大直流输电（精选八篇）
大直流输电 篇1
关键词：大直流输电,交流系统变压器,影响
1 概述
大直流输电由于线路造价低, 有功损耗小, 使用寿命长, 无系统稳定性问题, 调节速度快运行可靠等优点, 在远距离大功率输电, 海底电缆送电, 不同频率交流系统之间联络, 用大电缆向大城市供电, 作为限制短路电流的措施之一, 配合新能源的输电等各种场合发挥了越来越重要的作用。但是换流器投资很贵且需要消耗较多的无功功率, 是个谐波源且无过载能力。另外我们还发现了作为单极运行时, 地中的直流分量会通过交流系统变压器的中性点串入, 对变压器的运行状况造成影响, 本文就这点展开分析, 并初步提出几个处理方案。
2 实例分析
220kV阳明变1号主变案例
宁波市电业局220kV阳明变电站1号主变, 型号SFS10-180000/220。该变电站值班员发现该主变运行异常, 噪音明显偏大且声响类型有很大不同, 油温比另一台并列运行的主变略高3℃, 汇报领导后, 进局里专家现场确认, 需停役后测试。在随后的电气测试和油化试验, 各个项目均无异常, 如下附上当时的试验数据:
低电压短路阻抗 (2档)
高/中 13.709% 高/低 23.762% 中/低7.7031% 2007.10.09
高/中 13.7% 高/低 23.735% 中/低7.684% 2007.01.17
直流电阻 (mΩ) 上层油温25℃
AO BO CO Δ
303.5 304.4 305.5 0.65%
Amo Bmo Cmo Δ
52.91 52.80 52.96 0.3%
ab bc ca Δ
28.55 28.62 28.64 0.31%
绝缘电阻 (MΩ)
铁芯对地 2130
夹件对地 1800
H2 27.19μL/L CH4 5.54μL/LC2H6 1.15μL/L C2H4 0.88μL/L
C2H2 0μL/L ∑ C1+C2 7.57μL/LCO 338.79μL/L CO2 1488.32μL/L
鉴于电气试验和油化试验均未发现异常, 我们基本能够判定变压器本身应该没有问题。我们开始考虑是否是由于外界的某种原因引起噪声和发热。一般变压器噪音偏响的话, 通常都是铁芯方面出了些问题, 或者铁芯是好的由于剩磁或者磁路饱和都可能声音偏重。现在既然检查过, 铁芯是好的, 一次性的剩磁也不可能, 经过了长时间交流的消磁作用后不可能出线这种情况, 除非是这种磁路中的饱和是持续的恒定的。我们发现1号主变的中性点在改检修前是接地的, 后来改检修后2号主变的中性点由不接地改为接地 (保持系统中接地点的稳定) 。那会不会是由于外部某个电流串入变压器中性点所导致的。基于这个分析, 我们通过调度先让2号主变原本接地的中性点暂时不接地。这时2号主变的噪声明显消失, 这证实了我们的猜想, 噪音的来源是中性点接地。后来中性点改回接地方式, 噪音又恢复了。后来过了些时间噪音又消失了, 经调查, 原来是上海方面的直流输电方式由单极运行改为双极运行。
我们在两台主变并列运行时测了流经中性点的交直流分量和噪声分贝数, 如下:
1#主变中性点未接地 2#主变中性点接地
测量2#主变中性点电流 4.76A (交流) -2.21A (直流)
最大噪音75db 旁边1#主变噪音64db
2#主变中性点未接地 1#主变中性点接地
测量1#主变220k 中性点电流 4.15A (交流) -2.28A (直流)
110kV中性点电流3.38A (交流) +0.81A (直流)
由此可见, 在大直流输电单极运行时, 对该变电所中性点接地的主变确实存在影响。至此事情基本明朗, 由于单极运行的直流输电是通过大地构成回路的, 而大地中埋入的许多接地网、管网由于电阻比大地小的多, 会对其中一部分大地起到短路或者分流的作用, 也就是说直流会通过这些设备。我国110k V及以上的电压等级都是直接接地系统, 如果该变电所在注入电流极附近的话, 直流电流就会通过大地经变压器的中性点流入通过输电线路再从另一台变压器中性点流出, 如果这个电流较大时则可能对变压器造成危害。
现在我们分析一下为什么直流电流串入主变中性点会引起噪音变大, 油温升高。电力变压器铁芯磁通与励磁电流关系曲线并非线性的。现代变压器铁芯多采用冷轧硅钢片, 其导磁率较热轧硅钢片高, 磁通密度1.5~1.7T。220kV及以上大容量变压器在额定电压下, 励磁电流仅为额定电流的0.1%。但是励磁电流的大小随着外施电压的增大而急剧增大。一般对于优质冷轧硅钢片来说, 当外施电压增加5%, 励磁电流增加约50%;电压增加10%时, 励磁电流则增加3.5倍, 而当电压增加15%时, 励磁电流则增加约8倍。图1是直流电流对变压器励磁电流的影响。
这样当变压器绕组中有直流电流流过时, 由于直流电流的影响, 可能使励磁电流工作在铁芯磁化曲线的饱和区, 导致励磁电流明显变大, 波形也从正弦波变成了尖顶波, 尖顶波中含有大量的谐波分量。励磁电流明显增大导致的后果就是噪音变大, 铜耗明显增加, 电压波形也从正弦波变为了平顶波, 另外由于谐波分量的存在, 可能会发生些平时变压器设计厂家无法预料的声音共振之类的问题。
关于直流电流多大才会影响正常运行, 国家规定变压器在105%的额定电压下能长期安全运行的, 那么此时的铁芯中的磁通密度还不算很高或者说励磁电流的大小也是运行所能够接受的。而此时的励磁电流一般为普通电压下励磁电流的150%左右, 所以如果我们能把受直流影响时的励磁电流值控制在这个范围内, 那变压器还是可以安全稳定运行的。当然各类变压器可能结构不尽相同, 具体最好还需要咨询一下制造厂家。
3 结论
轻型直流输电及其应用前景研究 篇2
【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）.
