受端出现的电压异常升高现象，而且也不需要并联电抗补偿。

由于以上优点，直流输电将会具有非常广阔的适用范围，包括长距离、大功率送电、海底电缆送电、通过地下电缆向用电密度高的城市供电，以及为新电源提供配套技术。

2 直流输电的发展前景

直流输电在目前还是一项正在发展中的技术，还不如交流输电那样成熟，依然存在换流装置较昂贵，消耗无功功率多，产生谐波影響、缺乏直流开关、运行可靠性不十分稳定等缺点。但是随着电子技术，尤其是大功率半导体器件的发展，直流输电技术将会得到长足的发展，这些缺点也会随之一一克服。我国水电主要分布在两南、西北地区，而负荷中心却集中在京津以及沿海地区，所以发展“西电东送”、“北电南送”已成为必然趋势。我国正在加大对西部电力资源的开发力度，更多的巨型电站正在建设中。直流输电技术，特别是高压直流输电技术将在我国电网的发展中发挥的作用会越来越大，具有广阔的发展前景。当然，对直流输电技术也提出了更高的要求。

与此同时，直流输电可以采用海底电缆方式送电，用地下电缆向用电密度高的城市供电，将成为我国城市输电的发展趋势。由于直流输电所具有的诸多优点，采用高压直流电缆输电已在我国城市输电中受到重视，必将成为我国今后大功率城市供电的发展方向。

3 结语

提高直流输电技术的可靠性、输送容量和电压等级，以及加快交直流并联的研究是我国电网发展的需要，也将是世界电网发展的趋势。直流输电是适应电力现代化要求的电力技术，拥有非常广阔的应用前景。我们有理由预测在未来20～30年内，直流输电将成为我国输电方式的主流。

参考文献

[1]方颖.交流输电和直流输电的区别和应用[J].物理教师，2004（12）.

[2]喻新强.国家电网公司直流输电系统可靠性统计与分析[J].电网技术，2009（l2）.

[3]陈泳.浅谈高压直流输电与交流输电的特点[J].机电信息，2011（15）.

直流输电系统的“诊断医生” 篇7

该研究内容来源于国家高技术产业发展计划项目“直流输电系统全数字实时仿真系统的开发”项目 (项目号:SP11J-2001-01) 和国家电网公司资助项目“电力系统全数字实时仿真装置的研制” (项目号:SP11-2001-01-06) , 在《中国电机工程学报》 (Proceedings of the CSEE) 2011年8月第31卷22期的论文《交直流电力系统分割并行电磁暂态数字仿真方法》中得到了全面阐述。

随着跨区互联电网的规模日益扩大以及直流输电工程的日益增多, 为确保电网安全稳定运行, 迫切需要进行交直流系统相互影响、直流输电系统控制策略、直流输电系统控制保护装置验证等仿真分析和试验研究工作。然而, 现有离线仿真软件无法进行物理设备的试验验证, 物理模型动态模拟和数模混合半物理仿真又存在仿真规模小, 试验工作量大, 效率不高等不足, 实时数字仿真具有仿真规模相对较大、效率高、方便灵活等优点, 但现有RTDS实时仿真装置采用专有硬件, 扩展性差, 为此迫切需要开发基于通用硬件平台的、扩展性好、能进行直流输电系统电磁暂态实时仿真的仿真系统。直流输电系统电磁暂态实时仿真的难点主要体现在:直流输电系统由大量换流阀组成且换流阀频繁导通或关断, 每一次导通或关断都意味着网络的拓扑结构发生变化。现有的电磁暂态数字仿真方法, 一般是将交直流电力系统中的交流网络、换流器、直流网络等各部分分别形成暂态等值计算电路, 然后根据其连接关系形成统一的网络节点电压方程来进行求解。换流阀导通或关断导致网络拓扑结构发生变化时, 该节点电压方程中的计算电导阵需要重新进行三角分解, 由于网络拓扑变化频繁, 会引起计算量的大幅度上升, 难以实现实时仿真。

该文针对上述问题的特点, 提出了一种交直流分割并行的电磁暂态数字仿真方法, 其主要思路有两点, 一是将拓扑结构变化频繁的直流输电系统与很少发生变化的交流网络的计算分开, 避免直流输电系统拓扑结构变化对电力系统其它部分的影响, 打个比方说, 要将一本书里的插图都编上号, 一种方法是将全书插图统一编号, 如果要在中间插入一张新图, 那么这张图之后的所有的图号都需要重编, 工作量很大, 该文的方法类似于将图分章节来编号, 如果要插一张新图, 只需要对插入新图的那一章节中位于这张图之后的图重新编号, 工作量要小很多;二是采用并行计算技术, 以提高计算速度。并行计算可以打个比方是很多个人同时来干一件事情, 任务分割了, 各人领到的任务量少了, 速度自然就提高了, 例如, 一本书共10章, 由10个人来写, 每人写1章, 在各人写作能力相同的前提下, 肯定比1人写10章要快很多。当然并行计算的各任务之间彼此有联系, 比上例要复杂得多。实际案例应用效果表明, 该方法大大提高了直流输电系统电磁暂态仿真的效率。

直流输电 篇8

关键词：高压直流输电,直流保护,整定计算,整定预备量

0 引言

高压直流输电系统直流保护装置的工作能力以可靠性、选择性、速动性和灵敏性为衡量指标。这些指标实际上取决于保护装置的软硬件性能、保护原理的有效性和保护定值的合理性[1]。目前的研究大多集中在提高保护原理的有效性方面,如直流保护的动作原理与策略[2,3,4,5,6]、交直流系统的相互作用对直流保护的影响[7,8,9]等;而保护定值的合理性方面存在的问题已导致多起直流保护不正确动作事故[10,11],有必要对直流保护的整定计算展开深入研究。

