高压柔性直流输电系统在电网中应用的关键技术综述

游庆华，黄加福

（1.厦门工学院，福建 厦门 361021；2.漳州职业技术学院，福建 漳州 363000）

高压柔性直流输电系统在电网中应用的关键技术综述

游庆华1，黄加福2

（1.厦门工学院，福建 厦门 361021；2.漳州职业技术学院，福建 漳州 363000）

随着社会经济的高速发展，电网对供电可靠性、安全运行性以及电能质量要求也越来越高 ，基于IGBT（或者称作电压源换流器）的输电方式的应用范围越来越广泛 。本文简要介绍了高压柔性直流输电的发展过程，分析了高压柔性直流输电在电网中应用的系统结构、工作原理、技术特点及存在的缺陷和解决方法。最后展望了高压柔性直流输电技术的在电网中应用前景 。

IGBT；柔性直流 电压源；换流器；电网

0 引言

供电量的不断增加，造成系统短路电流的增大，这对开关设备及网络元件造成极大地安全隐患，这就要求供电应该满足灵活运行、可控性高等特点，以满足各种运行情况的要求。20世纪90年代随着IGBT(绝缘栅极双极晶体管)的出现，在工业驱动中得到广泛的应用。利用IGBT元件本身固有特性，柔性直流输电技术可分别独立控制有功和无功功率，且能实现换流器的四象限运行。相对于传统可控挂的高压直流输电，柔性直流输电系统可控性好、运行方式灵活以及不存在无功补偿问题，可以向弱交流系统甚至无源系统输送。另外，VSC由于产生的谐波含量少，不必单独配置滤波器，极大节省占地面积，解决了电网供电中存在的供电困难、高成本等问题。

1 柔性直流输电的特点

1.1 主要优点

柔性直流输电技术是当今世界电力电子技术应用领域的制高点，与传统的高压直流输电相比，柔性直流输电具有以下主要优势：

（1）柔性直流输电在正常运行时可以更灵活独立控制有功功率和无功功率。当交流系统出现故障时，柔性直流输电系统在换流器输送范围内既可向故障系统紧急和无功功率支援，从而提高系统的稳定性。

（2）柔性直流输电技术由于VSC交流侧输出电流的可控性，在增加新的柔性直流输电线路后，原有交流系统的保护基本保持不变，并且能有效解决大规模交流系统因短路容量过大而无法选择断路器的难题。

（3）柔性直流输电的2电平和3电平电压源换流器通常采用SPWM脉宽调制技术，其输出谐波大多集中在开关频率附近，在交流母线上安装一组高通滤波器就可减弱系统谐波。新型模块化多电平拓扑结构的换流器中，产生的谐波比传统小很多，通常不需要加滤波器。

1.2 存在不足

当然，柔性直流输电相对于传统直流输电也存在不足。主要存在以下几个方面：

（1）输送容量相对较小。柔性直流输电工程的最高设计容量为1000MW左右，与传统直流输电可达6000MW以上好还存在一定的距离。但是，如果采用VSC基本单元的串、并联组合技术，柔性直流输电达到传统直流输电的容量是没有问题的，技术上也没问题。因此，未来采用特高压电压等级输电必然会在柔性直流输电技术中应用。

（2）设备成本较高。目前来看，柔性直流输电工程目前所需设备的制造商只有有限的几家企业，成本过高。不过，随着技术的不断革新，柔性直流输电的设备投资成本降低到与传统直流输电相当也是可以预期的。

（3）运行损耗高。电压源换流器的损耗主要取决于IGBT的制造工艺水平、换流器的拓扑结构以及调制方式。当前采用的2电平、3电平以及多电平的输电技术，开关频率都在1～2kHz之间，产生的损耗较大。柔性直流输电损耗下降的前景包括两个方面：①进一步提高现有技术。②采用新型的可关断器件。

（4）不适合于长距离输电。由于传输的问题没好解决，使柔性直流工程的传输电压不高，而且该系统损耗又相对较大，导致输电距离受到很大限制。针对这个缺陷，目前柔性直流输电技术的一个重要研究方向就是开发具有直流侧故障自清除能力的电压源换流器。