大直流输电 篇3
关键词：国际大电网会议,高压直流输电,灵活交流输电,电力电子
0 引言
第44届国际大电网会议(CIGRE)于2012年8月26日至31日在法国巴黎召开。高压直流输电和电力电子技术专委会(SC B4)作为CIGRE的16个技术委员会之一[1],其工作范围覆盖了高压直流输电和电力电子技术研究的各个方面,也包括了所有与电力电子技术相关的电力行业,以及与这些技术有关的经济和环境方面的课题研究[2,3]。由于直流输电和灵活交流输电(FACTS)技术的快速发展和大量工程应用,本次会议中SC B4的研究工作受到了广泛关注,共有300多名来自世界各地的电力专家、学者以及与电力相关的管理人员和政府官员参加,其中中国国家电网公司也派出多名专家出席本次会议,国网智能电网研究院的4位专家在会上针对中国在此领域的最新发展作了8个技术报告并参与讨论,报告数量居有准备发言国家的第3位,内容涉及特高压直流输电技术、柔性直流输电技术、新能源接入技术、直流电网互联技术、标准体系建设等方面。在会上,国网智能电网研究院代表作了题为“中国直流和柔性直流技术发展”的报告,向广大参会代表展示了中国在直流领域的技术现状及战略规划情况。本次会议SC B4就3个方面的主题展开了讨论:(1)高压直流输电和FACTS的新工程和运行经验,包括规划中的新工程、最近已经完成和正在建设的工程,以及电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)、相控换流器高压直流输电(LCC-HVDC)和特高压直流输电工程的运行经验介绍等;(2)高压直流输电和FACTS技术的发展,包括高压直流输电换流站、FACTS装置以及特高压直流输电相关设备的研制和发展等;(3)高压直流输电和FACTS技术的应用,包括直流电网和多端直流系统的研究,FACTS装置如何提高交流系统的性能,如何在交流系统中嵌入高压直流输电系统以提高交流系统的容量和稳定性,如何利用电力电子技术实现大规模可再生能源的并网等。
本次大会中SC B4共录用了24篇论文[4]。这些论文内容涵盖了LCC-HVDC,VSC-HVDC和电力电子技术及其应用的最新发展;1 100kV直流输电设备研制;千兆瓦级VSC-HVDC工程建设;直流电网相关研究等。但有些论文的内容并不局限于某一推荐主题,也讨论了与其他推荐主题相关的内容。
本文将重点对SC B4大会推荐文章以及会议中所讨论的直流输电和电力电子技术的一些热门话题进行介绍。
1 高压直流输电和FACTS最新工程和运行经验
1.1 最新工程介绍
中国的专家介绍了大连跨海VSC-HVDC工程的最新进展。该工程用于从大连北部区域向南部市区供电,工程额定参数为1 000 MW/320kV,计划2013年投入商业运行。该工程将为大连南部地区电网提供可靠电力输送、电压支撑、黑启动等能力。
加拿大的专家介绍了利用VSC-HVDC技术代替LCC-HVDC技术建设第3条Nelson River直流双极输电线路的方案。专家阐述表明,若采用LCC-HVDC方案,由于受端是弱系统,将导致最大无功需求达到1 000Mvar。最后,在仿真软件PSS/E中建模和仿真验证了相关结论。
西班牙和法国的专家介绍了法国和西班牙VSC-HVDC互联工程的特点、采用的原因以及该工程建成后的控制和运行情况。该工程投资700万欧元,计划2014年投入商业运行,将使西班牙和法国之间的功率交换由1 200 MW提高到3 200 MW。
1.2 最近完成和正在建设的工程
ABB专家介绍了瑞典和芬兰之间将新修建的一条直流输电线路,以增加两国之间的电力输送。该工程额定参数为800MW/500kV。另外,专家还介绍对已有的一条直流架空线路进行升级、改造,将使直流电压等级达到500kV。专家还分析了系统之间的相互影响,例如次同步振荡、两站交流滤波器间谐振、直流输电线故障处理等。
有专家提出了适用于电容换相换流器高压直流输电(CCC-HVDC)的一种控制策略,以实现CCC-HVDC接入弱交流系统后能正常工作。通过在Rio Madeira背靠背工程中的仿真,验证了该控制策略的有效性。
Caprivi Link柔性直流联网工程运行在单极模式下,并使用架空线和大地回路进行输电。由于两端交流系统都为弱系统,验证工程控制和保护系统的可行性需要使用工厂系统测试和带电测试等。