保护定值的合理性在很大程度上取决于保护整定计算工作的有效开展。直流保护整定计算所需要的故障量极限值,如最大、最小短路电流,由于直流系统所具有的一些特点,难以通过解析化的故障分析算法方便地获得,而不得不依赖于电磁暂态仿真软件以枚举式的方法反复进行仿真计算。由于在设置故障仿真条件时缺乏标准指导而完全依赖于经验,存在着仿真量偏大和可能遗漏故障量极限值等问题,影响了保护定值的合理性,滋生出保护拒动或误动隐患。

针对上述问题,本文参考成熟的交流保护整定经验,提出了直流保护整定预备量(即与保护相关的特征故障量的极限值)的定义,并分析了系统运行方式和故障时刻等因素对整定预备量的影响,进而提出了获取整定预备量的方法:先考虑影响因素的组合,形成完备的故障模式仿真集,再利用时间尺法从特征故障量的仿真波形集中求得极限值。应用预备量的定义和获取方法,本文归纳了直流保护系统涉及到的所有预备量,设计了仿真研究直流保护定值的整定流程,并用仿真实例进行了验证。

1 直流保护整定预备量的定义

交流保护整定计算前,必须确定一类量与值,例如:保护所在线路末端短路时流过保护的最大电流(或零序电流)、本线路保护与相邻线路保护配合时的最大或最小分支系数等[12]。这类量往往受到系统运行方式、故障位置和类型的影响,必须先选择不同的系统运行方式、故障位置和类型,对这类量进行详尽的故障计算,然后根据保护要求从中选择该类量的极限值用于整定计算,如此才能得到正确合理的保护定值。

对于直流保护,在不同的交直流系统运行方式、故障位置和时刻下,故障过程以及与保护相关的特征故障量往往会有较大的差异。因此,直流保护整定计算前,也需要首先在不同的系统运行方式、故障位置和时刻的仿真条件下,仿真得到一组特征故障量波形,然后从中挑选出极限值用于整定计算。对于这类与保护相关的特征故障量和其极限值,可称之为直流保护整定预备量。

2 直流保护整定预备量的影响因素

2.1 交直流系统运行方式

为了保证直流保护装置在各种常见运行方式下都能满足灵敏性和选择性等要求,必须考虑运行方式对直流保护整定预备量的影响。

1)交流系统运行方式

采用电磁暂态仿真软件获取直流保护定值时,由于季节更替、负荷变化和设备检修等,造成交流侧网络结构变化频繁,使得建立全网仿真模型不可行,因此,一般要对交流侧进行等值。目前,工程上在仿真研究特定直流工程的直流保护定值时,常采用等值电源模型[13]。模型一般配有2套参数,分别对应交流系统的最大和最小运行方式。

2)直流系统运行方式

直流系统运行方式是指在运行中可供运行人员选择的稳态运行状态,与接线方式、直流电压方式和控制方式等有关[1]。双极直流工程可能的接线方式有单极大地回线、单极金属回线、双极线并联大地返回和双极运行等。正常情况下均采用双极方式正向输送额定功率,当一极故障停运时,通过改变极、接地极线路、直流线路和转换母线的配置,可转换至其他方式。此外,当绝缘降低或无功控制需要时,可采用降压运行方式,同时还可能伴随降电流。

直流系统运行方式的多样性对保护定值的适应性提出了更高的要求。目前的仿真研究通常重点考虑双极额定功率运行方式和单极大地返回最小功率运行方式,在特殊情况下,例如研究直流线路横差保护时,还需考虑单极金属返回运行方式。

2.2 直流系统故障时刻

换流器网络拓扑随着阀臂通断状态的变化而变化,稳态运行时拓扑变化具有周期性;受扰后,在直流控制保护系统的调节作用下,变化将无序。网络拓扑的时变特性,导致不同时刻发生的直流故障会产生不同的故障过程和特征故障量波形。因此,在仿真获取直流保护整定预备量时,需考虑故障时刻的影响。

实际情况下考虑到故障时刻影响时,可根据故障特征设置典型时刻。以整流侧阀短路故障为例,考虑桥两侧交直流电流差值的变化情况,根据换流桥侧绕组交替发生两相和三相短路的基本故障特征可知:与两相短路相比,三相短路中的差值变化更快。因此,可以根据阀短路后绕组进入三相短路的快慢来选择典型故障时刻。

当然,故障过程还受到直流控制系统的调节作用影响,在面对特定的直流工程时,通过建立实际、详细的控制仿真模型可整体计及控制的影响。因此,一般只考虑系统运行方式和故障时刻2个主要影响直流保护整定预备量的因素。在电磁暂态仿真时,考虑上述影响因素的完备组合便可形成仿真集,仿真集中的元素可称为故障模式。每个故障模式表示了在特定运行方式下、在特定时刻、发生特定故障后的一个独特故障过程。

3 直流保护整定预备量的获取方法

基于以上研究,直流保护整定预备量的获取方法可分为如下步骤。

步骤1:对整定预备量的影响因素进行组合得到完备的故障模式集。组合时,一般需考虑系统运行方式和故障时刻的影响,当保护区内有多个故障位置或多种故障类型时,还必须考虑故障位置或类型的影响。在电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC中,对故障模式集中所有故障模式分别仿真,得到与保护相关的特征故障量的波形集。

