電壓源換流器型高壓直流輸電技術的應用研究

摘 要：該文介紹了基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術，與傳統HVDC輸電技術進行了比較，分析了VSC-HVDC輸電系統應用于城市電網的技術優勢。

關鍵詞：電壓源換流器 直流輸電 城市電網

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0025-01

1 VSC-HVDC輸電技術

1.1 基本原理

VSC-HVDC輸電技術是在全控型電力電子器件和PWM技術的基礎上發展起來的，其系統結構主要包括環路器、交流電抗器、換流變壓器、交流濾波器、直流電容器、直流線路以及控制保護系統等。VSC-HVDC輸電系統兩端采用相同的主電路結構：交流電抗器和換流變壓器是換流器與交流系統進行能量交換的紐帶，同時具有一定的濾波作用，換流變壓器也用于為電壓源換流器提供合適的工作電壓，保證電壓源換流器工作于最優狀態；直流電容器作為主要的儲能元件，為換流器提供直流電壓支撐；交流濾波器主要作用是濾除開關頻率附近的高次諧波。

在控制系統方面，換流站常采用的控制方式有直接電流控制、矢量控制和智能控制策略等。矢量控制由于結構簡單，響應速度快，尤其重要的是容易實現電流限制器的設計，因此被廣泛地應用于柔性直流輸電工程中。PWM控制接收矢量控制計算得到的調制比M和相角a，并通過相應的調制方式產生PWM觸發脈沖，最終實現對開關器件的控制。實際中使用較多和較廣的是正弦脈寬調制SPWM。為了保證VSC-HVDC輸電系統的直流電壓恒定和有功功率平衡，一側換流站必須采用直流電壓控制策略，為主導站；另一側換流站采用定有功功率控制策略，用于傳輸恒定的有功功率值。

1.2 技術優勢

由于VSC-HVDC技術是從傳統HVDC技術的基礎上發展起來的，因此，VSC-HVDC系統具有傳統HVDC系統的大部分優點，如：直流輸電線路比交流輸電線路來說少用一根線路，使其線路造價低，占用輸電走廊面積比較窄；直流輸電線路輸送容量大、損耗小、壽命長且輸送距離不受限制；直流輸電可以實現非同步系統的互聯；直流輸電可以分期建設和增容擴建等等。

除了上述與傳統直流輸電共有的優點之外，VSC-HVDC系統還有一些自身的優點：

1）在控制上：

（1）傳統HVDC系統通過控制無功補償設備如電容器的投切達到無功補償目的，控制復雜且成本較高；VSC-HVDC系統換流站本身可以快速獨立地控制有功和無功功率，這種調節可以快速完成，可以等效為一個無慣性的發電機，并且VSC-HVDC系統通過PWM方式可以自由的控制輸出交流電壓的幅值和頻率。

（2）VSC-HVDC系統潮流反轉容易實現，不需要改變直流電壓極性，直流電流反向即可實現潮流反向。而且，控制系統配置與電路結構都保持不變，即不需要改變控制模式、濾波開關，也不需要換流器閉鎖，整個反向過程幾個毫秒內完成。無功功率控制器同時動作，保證無功功率交換不受反向過程的影響。這個特點有助于構成既能方面控制潮流又有較高可靠性的并聯多端直流系統。

（3）兩個VSC-HVDC系統換流站之間不需要通信，每個站可以獨立控制。

2）在應用場合上：

（1）傳統HVDC常用于大容量電能傳輸；VSC-HVDC在中、小容量電能傳輸成本方面更有競爭力，目前VSC-HVDC的電壓等級與容量在工程實踐中已達到±150 kV，400 MW，國際大電網會議討論研究了±300 kV，1000 MW容量VSC-HVDC系統的可行性。

（2）傳統HVDC要求所連接電網短路容量足夠大，保證其換相成功；VSC-HVDC系統則可以用于短路容量小的系統，甚至是無源網絡，沒有換相失敗問題。

（3）傳統HVDC系統僅能控制有功功率的傳輸，同時需要吸收大量的無功；VSC-HVDC系統具有靈活快速的潮流控制能力，它還可以充當系統中的STATCOM，兩側換流站可各自獨立的調節交流電壓，在系統故障情況下，其控制交流電壓的能力對于系統穩定性非常有利。

2 應用于城市電網供電中的優勢

由于VSC-HVDC系統可快速獨立地有功和無功功率、控制并網點交流電壓、潮流反轉方便，再加上設計施工方便靈活、施工周期短、環境效益好等特點，使得VSC-HVDC輸電技術特別適合在風電場并網、孤島和弱電網供電、交流電網非同步互聯與電力市場交易、城市電網供電等方面。VSC-HVDC系統的優點與其采用全控型開關器件和高頻PWM調制技術這兩個基本特征有關。VSC-HVDC系統應用于城市電網供電中的優勢主要體現在以下方面。

2.1 電力系統運行與穩定方面

（1）快速獨立的有功無功控制。VSC-HVDC系統兩側換流站可以在其運行范圍內對有功和無功進行快速獨立的控制。

（2）實現遠距離和大容量輸電。VSC-HVDC輸電技術具有傳統直流輸電的特點，其傳輸距離不受限制，可用于遠距離向城市電網中心供電，并且其技術特點決定了城市電網的短路容量基本不變。

（3）提高城市電網的穩定性。一方面，VSC-HVDC系統通過吸收和發出無功功率，實現對城市電網交流電壓的控制，暫態過電壓可以被無功控制的快速響應抵消，從而提高城市電網的電壓穩定性。

（4）城市電網事故后快速恢復供電和黑啟動。黑啟動時，VSC-HVDC輸電系統切入頻率控制和交流電壓控制，實現城市電網的黑啟動。實現這一功能的前提是VSC-HVDC系統另一端連接在正常電網上。

（5）潮流反轉快捷方便，能夠構成城市內可靠的多端輸配電直流系統，便于城市內直流電網的擴建。

2.2 設計和施工方面

（1）設計靈活。VSC-HVDC輸電系統的模塊化特點使得各模塊可更具具體環境進行擺放，模塊之間使用高壓電纜連接。

（2）設備大多在戶內。交流濾波裝置、相電抗器、直流濾波裝置均固定在較矮的基座或底架上，避免出現較高的鋼結構建筑，方便維護和保護工作人員的人身安全。

（3）施工周期短。VSC-HVDC輸電系統采用高度模塊化設計，各模塊包括換流閥、控制保護系統等可在工廠內進行封裝，便于系統工程的快速組裝和調試，減少了工程的建設和調試周期。

參考文獻

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[2]徐政，陳海榮.電壓源換流器型直流輸電技術綜述[J].高電壓技術，2007，33（1）：1-10.