美国的Intermountain直流输电工程在1986年投入运行,工程额定参数为1 600 MW/500kV。但由于加州电力供应紧张以及消纳大量风电接入,计划对该工程进行升级和改造。
1.3 电压源换流器、高压直流输电和特高压直流输电工程运行经验
Nelson River直流输电系统由1978年建设的汞弧阀直流系统和1984年建设的晶闸管阀直流系统共同构成。为了增加传输容量和保持系统稳定性,需要对这2条直流系统进行升级,包括更换汞弧阀、改善换流阀冷却系统、购买备用阀变压器、更换晶闸管模块管子等。通过升级改造,将使得系统计划维护停运时间大大减少。
中国国家电网公司介绍了其直流工程的运行经验。目前,中国国家电网公司已有10条在运行的直流工程和3条正在建设的工程。SC B4也对世界范围内运行的直流工程从2009—2010年之间的性能进行了统计,包括其停电频率和时间等。其中换流变压器故障导致的停电是影响系统强迫能量不可用率(forced energy unavailability,FEU)的主要因素。在2009—2010年间,变压器故障导致的停电时间占直流系统平均停电时间的79.0%,其他交流设备导致的停电时间占直流系统平均停电时间的4.1%。
2 高压直流输电和FACTS技术最新进展
2.1 高压直流输电换流站
中国的专家介绍了在中国建设1 100kV特高压直流输电工程的可行性,阐述了主电路绝缘配合的设计,重点介绍了1 100kV直流换流阀的结构。韩国专家对基于模块化多电平换流器的VSC-HVDC系统的电容电压控制问题进行了讨论,提出了几种方法来实现对各个子模块电容电压的平衡控制。
Alstom的专家介绍了多种DC/DC换流器的拓扑结构,以促进未来大型直流电网的建设。另外,还介绍了其在生产厂房建设的24 MW的VSC-HVDC示范工程,工程采用全尺寸样机,主要是为了验证各种模块化多电平拓扑的可行性。
中国的专家介绍了其正在开展的模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)动模仿真平台建设情况。该动模系统将可以实现451电平MMC-HVDC系统的物理和数字混合仿真,通过扩展还可以完成多端直流输电系统和可再生能源并网等相关仿真验证工作。
2.2 FACTS设备
日本的专家介绍了利用新一代电力电子器件SiC研制的100kVA的配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)。该D-STATCOM样机采用三电平H桥子模块构成的多电平换流器拓扑,其电力电子开关采用了1.2kV的SiC J-FET器件,在无滤波器情况下利用器件的高速开断能力得到了理想的电压波形。
2.3 特高压直流输电设备
中国的专家介绍了在1 100kV特高压直流输电设备研发中所遇到的问题和可行的解决办法。相关的研发工作主要集中在高压侧换流阀和穿墙套管的研制。1 100kV高压换流变压器的工作特性通过样机试验进行验证,并将在2012年完成相关型式试验。也有专家提出了在现场进行换流变压器的组装和试验的建议。
3 高压直流输电和FACTS技术最新应用
3.1 直流电网和多端直流系统
电压源换流器技术的最新发展加速了多端高压直流输电系统和直流电网的研究和讨论。本主题总共录用了8篇论文。在过去2年,B4技术委员会已有约7个工作组开展了关于未来直流电网相关技术的研究,还计划新设立7个与直流网络相关的工作组,具体内容涵盖直流系统设计和关键直流设备等。这些论文讨论了高压直流输电与FACTS技术在中国与印度的广阔用武之地,这些国家引入了世界最高的直流电压和最大的容量,而在欧洲,电压源换流器系统被应用于离岸风电场的电力传输。
加拿大专家提出了在多端直流电网中使用直流功率控制器来调节线路输送功率,以增加直流系统的可控性。功率控制器基于双向晶闸管换流器,串联在直流线路中以控制直流电网的功率流动。通过在3端和7端环形VSC-HVDC系统中的仿真,验证了其可行性。
欧洲多名专家组成的研究小组介绍了他们在直流电网技术和运行规范等方面所做的相关工作。他们主要考虑了由电压源换流器组成的辐射状直流电网(即多端直流系统),重点对直流潮流控制、短路电流抑制、故障定位和清除等方面进行了研究。另外,来自法国的专家对多端系统中的控制和保护进行了仿真分析,并在5端环形直流网络中验证了稳态和暂态情况下控制的可行性。有专家介绍了环形直流电网的控制和保护方案,并通过数字仿真验证了5端系统在稳态和动态下的运行特性。