实际上,PSCAD的仿真结果以文本格式记录在输出文件Output File中,仿真波形是依照输出文件中对应的数据列绘制而成的。对波形的处理意味着对数据的处理,反之亦然。

步骤2:利用时间尺法,对波形集中的每条波形(数据列)逐条求取满足保护选择性或灵敏性要求的最大值或最小值,并形成集合。

直流保护判据大多基于采样值,但是,计时策略不完全相同,如返回较慢的DISA1模块和返回最快的传统计时模块。为方便介绍时间尺法,下文以传统计时模块为例进行说明,其在保护延时内任一采样点不满足动作判据时就清零计数器。

如图1所示,时间尺是表征时间的、长度对应于保护动作延时Δt的尺子,朝着时间轴正向,沿着与保护相关的故障电气量ΔI波形平行移动。当在时间尺长度之内的所有波形值恰好都能满足保护的选择性或灵敏性要求时,时间尺在纵坐标上的对应值,如图1中的ΔImax,便是所求故障特征量的极限值。

时间尺法本质上是对仿真输出数据列的循环判断,保护计时策略决定了循环判断的退出条件。因此,时间尺法具有普适性,同样可用于DISA1模块,此时时间尺的长度还与该模块的返回特性有关。

步骤3:从步骤2得到的最大值集合或最小值集合中,再次选取满足选择性或灵敏性要求的最小值或最大值,即为直流保护整定预备量。

4 直流保护整定预备量的应用

4.1 直流保护整定流程设计

工程上,应用PSCAD/EMTDC程序仿真研究直流保护定值的一般模式为:①电磁暂态仿真;②挑选极限故障量;③整定计算。

但是,电磁暂态仿真在设置故障条件时随意性强,容易出现仿真量过大或遗漏极限故障模式等问题;挑选极限故障量对仿真结果输出文件分析的效率偏低;整定计算则基本依赖人工进行。

针对上述缺点,基于整定预备量的研究,设计了一套系统化的整定程序,其计算流程如图2所示。

由于还难以实现EMTDC仿真程序的直接调用,整定计算程序特地设计了数据读取模块,负责将仿真结果输出文件中的相关数据列传递至预备量计算模块。预备量计算模块将结合系统数据库提供的保护延时与返回特性,按照预备量获取步骤计算出特征故障量的极限值,并送至整定计算模块,由其按照具体的保护整定原则完成整定计算。

可见,除了仿真,整定计算余下工作,包括仿真数据的读取、分析和应用,皆由整定计算程序完成,实现了整定计算流程的自动化。而且,利用整定预备量影响因素的研究结果来设置故障模式,消除了故障设置的随意性,既可不遗漏极限故障模式,还可合理降低仿真量。

4.2 直流保护的整定预备量表

直流保护采用的保护原理有差动保护、过/欠量保护、行波保护等,不同保护原理的整定预备量可能不同。以Siemens直流保护装置为例,根据直流保护整定预备量的概念和具体保护的整定原则,归纳了如表1所示的换流器保护、高压母线保护和直流线路保护的整定预备量。接地极保护由于动作延时长,常按运行参数或躲稳态最大不平衡电流的测量误差整定;高速开关保护则常按躲零值测量误差整定,两者均不涉及整定预备量。

结合归纳出的直流保护整定预备量表,按照图2所示流程开展整定工作,能够降低整定工作量并提高自动整定水平,有利于提高保护定值的合理性。

5 直流保护整定预备量实例

在阀侧绕组两相短路、阀短路或整流侧直流出线端短路后,阀会遭受严重的过应力。以贵广Ⅱ回为例,利用故障期间换流桥交流侧电流大于直流侧电流的故障特征构成了短路保护,其Y桥判据为:

${\rm I}{}_{\text{a}\text{c},\text{Y}}-\min ({\rm I}{}_{\text{d}\text{Η}},{\rm I}{}_{\text{d}\text{Ν}})>{\rm I}{}_{\text{s}\text{e}\text{t}}$

式中:Iac,Y为Y绕组电流经整流后的最大值;IdH为整流器高压直流母线电流;IdN为整流器中性直流母线电流。

为避免换流阀遭受严重的过应力,短路保护Ⅰ段(Ⅱ段只在逆变侧投入)应能可靠动作,其定值IⅠ,set应满足选择性和灵敏性要求。根据预备量的定义和保护动作要求,Ⅰ段预备量应是保护动作量ΔI(ΔI=Iac,Y-min(IdH,IdN))在所有故障模式下的极限值{ΔImax}min。此处,ΔImax表示对某个故障模式仿真后得到的保护动作量波形的极大值,{ΔImax}min则表示极大值集合中的极小值。

根据预备量影响因素的分析,对于Y桥短路保护Ⅰ段,系统运行方式在交流侧考虑最大与最小2种方式,并分别对应于直流侧的双极额定功率方式与单极大地返回方式。至于故障时刻,对于阀侧绕组两相短路和阀短路,典型故障时刻可依据故障后进入三相短路的速度(最快、适中、最慢)来考虑;而对于整流站阀厅出线端短路故障,其典型故障时刻需考虑换相开始与结束时刻,以及出线端直流电压的最大值和最小值时刻。

在PSCAD中搭建了贵广Ⅱ回的仿真模型,并按照上述要求一共形成28个故障模式,仿真输出文件保存在指定的文件夹路径下。整定计算程序的数据读取模块根据保护动作量ΔI的测量通道关键字读取输出文件的对应数据列;预备量计算模块则利用时间尺法对每个故障模式的数据(波形)选取极大值ΔImax构成集合,再从中选出最小的极大值{ΔImax}min。

