VSC—HVDC輸電系統的特點與應用

唐博+王鵬

摘要：輕型直流輸電系統是基于VSC技術的新型直流輸電技術。介紹輕型直流輸電基本原理，對比輕型直流輸電技術與傳統直流輸電技術在結構和功能方面的區別，闡述輕型直流輸電的優點，并對其應用進行總結和展望，以期為輕型直流輸電技術在我國的應用和發展提供一定參考。

關鍵詞：輸電技術；輕型直流輸電；換流器；電壓源型換流站

中圖分類號：TM721.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0047-03

直流輸電系統的換流站經歷了從汞弧閥到晶閘管閥的變化。基于技術上的可行性和需要，近年來國外發展了輕型直流輸電（HVDC Light）技術，并用于實際工程。其核心是采用可關斷元件構成VSC進行直流輸電。這種新型輸電系統設計容量從幾兆瓦到幾百兆瓦，可以向無源網絡供電，整個電站按照模塊化設計，占地面積僅為同等容量下傳統直流輸電電站的20%。從運行實際來看，該工程電力輸送非常穩定，換流站能夠滿足噪聲水平、諧波畸變、電話干擾和電磁場等方面的技術要求。

1 輕型直流輸電簡介

輕型直流輸電采用可關斷電力電子器件構成電壓源型換流站（Voltage Sourced Converters，VSC）進行直流傳輸（如圖1所示），而傳統直流輸電采用相控換流器（Phase Commutated Converters，PCC）技術。隨著大功率電力電子器件的發展，如IGBT電壓達到6.5 kV，電流最大達到3 kA，IGCT（Integrated GateCommutated Thyristor）目前能承受的斷態重復峰值電壓（Repetitive peak off-state yoltage）達到6.0 kV、最大可控關斷電流（Max. controllable turn-offcurrent）達到3～6 kA，用可關斷器件構成換流站來進行直流傳輸。

2 輕型直流輸電的特點

輕型直流輸電是在電壓源換流器（VSC）技術和門極可關斷晶閘管（GTO）及絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等全控型功率器件基礎上發展起來的，由高頻開關器件IGBT構成的正弦脈寬調制（SPWM）式VSC單相電路如圖2所示。其工作原理是：工頻正弦波控制信號uc經與三角波載波信號utri比較產生觸發信號ui（如圖3所示）。

當2+被觸發導通后，輸出電壓uo=Ud/2；當2-被觸發導通后，uo=Ud/2，由于2+和2-不同時觸發導通，所以uo只有兩種數值。經換流電抗器和濾波器濾除uo中的高次諧波分量后，交流母線上可得到與uc波形相同的工頻正弦波電壓us。其中，utri決定開關的動作頻率，uc決定輸出電壓uo的相位和幅值。改變uc的相位，即改變uo與us的相位關系，可改變有功功率的大小和方向；改變uc的幅值，即改變uo與us的數值關系，可改變無功功率的大小和極性（感性或容性）。因此，VSC換流器可單獨調節有功功率和無功功率。

有功功率的計算公式為：

P=sinδ （1）

無功功率的計算公式為：

Q= （2）

式中：Uo，Us分別為VSC輸出電壓uo和母線電壓基頻分量的有效值；d為uo與us的相位差；X為換流電抗器的電抗。

輕型直流輸電系統采用新型的3層聚合材料擠壓的單極性電纜（如圖4所示）作為中間直流傳輸線路。導體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層3層同時擠壓成絕緣層，中間導體一般為鋁材單芯導體，不同于傳統紙或者油絕緣電纜。這種新型電纜具有高強度、環保和方便掩埋的特點，適于深海等惡劣環境。一對95 mm2的鋁電纜在直流電壓100 kV時能夠傳輸30 MW的功率，其密度為1 kg/m、絕緣厚度為5.5 mm，可以方便地植入地中。與交流傳輸相比，直流傳輸電壓唯一的限制是線損，可以通過選擇較大截面的導體來降低損耗，并用輕型直流輸電電纜來進行傳輸。

輕型直流輸電電站采用模塊化設計，所有裝置在生產工廠經過試驗檢驗后運送到電站當地。裝置占地較小，一個功率為20 MW、直流電壓低于±30 kV的電站面積不超過250 m2，一個250～300 MW的電站占地30 m×40 m×20 m（寬×長×高）。電站主要設備包括換流站閥、小型空心電抗器及濾波裝置、冷卻設備和控制設備。

輕型直流輸電系統在運行時，一側換流站控制電壓，構成常電壓控制，另一側換流站控制有功功率，常電壓控制方式使兩側有功功率自動平衡；另外，換流站也可以控制交流電壓，將變壓器一次電壓穩定在某一預定值，同時也可以對風力發電站電壓閃變進行控制。