中国的专家介绍了正在规划建设的舟山5端柔性直流海岛联网示范工程的相关情况,该工程将成为世界首个多端柔性直流输电工程。专家详细介绍了该项目已经开展的相关工作,包括系统拓扑选择、控制和保护的协调配合、黑启动等关键问题。
3.2 FACTS设备提高交流系统性能
Alstom的专家介绍了利用D-STATCOM的无功补偿能力满足可再生能源系统接入配电网系统中的并网方法,并在含风电场接入的某配电网中进行了验证。结果表明只需6 Mvar容量的D-STATCOM就能满足当地电网公司的并网导则。
3.3 交、直流混合系统
欧洲专家介绍了利用高压直流输电系统参与交、直流互联系统紧急控制的相关研究工作。该研究基于欧洲含高压直流输电系统的欧洲大陆电网(ENTSO-E)和东欧/前苏联电网(IPS/UPS)交流系统网络进行。由于VSC-HVDC没有换相失败问题,可以为系统提供电压支撑,因此,当系统发生故障或电压跌落时,VSC-HVDC快速动作以维持系统正常运行。
意大利专家介绍了西地中海区域内建设的交、直流混合多端网络,其通过ENTSO-E连接到北非电网。研究人员分析了该多端网络的规划,重点讨论了技术选择、方案设计和系统规划等方面的问题。
3.4 用电力电子技术实现大规模可再生能源并网
中国的专家介绍了中国和英国正在联合开展的提高大规模可再生能源并网能力的柔性输电网络研究情况。该项目由国家自然科学基金委员会和英国工程与自然研究理事会联合资助,西安交通大学、国网智能电网研究院、东北电力大学和英国帝国理工学院等单位联合承担了此项目的研究工作。
欧洲专家介绍了欧洲正在建设的BorWin2和HelWin1这2个大型海上风电场,它们都采用了多电平VSC-HVDC技术将风电场连接到陆上交流电网。专家详细介绍了2个工程的结构设计和电气参数选择。除了模块化多电平换流器,专家还重点介绍了其他相关技术,如将风电场侧变压器并联以增大系统可用性等。
有专家介绍了美国正在建设的含6个背靠背换流站的交、直流互联工程。该工程在前期部分将采用VSC-HVDC技术,而在后期部分将采用LCC-HVDC技术。建设该工程最主要的目标之一,是在互联的3个交流系统间通过灵活的直流功率调整以最大化地利用可再生能源。
4 结语
高压直流输电和电力电子技术的发展及其应用依然是今年CIGRE的热门话题。本次SC B4重点讨论了1 100kV特高压直流输电技术、千兆瓦级VSC-HVDC工程建设、直流电网前期研究、FACTS新技术以及相关工程关键技术等。特别是对于千兆瓦级VSC-HVDC工程建设和大型海上风电场通过直流电网接入陆上交流系统,专家们给予了较多的关注。同时,中国专家介绍的相关最新研究成果也得到了各国学者的高度关注和认可。
参考文献
[1]薛禹胜.2002年国际大电网会议系列报道——CIGRE组织结构的改革[J].电力系统自动化,2002,26(24):7-14.XUE Yusheng.The new organization in CIGRE[J].Automation of Electric Power Systems,2002,26(24):7-14.
[2]汤广福,贺之渊.2008年国际大电网会议系列报道——高压直流输电和电力电子技术最新进展[J].电力系统自动化,2008,32(22):1-5.TANG Guangfu,HE Zhiyuan.A review of CIGRE’2008on HVDC and power electronics technologies[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(22):1-5.
[3]汤广福,刘泽洪.2010年国际大电网会议系列报道——高压直流输电和电力电子技术[J].电力系统自动化,2011,35(5):1-4.TANG Guangfu,LIU Zehong.A review of CIGRE’2010on HVDC transmission and power electronic technology[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(5):1-4.