考虑到故障模式较多,以及篇幅的限制,图3仅给出了属于不同故障点的最小极大值所对应的保护动作量波形。

由图3可知,预备量计算模块短路保护Ⅰ段的整定预备量{ΔImax}min约为2.1(标幺值)。在整定计算模块中,根据短路保护Ⅰ段整定原则,IⅠ,set={ΔImax}min/Ksen(Ksen为灵敏系数,是由系统数据库提供的整定参数,其值一般为1.3~1.5),短路保护Ⅰ段定值IⅠ,set自动整定为1.4~1.6(标幺值)。

贵广Ⅱ回直流工程的Y桥短路保护Ⅰ段定值为1.5(标幺值),实例定值与之相当接近,证明了本文所提出的整定预备量定义、获取方法在应用于贵广Ⅱ回直流保护整定时具备一定的可行性,能够在不遗漏极限故障值的同时合理地降低仿真量(28次仿真),所设计的整定程序则进一步降低了整定工作量,显著地提高了整定自动化程度。

6 结语

针对目前利用PSCAD仿真研究直流保护定值所存在的问题,本文提出了直流保护整定预备量的定义,对其影响因素和获取方法进行了深入分析。基于上述分析,设计了仿真研究直流保护定值的整定计算流程,并归纳了直流保护涉及的全部预备量。通过仿真,初步验证了采用整定预备量的定义和获取方法可以确保不遗漏极限故障值;按照设计的整定计算流程,根据归纳的整定预备量表开展直流保护整定工作,可显著地降低整定工作量和提高整定自动化程度。上述工作整体上有利于提高保护定值的合理性。

直流输电 篇9

我国地域辽阔,经济发展和资源分布极不均衡。东部地区经济发达,用电负荷相对集中,但能源相对匮乏;西南地区水电资源丰富,但用电负荷占全国的比例较小。为了实现全国能源的优化配置,我国电网必须实施全国联网、西电东送、南北互供的发展战略[1,2,3,4]。随着我国西南水电的开发,西南地区将有大量的电力需要远距离输送到华中、华东和华南,而采用特高压直流输电能够有效节约线路走廊、有助于改善网络结构、减少输电瓶颈和实现大范围的资源优化配置,经济和社会效益十分明显。建设特高压直流输电工程是我国电力工业发展的必由之路[5]。因此,在2004 年底,面对国内出现的电力供应紧张局面,国家电网公司从实现国家能源可持续发展的战略高度,提出了“建设以特高压电网为重点,各级电网协调发展的坚强国家电网”的战略目标。发展我国特高压电网的思路由此从设想阶段进入实践阶段。2006年和2007年国家发改委相继批准了两个特高压示范工程。

1 特高压直流输电的特点及面临的技术挑战

和交流输电相比,特高压直流输电具有以下几个突出的优点:低损耗;线路中不需要无功补偿;可以通过调度来控制潮流及其方向;没有暂态失稳问题, 直流系统本身配有调制功能,可以根据系统的要求做出反应,对机电振荡产生阻尼,阻尼低频振荡,提高电力系统暂态稳定水平;没有过载导致线路跳闸的问题;直流输电的接入不会增加原有电力系统的短路电流容量,也不受系统稳定极限的限制[6];直流输电工程的一个极发生故障时,另一个极能继续运行,并通过发挥过负荷能力,可保持输送功率或减少输送功率的损失;能够通过换流站配置的无功功率控制进行系统的交流电压调节;能够通过换流站配置的无功功率控制进行系统的交流电压调节;大电网之间通过直流输电互联(如背靠背方式),2个电网之间不会互相干扰和影响,必要时可以迅速进行功率交换。

特高压直流输电面临的技术挑战主要有[7]:(1)设备制造难度大。(2)设备外绝缘要求高。(3) 电磁环境的要求更高。(4)换流站主接线的基本结构复杂。(5)接地极入地的电流更大。(6)极闭锁故障对电力系统的冲击。(7)电晕效应。(8)交直流混联的系统的稳定性问题。

2 特高压直流输电引起的换流变压器直流偏磁的分析

换流变压器在高压直流输电系统中,处于交流电与直流电相互变换的核心位置,是直流输电的关键设备。由于直流输电系统与交流输电系统具有不同的特点和运行方式,因此某些直流输电系统所独有特点是会在换流变压器励磁电流中引入直流电流分量。

2.1 直流偏磁现象的出现

直流偏磁是变压器的一种非正常工作状态,由于变压器的原边等效阻抗对直流分量只呈现电阻特性,且原边绕组内阻很小,因此,很小的直流分量就会在绕组中形成很大的直流激磁磁势,该直流磁势与交流磁势一起作用于变压器原边,造成变压器铁心的工作磁化曲线发生偏移,出现关于原点不对称,即所谓的变压器偏磁现象。引起变压器直流偏磁的原因各异,其中包括直流单极运行造成的变压器偏磁问题、地磁感应电流造成的变压器偏磁及全数字化逆变电源输出变压器偏磁问题。

大型电力变压器的励磁电流比较小,允许直流偏置量为励磁电流的1~1.5倍,流过变压器的少量的直流电流就可能导致直流偏磁,引起铁心饱和,致使电流波形畸变,产生高次谐波,危害变压器和电力系统的安全运行。高压直流输电线路以单极大地返回线方式运行时,易导致其周围交流变电站的变压器出现直流偏磁现象,换流变压器也会产生直流偏磁现象。特高压直流输电接地极电流约为4000A,将导致更加严重的直流偏磁,因此需要开展相关研究。[8]