3 輕型直流輸電與傳統直流輸電比較

從結構上來講，兩者的區別為：1） 傳統直流輸電系統通過換流變壓器同電網連接；而輕型直流輸電系統則通過小型電抗器與電網相連，只有在直流電壓同電網電壓不相匹配時才加變壓器。2） 傳統的直流輸電需要電容器或者調相機等進行無功補償；而輕型直流輸電系統則不需要，只需要尺寸很小的濾波器。3） 傳統直流輸電在直流側采用平波電抗器抑制直流電流變化時的上升速度，減少直流線路中電壓和電流的諧波分量；而輕型直流輸電采用VSC技術，在直流側采用電容器濾波。

在應用場合上，兩者的區別為：1） 小島、鉆井平臺等遠離電網的負載，交流電纜在距離超過50～100 km或者傳輸功率過大時變得不可行。傳統直流輸電一方面占地面積大，另一方面控制較為復雜；而輕型直流輸電系統可向無源網絡供電。2） 傳統直流輸電往往用于大容量電能傳輸；而輕型直流輸電在小、中容量電能傳輸成本方面更具有競爭力。3） 輕型直流輸電靈活的潮流控制能力使得其可以充當系統中的SVC（Static Var Compensator）或STATCOM（Static Synchronous Compensator），兩端換流站可以各自獨立地調節交流電壓，在系統故障情況下，其控制交流電壓的能力對穩定電力系統更有利。4） 傳統直流輸電系統要求所連接電網短路容量足夠大；而輕型直流輸電則可以用于短路容量小的系統，甚至是無源網絡。

在控制方式上，兩者的區別為：1） 傳統直流輸電靠控制無功補償器（如電容器）的投切達到無功補償目的，其控制比較復雜，同時成本較高；而輕型直流輸電VSC換流站本身可以自由控制有功和無功功率，甚至可以使功率因數為1，對于VSC而言，這種調節能夠快速完成，可以等效為一個無慣性的發電機。2） 輕型直流輸電系統通過PWM方式自由控制輸出交流電壓幅值和頻率，可將變壓器一次電壓穩定在常數值，在系統發生短路故障時通過調節輸出電壓降低短路電流，這對于提高系統穩定性有一定作用。3） 輕型直流輸電系統的站與站之間不需要快速通信聯系，每個站可以獨立控制。

4 輕型直流輸電應用

輕型直流輸電采用VSC結構，單個VSC可以通過電網向直流負載供電，或者接發電單元（如光伏發電）到電網；兩個VSC可以構成點對點的直流傳輸；由于VSC的直流電壓在系統潮流反轉時極性不變，所以多個VSC端子可以構成直流網絡，向多個負載供電，或者接多個發電單元。

1） 向遠地負載供電，如油田、鉆井、遙遠山區等遠離電網的負荷，采用交流架空線輸電往往代價高或者不可能，所以這些地方常用當地發電，最常用的燃料是柴油，不僅造成環境污染，而且燃料運輸、維護的代價也很高。而這些負荷通過輕型直流輸電技術與電網相連，能夠大大降低供電成本、改善環境。

2） 小島供電，如海上鉆井平臺等，采用輕型直流輸電技術和海底電纜取代當地發電，可降低成本、改善環境，同時大大減小電站占地面積。有些海上大功率負荷，如大功率壓縮機，需要調速功能，如果專用一條輕型直流輸電線路向該負荷供電，加上Motorformer（一種新型高壓電動機），就可以省掉變壓器，從而將電動機和輕型直流輸電直接相連，實現變頻調速。另外，由于PWM控制方式使得輕型直流輸電輸出電壓電流接近正弦，也大大地減小了濾波器和電抗器的尺寸。

3） 連接小規模發電廠到電網，如風能發電、太陽能發電、潮汐發電、小水電廠，以及海上鉆井平臺的氣體渦輪發電等，這些電廠由于地域和環境限制，往往遠離電網和主負荷區，如何將這些地域分散、規模較小的電廠用較低成本連接到電網是一個亟待解決的問題。輕型直流輸電技術的出現解決了這一問題，其優點之一是允許發電機工作在不同于電網的頻率下，甚至允許以變頻率方式工作。

4） 城市中心區電力增容。隨著城市人口膨脹和城區合理規劃，在城區進行電力傳輸架空線的施工日益困難，此外，交流長距離傳輸對地有注入電流，需要添加補償設備，如并聯電抗器或者電容器等。輕型直流輸電采用地埋式電纜，既不會影響城市市容，也不會有電磁干擾，同時還適合長距離電力傳輸。

5 結論

新型的、基于VSC技術的輕型直流輸電與傳統直流輸電相比，具有很多優點，其作為一種成本合算的直流輸電技術，適合于向遠地負載、小島、海上鉆井等孤立網絡供電。隨著新能源發電和分布式發電技術的發展，輕型直流輸電成為一種更合適連接新能源發電電站和電網的方式。