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
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直流高压输电问题研究 篇5
关键词：高压,输电线路,电磁环境,电压稳定性,线路保护
1 绪论
1.1 研究背景
电力系统输电方式多种多样, 目前较为常见的有高压交流输电和高压直流输电。两种方式都有广泛的应用, 也各有所长。高压直流输电比传统交流输电方式、高效的输电能力;同时直流输电具有较为简单的高压输电线路。由于只存在正负极, 高压直流输电线路在维护和保养过程中更加简单, 这也在一定程度上减少了工作任务, 增强了安全系数。高压直流输电线路有两条线路, 每条线路可以独立工作互不干扰。高压直流输电具有输送距离长、承载容量大、功率容易控制等多种优点, 因此, 它的主要应用领域在以下几个方面:远距离、非同步电网互联、新能源接入电网、城市中心区域供电。
目前我国直流电的应用规模在世界范围内都处于前列。高压直流输电技术在我国前途光明, 用途广泛, 但是我国在直流技术研究方面并不领先。高压直流输电线路保护的情况对电力系统安全、稳定性影响重大, 关系到国计民生。应当加大线路保护的研发力度。
1.2 问题的引入
1.2.1 电磁环境
输电线路和变电站的生态环境影响主要表现在土地的利用、电晕所引起的通信干扰等方面。由于特高压输电电压高、分裂导线多等特点, 必然导致导线表面电场强度以及输电设备周围的空间电场强度的升高。而特高压输电线路和变电站出现的电晕现象和强电场效应对人体和生态环境是否会带来危害, 长期以来一直受到社会的广泛关注。
1.2.2 电压稳定性
高压直流输电技术极大的提高了电网的经济效益, 同时也带来许多的问题, 其中电压稳定性问题一直是研究中的一个重点, 高压直流输电系统接入弱交流系统被认为是引起电压失稳的主要因素。相比交流系统, 直流系统具有更多的参数和变量, 并且其中应用大量的电力电子器件, 使得交直流系统具有很强的非线性特性, 直流换流器的运行需要大量的无功功率作为支撑, 逆变器吸收的无功功率约占直流传输功率的40%~60%, 这对直流系统的容量提出非常高的要求, 使得系统电压稳定性置于危险的挑战之中。因此通过对高压直流输电对电力系统电压稳定性的研究, 对于具体的工程规划、设计和运行都具有非常重要的理论意义和工程价值。
1.2.3 线路保护
高压直流输电线路具有巨大的经济效应, 因此对高压直流输电线路的保护工作尤为重要。高压直流输电线路分布广阔、地理环境恶劣和气象环境复杂, 是最容易发生故障的电力设备。高压直流输电线路故障后果严重, 不仅对电网本身是一个较大的损失, 对需要电力供应的其他生产活动也会带来不可估量的损失。世界上曾出现过多次高压直流输电线路故障案例, 这些事故均产生了严重的经济后果。
2 问题研究
2.1 高压直流输电过程中的电磁环境
交流输电线路工作时, 导线上的电荷将在空间产生工频电场, 导线内的电流将在空间产生工频磁场。电场一般用电场强度描述。工频电场能在人和物体上感应出电压。在强电场中, 对地绝缘的人接触接地物体, 处于地电位的人接触对地绝缘的物体, 可能会有能感觉到的电流流过人体或出现不火花放电。这是工频电场的短期效应。关于工频电场另外一个问题是, 工频电场是否会产生长期的生态影响。随着电压等级的提高, 尤其发展到特高压阶段, 输电工程的工频电场和磁场的长期生态影响如何, 已经变成人们关注的焦点。而且选择输电线路走廊, 除了考虑电气强度因素外, 输电线路下方的电场强度也是一个重要因素。
空间某点电场强度值与每根导线上电荷的数量以及该点与导线之间的距离有关;导线上的电荷多少, 除与所加电压有关外, 还与导线的几何位置及其尺寸有关。因此, 导线的布置形式、对地距离和相间距离、分裂根数以及双回路时两回路间电压的相序等, 都直接影响线下电场强度的分布和大小。
高压输电线路的电场还会产生生态影响, 主要有短期影响、长期影响两类。短期影响指人在高压输电线路附近短暂停留可能产生的影响;相对的, 长期影响指人在高压输电线路附近长期工作或生活时可能受到的影响。
2.2 高压直流输电过程中的电压稳定性研究
电力系统在给定的运行状态下并在某一时刻受到一定的扰动后, 如果负荷节点处的电压趋于扰动后某一平衡值, 就称系统是“电压稳定”的, 如果电压不断降低 (不断升高) 则电压失稳。
电压稳定根据受到扰动的大小可以分为静态电压稳定 (小扰动电压稳定) 和大扰动电压稳定。静态电压稳定主要是研究系统中负荷缓慢变化的过程中对电压的控制能力, 通常使用的研究方法是在给定平衡点对系统进行线性化。大扰动主要研究例如系统发生故障、切负荷、切机、直流闭锁等情况下对系统电压的控制能力, 需要通过在一个相对长的时间内对系统的动态行为进行分析。
根据研究的方法的不同, 可以把电压稳定分为静态、动态和暂态稳定。静态电压稳定研究中所用的系统模型采用不计及元件动态特性的代数方程表示, 负荷端母线电压随负荷的缓慢增加而缓慢变化, 最后恢复到稳定的水平。动态电压稳定研究负荷缓慢变化过程中系统维持电压在某一稳定值的水平。暂态电压稳定研究系统DAE模型在大扰动下, 节点电压能够恢复到稳定性水平的能力。