2.2 特高压直流输电中直流偏磁产生的原因及危害

自高压直流输电出现以来,为构成直流回路或建立电位参考点需要设置直流接地极,采用大地返回方式,因而在其换流站周围一定区域产生地表电流,与其并行运行的交流输电系统变电站中的联络变压器如果距离换流站不远,就会受到干扰,这种干扰作用的直接表现就是通过交流变压器的接地中性点在交流变压器的励磁电流中产生直流分量。

对于换流变压器而言,直流偏磁主要原因有:统一阀桥中触发角不平衡;换流站地电位的升高会在换流变压器的阀侧绕组中引入一个直流电流;直流输电线与交流输电线相邻,会在直流线路中感应工频电流;换流阀的循环导通与关断不仅会影响电流的波形,还会影响电压的波形,在换流阀这一特性的作用下,换流站交流母线中的正序二次谐波电压会在换流变压器网侧绕组中产生直流电流分量,直流电流产生的流程如图1;单极大地返回运行期间因电流注入接地极引起换流展电位升高。对于电网中的变压器,直流偏磁主要是由于直流输电系统单极运行地中直流把电网作为通路的一部分所致。

直流偏磁会对变压器产生很大的危害,直流流入变压器的示意图如图2。直流偏磁使变压器噪音增大,使变压器的铁心半周饱和,在激励电流中产生大量谐波,谐波流入系统导致系统电压波形畸变、滤波器过载、继电保护误动、合空载长线时产生持续过电压、单相重合闸过程中潜供电流增加和断路器恢复电压增高。当变压器因直流偏磁的作用而工作点移至非线性饱和区时,变压器的激磁电感将不再是常数,而是随电流的幅值变化而变化且具有非线性的特点,其直接后果是使系统的电压发生畸变,引起电压波动。变压器的无功消耗增加,使系统无功补偿装置过载或系统电压下降,影响系统正常运行。同时,铁心的高度饱和使漏磁增加,引起金属结构件和油箱过热,局部过热将加速绝缘老化及变压器油的分解,损坏变压器或降低使用寿命,对变压器的正常运行产生严重影响[9] 。

2.3 直流偏磁的限制措施及消除机理

前面文中已经指出直流偏磁的危害,因此对之必须要进行抑制和消除。通常抑制直流偏磁的措施有[10,11,12,13]:(1)在变压器中性点装设直流电压源或在关键变压器内设置消磁线圈,产生与流入中性点反向的补偿电流;(2)在变压器中性点串联电阻,限制直流电流的大小;(3)在变压器绕组出线上串联电容补偿,阻断直流的通路。这些措施在原理上都是可行的,但在实际应用中却各有利弊。变压器中性点串接电阻和电容,实现起来较简单,但涉及到变压器安全运行、高阻区串入电阻值过大等问题;输电线串接电容器可抑制直流电流到零,然而造价很高,也有待进一步研究。

变压器中直流偏磁问题的消除机理,即阻止其在电力系统中的流动。全桥变换器中抑制偏磁多采用在变压器原边串联电容的方法,利用电容特有的隔直特性将原边电压中的直流分量滤除。[14]其实,消除高压或者特高压直流输电系统接地极地电流对中性点直接接地变压器影响的最好方法,就是在接地极选择时,应尽可能远离附近的接地电气设备系统,而这所需要的距离可能要几十公里,而且在这么远的情况下很难保证地下没有重要的设施。因此也可采取以下缓解措施:

方法一:直接在中性点上串联电容器,但是考虑到系统单相接地短路时,中性线上将通过非常大的零序短路电流,如果选用的电容器达不到性能要求的话,就很容易损坏甚至爆炸;同时,在这种情况下选用的电容器占地面积大,且价格昂贵。文献[15]中提出了基于这种方法的改良办法,就是在电容器两端并联旁路电路,如图3。这个方法的显著特点就是选用的电容器较之前减小很多,系统正常运行的时候旁路电路处于非工作状态,中性点串联的电容器有效地阻止了直流电流的侵入。当系统发生一相金属接地短路时,瞬间电压很高,将使全桥整流电路非常迅速地导通,将电容短路,通过具有强大通流能力的GTO保护电容器。

方法二:对不允许存在接地极地电流区域,应该采用双极金属回线方式,当其中一极发生故障停运时,另一极将通过金属回线方式单极运行,这样,大地中几乎没有因接地极导致的直流分布。但是目前的高压直流输电一般都采用单极大地回路的方式运行。

方法三:在中性点反向注入电流的方法[16,17]。在变压器中性点与零地电位之间安装一套输出可调的直流电流源,当检测到有足够威胁变压器正常运行的地中直流流入时,就向中性点注入一反向直流来抵消该地中直流电流。这个方法的优点是不改变变压器的接地方式,对流入附近其它变压器的地中直流量的影响也很小。但这种装置的价格昂贵,系统的可行性尚需检验。与之相近的一种方法就是向变压器附近大地注入直流电流(如图4),以抑制原来的直流电流,这种方法的效率很低,成本也很高,目前只有一个国家的电力企业采取这种方法[18] 。另外,还可在关键变压器内设置消磁线圈 ,通过实时调整该线圈绕组中流过的直流电流值以产生一定的直流磁势 ,从而抵消或削弱窜入直流电流所形成励磁磁势的影响。该法需与相关设备厂家协商配合进行 ,在实际应用中难度较大。