2 高压柔性直流输电技术在电网中应用的可行性分析

2.1 现实性要素

柔性直流输电技术对交流系统要求较低及能向无源网络供电，此外，柔性直流输电系统在换流器输送范围内可向故障系统紧急救援和无功功率支援，不但可以处理目前电网存在的弊端，还可以提高电网的稳定安全运行。可以从以下几个方面体现出来：增强电网的供电能力，为城市的负荷提供必要的无功支撑要求，维持电网的稳定性、可靠性和达到改善电能质量的目的；柔性直流输电占用面积小能够增强城市电网建设的可能性，节约电力建设成本；柔性直流输电可独立控制有功功率和无功功率，改善电流站的电压和频率，方便新资源接入，满足电力市场的要求。

2.2 成本评估

输电线路的成本主要由基础设施投资（包括导线、绝缘子、终端等设备的费用）和运行成本（主要为损耗）组成。假设对于相同峰值电压水平的交流和直流电路其绝缘要求相同，如果采用直流输电，那么只需采用两个输电线，在交、直流载流量相同的情况下，直流损耗能够降低33.3%。另外终端设备和无功补偿也是影响线路成本的因素。柔性直流线路主要在换流器设备上成本较高，不过需要说明的是，随便电力电子器件的成本不断降低和换流站的不断完善，换流站的成本将会不断降低。并且无论从占地面积、周围环境、节约线路走廊方面更易满足未来电力的发展趋势。

3 高压柔性直流输电在电网中的应用

3.1 基本工作原理

正弦脉宽调制(SPWM)是柔性直流输电技术中的一项核心技术，如图1所示。图中gu为调制波，为载波，在调制波gu与载波cu的交点时刻控制各功率管的通断。当gu>cu时，上桥臂开关导通，下桥臂开关关断，当gu

因此，从调制波与电压基频分量的关系分析可得，换流器为一个无相位偏移和增益为Ud/2线性放大器（图2）。由于调制波的幅值与相位可通过调制比K和移相角δ实现调节。因此，换流器输出电压基频分量的幅值与相位也可通过这K和δ两个变量进行调节。故采用SPWM技术的换流器可以同时独立地控制调制比K和移相角δ。

图1 双极性调制时的调制波和载波

图2 极性调制时的VSC单相输出电压

3.2 输电系统结构

柔性直流输电系统的主要由电压源换流器（VSC）和直流输电线路构成。双端柔性直流输电系统结构如图3所示。

图3 双端柔性直流输电系统结构图

在忽略换流电抗器损耗和谐波分量的情况下,换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为：

由式(1)、(2)可知,相角差θ控制有功功率P的传输，换流器输出电压的基波分量Uc控制无功功率的传输。而Uc是由换流器输出的脉宽调制(PWM)电压的脉冲宽度控制的。

4 结语与展望

采用基于全控型电力电子器件的柔性直流输电技术可得到直流电压及有功无功功率的迅速监视。因此在一些特定的场合，具有独特的优势和可靠的实用性。

未来一段时间高压柔性直流输电技术发展，需要进一步研究和分析，可从以下几方面入手：

（1）目前的柔性直流输电技术多采用2电平、3电平结构，而多电平因复杂的控制系统而被忽略，但这控制技术又在不断更新发展，故多电平联接的输电技术有着广阔的应用空间。

（2）柔性直流输电技术将是未来独立无源网络的主要供电方式，同时还可以用于各种小型电厂的联结。

（3）目前关于柔性直流输电系统启动的问题研究较少，对于其启动产生的谐波和电流电压波动等问题可能是未来的主要研究方向之一。

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图6 室温下管道出口速度云图

3 结语

借助ANSYSCFX14.0流体分析软件，采用数值模拟方法对其内部的流体流动特性进行了探索，得到了室温条件下不同管道内径下管道内部和管道出口处的速度场、压力场分布等重要流体信息。主要结论如下。

（1）管道内径增加，管道内部的最大正压和负压均会增加，并且分别出现在弯管的外圆和内圆拐角处。

（2）管道内径增加，管道内部流体运动的最大速度值也会增加，并且出现在压力管道的内拐角处。同时，内径越小，管道内部不同区域的速度分布则会呈现较大的差异性。

（3）管道内径增加，压力管道出口处的最大正压和最大负压均呈现减小的趋势，最大正压出现在靠近壁面的位置；管道内部存在一片速度偏小的区域向圆心位置移动。本文只是利用CFX软件对管道内部流场进行了简单的仿真，在后续工作中将结合实验和仿真的方法展开，并且可以借助Fluent等软件进行瞬态分析，以更好的为压力管道设计提供有价值的参考。

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