2.3 高压直流输电过程中的线路保护
对于长距离直流输电线路, 有些情况下的故障可能会使直流差动保护的机制发生误判。比如, 则分布电容电流较大。为了提高线路的可靠性, 可以适当补偿对该分布电容电流, 从而使得分布电容电流对于直流差动保护的影响大大降低。
新型特高压直流输电线路差动保护方案为了保证线路的可靠稳定和灵敏度要求。
传统直流线路差动任何导致直流电压变化的暂态过程均可导致传统直流差动保护误动。之所以这样是由于传统线路保护没有考虑长距离大容量直流线路故障后的暂态电容电流影响。新型的直流线路电流差动保护应该具有的灵敏度高、动作速度快的优点。
耐故障电阻能力差是目前高压直流输电线路保护遇到的最大问题。总体来看, 当前所采用的高压直流输电线路保护方案存在隐患。在直流线路末端故障或直流。
3 全文总结
本文研究了高压直流输电的问题。首先分析了高压直流输电的技术特点, 优势和广泛应用的原因。随后研究了其输电过程中产生的电磁环境问题, 电压稳定性问题和线路保护等问题。分析了当前解决上述问题的常用方法。
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大直流输电 篇6
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:
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。
大直流输电 篇7
关键词：短路电流,时空变化特性,直流输电,控制系统,电力系统保护
0 引言
传统交流电网短路电流严格服从电路物理定律, 形成了完备的故障计算与继电保护分析方法体系。然而, 直流输电线路短路电流不仅受电路物理定律约束, 还具有与直流控制系统强相关的特点, 随故障位置和故障时刻不同, 直流线路短路电流变化特性存在差异, 反映出短路电流复杂的时空关联特性。目前, 对于考虑控制作用的直流线路短路电流变化特性尚未形成清晰明确的结论, 给直流线路故障分析和继电保护运行等带来了阻碍[1,2]。
由于与直流控制强相关, 并且受到故障条件、线路分布参数、末端设备等影响, 直流线路短路电流变化特性较为复杂。目前, 工程界主要采用数值仿真方法, 基于PSCAD/EMTDC、RTDS等工具反复试验开展研究[3,4,5]。一方面, 数值仿真的有效性极大地依赖于详细的直流控制模型及参数, 其结论往往缺乏普适性, 难免限于一时一地的具体案例分析;另一方面, 数值仿真结果使得短路电流的变化规律以及直流控制的作用机理被淹没于海量的数值仿真计算之中, 难以建立完备的分析方法体系[6,7,8]。
鉴于此, 相关研究工作试图从解析方法角度开展直流线路短路电流的研究, 以揭示其变化规律及各因素的影响机理。文献[9-11]推导了换流器直流侧出口短路时短路电流的解析表达式, 然而由于直流线路简单地采用集中参数模型, 所得解析结果与实际直流线路短路电流存在较大差异。文献[12]考虑了直流线路的分布参数特性, 但所得解析表达式过于复杂, 不能够直接用于短路电流变化特性的分析, 文中也未考虑直流控制系统对于短路电流变化特性的影响。
本文推导了考虑分布参数特性的直流线路固有短路电流的时域解析表达式, 分析了直流线路短路电流的固有变化特性。从直流控制对短路电流变化的影响机理出发, 揭示了考虑控制作用的短路电流幅值时空变化特性。结合直流线路保护电流变化量判据的工作原理, 探讨了直流线路短路电流幅值时空变化特性对于判据整定计算的影响。
1 直流线路固有短路电流解析
1.1 直流线路故障暂态与解析模型
直流输电线路长度通常在1 000 km以上, 具有典型的分布参数特性。直流线路发生故障后, 故障点的电流产生阶跃突变, 并以行波形式沿线路向两端换流站传播。到达线路两终端后, 经过换流站设备反射改变方向, 继而沿线路流向故障点。这一反射波到达故障点后, 将被再次反射, 如此周而复始。故障电流行波在线路其中一端与故障点间的传播过程 (过渡电阻为零的理想故障条件下) 可用图1的网格图表示。
图中, Td为行波在故障点与终端之间往返一次所需要的时间, 与故障距离Lf相关;Iinci为由故障点流向终端设备的电流行波;Irefi为由终端设备流向故障点的电流行波;Ii (s) 为构成短路电流的第i个分量, 由Iinci (s) 和Irefi (s) 叠加而成, 所有Ii (s) 之和即为实际短路电流[13,14];i=1, 2, …, n。
直流输电系统在线路故障后的等效故障网络如图2所示。图中, USR和USI分别为整流侧和逆变侧的等效电压源;LeR和LeI分别为整流侧和逆变侧平波电抗器电感与等效电压源内电感之和;Rf为故障点过渡电阻;Uf为故障点稳态电压。
由于线路参数的频变特性、直流控制的强非线性, 难以对短路电流进行精确的时域解析[15]。本文对直流输电系统线路故障模型进行如下简化, 以求取短路电流的解析表达式:直流控制作用进行单独考虑;不考虑直流滤波器的影响;直流线路无损、无畸变;故障点过渡电阻为零;仅考虑直流输电系统的故障分量。简化模型保留了直流线路分布参数的基本特征, 包含了故障端口、线路终端设备等关键因素, 因此, 基于简化模型进行短路电流固有变化特性解析分析, 所得结论具有一般性。