方法四:通过研究变压器在有直流偏磁作用下出现的问题,来设计合理的变压器结构以增加变压器抗直流偏磁的能力。在常规设计的工作磁密水平下,变压器受直流偏磁的影响主要与下述3个因素有关:①与变压器铁芯材料的性能有关;②铁芯叠片气隙对直流偏磁效应也有一定的影响;③变压器对直流偏磁的反应取决于设计参数—单位铁芯体积容量(S/Vfe)。

方法五:除了上述这些事后方法外,为了防患于未然,直流输电线路在接地极设计时,应做好接地极选址及设计等前期研究工作,通过这些主动措施尽量降低或减少直流电流对附近电力系统或其他设备的影响。这也是最直接的方法。

虽然直流偏磁现象很早以前就已被发现,但人们对产生此现象的机理的认识还比较模糊,尚有很多问题还没有解决。虽然直流输电可以双极运行,但还是存在负荷在双极上不平衡的情况,因此还是会存在直流偏磁问题。为了减轻这个问题的影响,必须一方面从源头上着手,合理选择直流输电时的接地位置,同时在变压器侧采取一些有效的措施和方法,同时可以在变压器的中性线上安装直流CT,来监测直流电流。

总之,目前还没有一个很有效的方法能够彻底解决直流偏磁问题,这就需要在已知的基础上作进一步的研究,尽可能地降低直流偏磁现象对变压器和系统运行的影响。

3 结束语

柔性直流输电技术研究分析 篇10

柔性直流输电技术, 是采用电压源换流器 (VSC) 和脉宽调制技术 (PWM) 的直流输电技术, 在我国“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会” 中, 将此技术统一命名为“柔性直流输电” (VSC HVDC) 。柔性直流输电解决了传统方式向无交流电源的负荷点输电难的问题, 控制方式灵活, 有助于提高电网电能质量[1,2,3]。现有大城市电网存在结构薄弱、动态无功不足等问题, 需要新型的灵活、经济、环保的输电方式来解决。在国家智能电网发展纲要中, 提出要充分利用可再生能源, 提高供电效率, 因此需要合适的并网与输电方式。对于一些远距离负荷供电, 如向偏远地区、孤岛和海上钻井平台供电, 其输电距离和输电容量均不符合交流输电和传统高压直流输电的经济性要求[4,5]。目前, 我国对于柔性直流输电技术的研究和运行, 仍处于起步发展阶段。因此, 研究柔性直流输电技术, 对于我国实施智能电网发展规划以及高压大电网区域互联供电, 具有重要意义, 本文结合现状对其研究成果和发展方向进行了分析。

1柔性直流输电技术原理

两端VSC-HVDC输电系统的原理如图1所示, 其两侧换流器VSC1和VSC2分别起整流和逆变作用, VS由全控换流桥、直流侧电容器、换流电抗器和交流滤波器组成[6,7]。VSC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, 换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带, 也可发挥滤波的作用, 直流侧电容则可以提供电压支撑, 缓冲桥臂关断时的冲击电流, 减小直流侧谐波, 而交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。其中, VSC的交流侧输出电压是由直流电压通过换流阀的通断形成, 不需要交流系统提供换相电压。

参考文献[8]和参考文献[9]对VSC-HVDC的技术特点进行了概括:

(1) VSC电流能够自关断, 可以工作在无源逆变方式, 受端系统可为无源网络, 能够向小容量系统和不含旋转电机的系统供电, 使得远距离的孤立直流负荷输电成为可能; (2) VSC可以同时且独立地控制有功和无功功率, 控制更加灵活方便, 不需要交流侧提供无功功率就能够起到静止同步补偿器STATCOM的作用, 提高了系统的功角和电压稳定性; (3) 潮流反转时, 柔性直流电流方向反转而直流电压极性不变, 与传统的高压直流输电恰好相反, 克服了常规直流输电系统并联运行时潮流控制不便的缺点; (4) VSC通常采用PWM技术, 开关频率相对较高, 使得所需滤波装置的容量大大减小, 相关设备采用模块化设计, 工程建设周期短, 维护工作量大为减少, 有效提高了生产效率。

经过上述分析, 说明VSC-HVDC的关键技术是换流器电路、控制及保护等系统的设计。换流器的电路拓扑、电压等级、电力电子器件数量、开关调制方式等因素对于整体的性能有着重要的影响。理想的VSC主回路拓扑结构应从能够降低电力电子器件直接串联数目及器件开关频率、简化系统电路拓扑、降低开关损耗等方面出发, 在确定合理控制系统的前提下, 有效抑制VSC装置的过电压和过电流问题, 保证系统在故障条件下不间断运行。

2柔性直流输电控制策略

对于柔性直流输电系统的控制策略, 目前多从稳定运行和故障时两种情况进行研究[10,11]。当VSC- HVDC稳定运行时, 又分为间接电流控制和直接电流控制两种。间接电流控制通过对VSC交流侧基波电压的幅值和相位进行调整, 而直接控制则采用电流闭环方式, 因此比较而言, 间接控制结构简单易行, 但无法实现对电流的直接控制, 而直接电流控制具有快速的动态响应能力, 易于实现有功和无功分量的解耦控制, 鲁棒性能较好。参考文献[12]推导了在dq坐标系下VSC-HVDC的连续时间域状态空间模型, 针对向有源和无源系统供电设计了解耦控制器、电压控制器和功率控制器。参考文献[13]在dq坐标系下建立了十二脉冲三电平VSC结构的系统数学模型, 功率控制器采用PID调节, 直流电压、交流母线电压采用PI调节, 采用参数优化算法设计了不同运行方式下的控制器参数, 有效改善了动态品质。参考文献[14]研究了并网VSC的不同矢量控制器的小信号性能, 研究了非理想阀、开关死区和抗混叠滤波器对控制性能的影响。