1.2 固有短路电流的时域解析
如图1所示, 第一个入射波到达线路终端前 (t<0) , 流入平波电抗器的故障电流为零。第一个入射波到达线路终端后 (0≤t≤Td) , 流入平波电抗器的电流由I1 (s) 决定;第二个入射波到达终端后, 流入平波电抗器的电流除了I1 (s) 外, 还需要在其上叠加I2 (s) 。依此类推, 流入平波电抗器的电流实际上由n个分量叠加而成, n值由计算时间tcal和故障距离共同决定。若以故障行波第一次到达线路终端时刻为时间零点, 则有故障电流复频域表达式如下:
其中, n=floor (tcal/Td) , floor (·) 函数是指对参数沿绝对值减小的方向向下取整。
从上式可以看出, 推导I (s) 的关键在于求取各个分量Ii (s) , 下面分别求取之。
a.求I1 (s) 。
根据行波在线路终端的折反射规律[15], Iref1 (s) 与Iinc1 (s) 的关系如下:
其中, 为行波在线路终端的反射系数, Zc为直流线路的波阻抗。I1 (s) 由Iinc1 (s) 和Iref1 (s) 叠加而成, 考虑到两者传播方向不同, 有下式成立:
b.求I2 (s) 。
根据行波在故障点的折反射规律[15], Iref1 (s) 与Iinc2 (s) 的关系如下:
其中, Rflt (s) =-1, 为行波在故障点的反射系数。
将式 (2) 代入式 (4) 可得:
进一步参考式 (2) 和 (3) 的推导过程, 可得I2 (s) 的表达式如下:
c.求Ii (s) 。
依此类推, 可以得到Ii (s) 的表达式如下:
为不失一般性, 假设故障点初始电流阶跃行波Iinc1 (t) 为单位阶跃函数, 其拉氏变换Iinc1 (s) 为1/s。将Rter (s) 和Iinc1 (s) 的表达式代入式 (7) 可得:
至此, 得到了Ii (s) 的一般表达式。下面进一步推导Ii (t) 的表达式。
对式 (8) 进行部分分式展开:
求式 (9) 的拉氏反变换, 得到Ii (t) 如下:
综合式 (1) 和 (10) 即可得在计算时间tcal内任意时刻线路一端的故障电流时域表达式为:
2 直流线路短路电流的固有变化特性
2.1 Ii (t) 波形特征与变化规律
当i取1、2时, 根据式 (8) 和 (9) 容易得到I1 (s) 和I2 (s) 分别为:
求其拉氏反变换, 得到I1 (t) 和I2 (t) 为:
更高次入射波和反射波形成的电流分量Ii (s) 表达式比较复杂, 一般可利用MATLAB或Maple计算软件中的符号计算功能进行时域表达式的求取。
根据Ii (t) 时域表达式, 画出I1 (t) —I8 (t) (均为标幺值) 的波形如图3所示, 其中a取2000 s-1, 计算时间tcal取12 ms。对其进行分析, 可以得到Ii (t) 的波形特征与变化规律如下:
a.Ii (t) 总体呈上升趋势, 经过有限次的振荡, 最终均趋向于稳态值2, 即初始入射波幅值的2倍;
b.对于给定的i, Ii (t) 的振荡次数是确定的, 且随着i的增大, 振荡次数逐渐增多;
c.i越小, Ii (t) 达到稳定值所需的时间越短, 反之所需时间越长;
d.对于同一个Ii (t) , 起始振荡幅度一般较小, 随着计算时间的增加, 振荡幅度逐渐增大。
通过对更高次Ii (s) 进行拉氏反变换并绘制波形图, 可以证明上述规律的普遍性, 此处不再赘述。
2.2 短路电流的固有变化特性
从式 (11) 及2.1节可知, I (t) 实际上是由I1 (t) 、I2 (t) 、…、In (t) 的波形叠加而成, 其中n值由故障距离和计算时间共同决定。以tcal=6 ms、Lf=120 km (对应Td=0.8 ms) 为例, a取2 000 s-1时, I (t) (标幺值) 的波形图如图4所示。
图4中, 在每个区段I (t) 都由多个Ii (t) 叠加而成, 且随着时间的推移叠加分量逐渐增多。从图中可以看出, I (t) 具有振荡上升的特性:总体上呈上升趋势, 但在某些时间段有可能出现暂时性的下降, 如图中虚线椭圆所示。
下面对线路近端故障和远端故障2种极端情况下的短路电流进行分析, 以进一步明确短路电流变化的一般规律。
当线路近端故障时, 以Lf=0 km为例, 根据集中参数电路计算理论, 平波电抗器端电压的计算式为I (s) s Le;根据行波理论, 线路首端短路时, 故障点电压计算式为Iinc1 (s) Zc。考虑到平波电抗器端点和故障点为同一点, 因此有下式成立:
求解式 (16) 可得:
当线路首端短路时, 短路电流是斜率为a的直线。
在线路远端故障时, 若所关心的时间域相对较小, 则有可能出现I (t) 始终仅由I1 (t) 构成的情况, 此时结合式 (14) 有:
故线路远端短路时, 短路电流是一终值为2的指数曲线。
综合上述3种情形下电流波形, 可以得到直流输电线路短路电流I (t) 振荡上升的固有变化特性:近端故障时, 有限时间内短路电流的振荡次数趋向无穷, 短路电流几乎成直线上升;随着故障距离的增加, 有限时间内短路电流的振荡次数逐渐减少, 短路电流总体上仍呈上升趋势;当故障距离足够大时, 在关心的时间域内, 短路电流呈振荡次数为零的指数上升。直流线路短路电流总体上随故障持续时间增加而逐渐上升, 近端故障时的短路电流要大于远端故障时的短路电流, 符合短路电流发展的时间约束和物理边界条件约束。