在电力系统中参数不对称、系统短路等情况, 会造成VSC-HVDC交流接入点三相电压不平衡, 直流侧电压波动, 从而影响电能质量和控制稳定性。参考文献[15]推导了电网不平衡条件下VSC功率传输直角坐标方程, 消除了功率脉动时输出电压正序分量与负序分量之间的幅值及相位约束条件。参考文献[16]采用了正序、负序两套旋转坐标系下独立电流控制方案, 将正、负序电流分别变换为直流量, 利用PI控制器实现对电流的无静差跟踪控制。

可以看到, VSC-HVDC的控制方法多针对连续时域模型分析, 控制器也基于PI设计, 不符合实际工程中的离散化模型需求, 同时如何增强送端站与受端站之间的通信, 加强保护系统的研究, 也是VSC- HVDC控制策略必须要解决的问题。

3柔性直流输电研究现状

柔性直流输电技术涉及输配电工程、现代电力电子技术、控制理论、电力系统运行与控制、系统建模、仿真技术、数字信号处理等诸多领域, 由于其发展时间不长, 仍有许多关键问题值得探索, 为此也涌现出了不同的发展方向。ABB、西门子等公司均将VSC-HVDC技术纳入重点研究计划中。

3.1模块化多电平换流器型直流输电MMC-HVDC

模块化多电平换流器型输电技术 (MMC-HVDC) 由西门子公司提出, MMC拓扑最早于2002年由德国学者R.Marquart和A.Lesnicar共同提出, 并于2004年研制成功了17电平的2 MW样机, 2009年, 国际大电网会议 (CIGRE) B4.48工作组将其正式命名为MMC, 在高压大功率场合有良好的应用前景。MMC拓扑结构如图2所示, 每个桥臂由多个子模块 (SM) 串联组合, 典型的SM结构多为全桥或者半桥结构, 通过合适的算法, 可以使得换流器工作于整流或者逆变状态, 实现四象限运行, 从而得到稳定的直流输出电压或畸变率小的交流输出电压[17]。

图3为双极MMC-HVDC系统接线图[18], 可以采用三绕组变压器的第3个绕组将交流系统电压引入后为辅助装置和控制保护系统等进行供电。另外, 可以在变压器的二次侧加装交流断路器来清除永久性直流故障下的电流。MMC-HVDC系统的接地支路与两电平VSC-HVDC系统有显著的区别, 由于直流侧省去了两电平拓扑中所必需的大容量高压电容器组, 所以MMC-HVDC系统接地支路的安装是一个难题, 通常将接地支路安装在变压器二次侧与换流器交流侧之间, 接地支路结构可以采用星型电抗器, 从而为所在站点提供接地参考点。为了使得换流器在不输送有功功率及直流线路开路的情况下, 两端换流器可以独立地发出或者吸收无功功率, 这时两端换流站应同时安装接地支路。

为提高MMC-HVDC输电系统的运行可靠性, 需要限制各个控制环节故障对整个系统造成的影响。MMC柔性直流输电系统主要分为三个层次, 从高层到低层分别为系统级控制、变流器控制和阀控制, 各层的主要功能不同:系统级控制为MMC柔性直流输电系统的最高控制层次, 主要完成电力通信、潮流控制的功能;变流器控制是MMC柔性直流输电系统的核心控制, 通常采用双环控制, 分别为外环功率控制和内环电流控制;阀控主要包括同步锁相技术、电流平衡控制和直流侧电容器电压平衡控制等。模块化多电平MMC的控制结构包括3个:监测单元、中央控制单元和换流阀单元, 如图4所示。

监测单元负责整个系统的反馈与监控, 根据设定点值, 反馈控制实时向中央控制单元提供数据;中央控制单元的调制器实现子模块电容电压的平衡和输出状态的控制;换流阀单元由结构相同的子模块串联而成, 各模块的测量量通过光纤与中央控制单元相连。

3.2基于两电平级联结构的VSC-HVDC

ABB公司在多年两电平VSC-HVDC拓扑研究基础上, 于2010年提出了一种基于两电平级联结构的VSC-HVDC[18], 如图5所示, 每相拓扑分为两个桥臂, 分别与直流母线的正负极相连, 每个桥臂由多个两电平单元构成, 每个单元可独立控制, 以产生需要的交流基波电压, 实现对于有功功率和无功功率的输出控制, 其结构与MMC类似, 但区别在于每个子模块内部的电力电子器件均采用ABB公司的直接串联型压装式IGBT。

采用两电平或三电平换流器的电压源换流器型直流输电的一个缺点就是, 功率损耗比较大, 通常是传统直流输电的2~3倍, 而采用MMC和两电平级联结构, 则可以大大降低VSC-HVDC的损耗, 因此具有广阔的应用前景。鉴于上述两项技术的特点, AREVA公司提出了一种结合两电平拓扑和MMC拓扑的混合式电压源换流器拓扑, 其显著优势在于可以限制和清除直流侧故障带来的故障电流, 可以有效解决柔性直流输电中直流侧故障的问题。

3.3多端直流输电技术

由于VSC-HVDC控制的灵活性以及在潮流反转时直流电压极性不变的特点, 由多个VSC换流站构成多端直流网络, 可以实现多电源供电、多落点受电, 如图6所示, 其中REC、INV分别代表整流阀和逆变阀。

目前, 国际上关于多端柔性直流输电的研究中, 不同场合下的变流站设计是主要研究热点。多端柔性直流输电技术的研究可以参考双端输电系统, 在此基础上建立基于不同变流器技术下多端网络的等效数学模型, 对比分析不同控制策略下各换流站特性, 设计满足系统稳定运行的多端输电系统协调控制策略, 研究多端系统交直流侧故障特性, 选择合适的动作保护机制。我国对于多端柔性直流输电技术的研究, 主要集中在系统控制保护策略及其仿真验证等方面, 与国际先进水平差距较大, 对于柔性直流输电保护技术的研究一般限于双端系统, 以稳定运行时离散控制器为基础, 当直流侧发生故障时多端柔性直流系统的运行特性分析研究较少。

4柔性直流输电示范工程

基于VSC-HVDC技术的优越性, 国际上对该项技术进行了深入推广和运行, 目前建成和在建工程超过10个, 主要应用于系统互联、海上风电场输电、风电并网以及海上作业供电等, 具体如表1所示。

我国自主研制的一台20 MW、电压等级为±50 k V的柔性直流输电系统关键设备, 已经于2010年在上海南汇风电厂挂网运行。

5柔性直流输电在我国的发展前景

5.1有助于实现新能源并网

在全世界不断推进新能源改革的形势下, 风能、太阳能等可再生能源开发和利用的重要性日趋体现。我国具有丰富的风力资源和太阳能资源, 域内和沿海都具有较好的开发价值, 但必须要注意的是, 由于地理条件、发电规模的制约, 采取交流输电技术将这些“孤岛”电源与电网相连, 技术难度较高, 而传统高压直流输电技术限于容量和距离满足不了经济性要求[19]。所以, 基于柔性直流输电联网, 对负荷中心进行供电具有明显的技术优势, 无需借助外部电源或者同步调相机即可实现电能传输, 而对于新能源存在的不稳定性问题, 柔性输电还可以起到改善电能质量的作用, 当主网发生短路时, 可有效隔离故障, 保障稳定运行, 并提供“黑启动”能力, 帮助系统恢复。

5.2有助于分布式电源开发

利用柔性直流输电技术搭建微网, 有利于分布式电源接入主网。分布式电源装机容量小, 供电质量不高, 若采取交流输电进行并网, 则投资较大, 而柔性直流输电接入, 在保证地区供电稳定的同时, 也可以充分利用这些资源。对于分布式电源不稳定性质, 柔性直流输电可以在分布式电源不足的情况下进行补充供电, 既实现了分布式电源的充分利用, 又保障电网兼容各类电源和用户接入退出的能力, 满足多元化需求。

5.3有助于提高偏远地区供电

我国一些偏远地区, 比如新疆戈壁、西藏高原等地, 负荷较轻, 日负荷波动较大, 输电距离较远, 对于这些地区供电采取交流输电和传统高压直流输电技术, 技术和经济实施难度较高[20]。采取柔性直流输电技术, 可以通过直流电缆将交流主网中高效电厂的能源传送到偏远地区和孤岛负荷, 在推动当地经济发展的同时, 也彻底消除了电厂自身的环境污染问题。

5.4有助于城市电网改造

随着我国现代化进程的加快, 城市发展日益迅速, 用电负荷与用电质量的需要不断提高, 这对于以交流输电为主的城市电网用电提出了新的挑战。目前, 大型城市供电多采取大量电力外地输入的方式, 这使得城市电网对于区域电网的依赖性较强, 电网稳定运行压力较大;由于环境保护和土地面积的压迫, 城市线路走廊日益紧张, 采取地下电缆等新型输电方式尤为迫切。地埋式直流电缆输电方式, 既可以避免输电线路走廊问题, 又能够有效控制短路容量, 提高输送效率[21]。利用柔性直流输电技术对城市电网进行改造, 在快速控制系统有功和无功、解决电压闪变、改善供电电能质量的同时, 可以灵活控制交流侧的电流, 解决城市电网短路电流超标的问题, 提高电网安全性能。

5.5有助于智能电网发展

伴随着科学技术和信息水平的提高, 电网智能化已经是现代电力工业的必然趋势。2009年5月, 在 “特高压输电技术国际会议”上, 国家电网公司正式发布了“坚强智能电网”发展战略, 其中提出必须以特高压电网为骨干网架, 连接大型能源基地及主要负荷中心, 充分利用新能源等资源[22]。柔性直流输电, 有利于满足上述高压输电的要求, 直流输电的方式有利于解决目前推广的电动汽车充电能量损失问题, 减轻充电谐波对电网的不利影响。随着分布式电源的大量接入, 现有配电网结构和潮流分布都会引起改变, 对交流配电网的无功平滑、电压调节、控制技术等均有挑战。基于柔性直流输电技术灵活的潮流控制特点, 可推进智能电网建设。

6结语

柔性直流输电技术作为基于电压源换流器的新型输电技术, 在未来的发展中具有广阔前景。对于柔性直流输电技术的推广, 应根据实际情形合理选择, 确立在分布式电源、城市电网以及智能电网中的可行经济效益。通过建立示范工程的方法, 不断改进柔性直流输电的控制结构和控制策略, 并建立规范标准, 以促进该项技术在我国正式应用。

摘要：介绍了柔性直流输电的技术原理和控制策略, 指出当前控制方法研究成果中存在的问题, 比较了柔性直流输电技术几种发展方向的研究现状, 分析了基于模块化多电平换流器的输电方式, 根据目前国内外柔性直流输电示范工程, 说明了柔性直流输电技术在新能源、城市电网和智能电网中的应用前景。