3 考虑直流控制的短路电流变化特性
上文利用解析法分析得到了直流线路短路电流的固有变化特性, 本节进一步分析考虑直流控制作用的短路电流变化特性。直流控制系统包含有复杂的滤波、比较、非线性变换等环节, 难以对其进行直接解析分析[15]。本文根据直流线路短路后定电流控制动作降低短路电流这一作用效果, 分析其对短路电流固有变化特性的影响机理, 并采用PSCAD/EMTDC详细模型进行仿真验证, 为直流线路保护电流判据研究提供指导。
3.1 考虑直流控制的短路电流空间变化特性
故障行波传输到线路终端后, 经过一定的动作延时, 直流控制系统动作抑制故障电流增长。设控制系统动作延时为tctr, 则结合短路电流的固有变化特性可得含控制作用时不同故障距离下的短路电流波形示意图如图5所示。
图5中, 曲线1、5、6为不含控制作用时的短路电流波形, 剩余7条曲线为含控制作用时的短路电流波形 (示意图) ;tctr1、tctr2、…、tctr5表示控制系统响应延时;tcr为曲线5和6的相交时刻, 由于曲线5斜率始终为a, 曲线6的斜率初始为2a、终止为0且单调减小, 因此tcr必然存在。
分析图5 (a) 可得, 控制系统作用能够抑制短路电流的增长。由于短路电流振荡上升的固有变化特性, 短路电流幅值随着控制延时的增加非严格单调递增, 如曲线3和4所示。
从图5 (b) 可以看出, 当tctr=tctr4
实际上, 由于短路电流的振荡上升特性, 不同故障距离下的短路电流曲线往往有多个交点。图6为根据式 (11) 画出的0 km和120 km处故障时I (t) (标幺值) 的波形, 其中取a=1 000 s-1, tcal=6 ms。可以看出, 在tctr
传统上, 一般认为直流线路短路电流幅值随故障距离增加而单调递减, 在近端故障时最大、在远端故障时最小。从上文分析可以看出, 当直流控制动作延时满足一定条件, 直流线路短路电流幅值随故障距离增加表现出非单调减小的变化特性, 这突破了传统短路电流变化特性的空间认识局限。
3.2 考虑直流控制的短路电流时间变化特性
在包含换相过程的实际直流输电系统中, 控制系统通过增大换流阀触发角来抑制故障电流。触发角增大后, 故障电路相当于交流系统的相间短路[15], 短路电流开始时逐渐增大, 达到由故障电路所决定的最大值后逐步减小, 从而实现故障电流的抑制。
以六脉桥换流器为例, 不考虑换相过程。若故障行波于t0时刻到达线路终端, 控制延时为tctr, 则控制作用时刻tact=t0+tctr。不妨设t1
其中, t3为线电压eac的峰值时刻。
在t1
在阀V3导通瞬间, 故障电流上升时间和故障电流幅值发生跃变, 其值与tact=t1时相等。图8给出了在PSCAD/EMTDC环境下, 基于某实际直流系统模型, 仿真得到的直流线路首端单相接地短路故障电流幅值随故障时刻的变化曲线。
传统直流线路短路电流幅值计算主要参考交流电网短路电流计算方法进行, 并未考虑故障时刻对短路电流幅值的影响。从图8可以看出, 在直流系统中, 由于控制系统作用, 短路电流幅值具有明显的时间离散变化特性, 随故障时刻不同表现出锯齿状变化规律, 这突破了传统短路电流变化特性的时间认识局限。
3.3 短路电流时空特性对继电保护的影响
直流线路保护中, 电流变化量判据通过检测直流线路短路电流相对于稳态电流的变化量进行区内和区外故障判别。在电流变化量判据整定计算中, 需要确定区内故障时保护特征量的最小值和区外故障时保护特征量的最大值, 以保证判据的选择性。
由于短路电流幅值的空间非单调变化特性, 区内故障时保护特征量的最小值不一定出现在直流线路终端短路情况之下, 因此不能简单地选取直流线路终端短路时的电流变化量幅值作为保护特征量的整定边界。由于短路电流幅值的时间离散变化特性, 区外故障时保护特征量的最大值应选取锯齿波的顶点, 区内故障时保护特征量的最小值应选取锯齿波的底端。
4 结论
本文利用解析法分析了考虑控制作用的直流线路短路电流变化特性, 得到的主要结论如下。
a.直流线路短路电流具有振荡上升的固有变化特性, 其总体趋势逐渐上升, 近端故障时的短路电流要大于远端故障时的短路电流, 符合短路电流发展的时间约束和物理边界条件约束。
b.在直流控制作用下, 直流线路电流幅值具有空间非单调变化特性和时间离散变化特性。空间上, 短路电流幅值随故障距离增加非单调减小;时间上, 短路电流幅值随故障时刻不同表现出锯齿状变化规律。
c.直流线路保护电流变化量判据整定计算中, 不能简单地选取直流线路终端短路时的电流变化量幅值作为保护特征量的整定边界;区外故障时保护特征量的最大值应选取锯齿波的顶点, 区内故障时保护特征量的最小值应选取锯齿波的底端。
柔性直流输电技术研究分析 篇8
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。
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