在控制方式上，兩者的區別為：1） 傳統直流輸電靠控制無功補償器（如電容器）的投切達到無功補償目的，其控制比較復雜，同時成本較高；而輕型直流輸電VSC換流站本身可以自由控制有功和無功功率，甚至可以使功率因數為1，對于VSC而言，這種調節能夠快速完成，可以等效為一個無慣性的發電機。2） 輕型直流輸電系統通過PWM方式自由控制輸出交流電壓幅值和頻率，可將變壓器一次電壓穩定在常數值，在系統發生短路故障時通過調節輸出電壓降低短路電流，這對于提高系統穩定性有一定作用。3） 輕型直流輸電系統的站與站之間不需要快速通信聯系，每個站可以獨立控制。

4 輕型直流輸電應用

輕型直流輸電采用VSC結構，單個VSC可以通過電網向直流負載供電，或者接發電單元（如光伏發電）到電網；兩個VSC可以構成點對點的直流傳輸；由于VSC的直流電壓在系統潮流反轉時極性不變，所以多個VSC端子可以構成直流網絡，向多個負載供電，或者接多個發電單元。

1） 向遠地負載供電，如油田、鉆井、遙遠山區等遠離電網的負荷，采用交流架空線輸電往往代價高或者不可能，所以這些地方常用當地發電，最常用的燃料是柴油，不僅造成環境污染，而且燃料運輸、維護的代價也很高。而這些負荷通過輕型直流輸電技術與電網相連，能夠大大降低供電成本、改善環境。

2） 小島供電，如海上鉆井平臺等，采用輕型直流輸電技術和海底電纜取代當地發電，可降低成本、改善環境，同時大大減小電站占地面積。有些海上大功率負荷，如大功率壓縮機，需要調速功能，如果專用一條輕型直流輸電線路向該負荷供電，加上Motorformer（一種新型高壓電動機），就可以省掉變壓器，從而將電動機和輕型直流輸電直接相連，實現變頻調速。另外，由于PWM控制方式使得輕型直流輸電輸出電壓電流接近正弦，也大大地減小了濾波器和電抗器的尺寸。

3） 連接小規模發電廠到電網，如風能發電、太陽能發電、潮汐發電、小水電廠，以及海上鉆井平臺的氣體渦輪發電等，這些電廠由于地域和環境限制，往往遠離電網和主負荷區，如何將這些地域分散、規模較小的電廠用較低成本連接到電網是一個亟待解決的問題。輕型直流輸電技術的出現解決了這一問題，其優點之一是允許發電機工作在不同于電網的頻率下，甚至允許以變頻率方式工作。

4） 城市中心區電力增容。隨著城市人口膨脹和城區合理規劃，在城區進行電力傳輸架空線的施工日益困難，此外，交流長距離傳輸對地有注入電流，需要添加補償設備，如并聯電抗器或者電容器等。輕型直流輸電采用地埋式電纜，既不會影響城市市容，也不會有電磁干擾，同時還適合長距離電力傳輸。

5 結論

新型的、基于VSC技術的輕型直流輸電與傳統直流輸電相比，具有很多優點，其作為一種成本合算的直流輸電技術，適合于向遠地負載、小島、海上鉆井等孤立網絡供電。隨著新能源發電和分布式發電技術的發展，輕型直流輸電成為一種更合適連接新能源發電電站和電網的方式。

在控制方式上，兩者的區別為：1） 傳統直流輸電靠控制無功補償器（如電容器）的投切達到無功補償目的，其控制比較復雜，同時成本較高；而輕型直流輸電VSC換流站本身可以自由控制有功和無功功率，甚至可以使功率因數為1，對于VSC而言，這種調節能夠快速完成，可以等效為一個無慣性的發電機。2） 輕型直流輸電系統通過PWM方式自由控制輸出交流電壓幅值和頻率，可將變壓器一次電壓穩定在常數值，在系統發生短路故障時通過調節輸出電壓降低短路電流，這對于提高系統穩定性有一定作用。3） 輕型直流輸電系統的站與站之間不需要快速通信聯系，每個站可以獨立控制。

4 輕型直流輸電應用

輕型直流輸電采用VSC結構，單個VSC可以通過電網向直流負載供電，或者接發電單元（如光伏發電）到電網；兩個VSC可以構成點對點的直流傳輸；由于VSC的直流電壓在系統潮流反轉時極性不變，所以多個VSC端子可以構成直流網絡，向多個負載供電，或者接多個發電單元。

1） 向遠地負載供電，如油田、鉆井、遙遠山區等遠離電網的負荷，采用交流架空線輸電往往代價高或者不可能，所以這些地方常用當地發電，最常用的燃料是柴油，不僅造成環境污染，而且燃料運輸、維護的代價也很高。而這些負荷通過輕型直流輸電技術與電網相連，能夠大大降低供電成本、改善環境。

2） 小島供電，如海上鉆井平臺等，采用輕型直流輸電技術和海底電纜取代當地發電，可降低成本、改善環境，同時大大減小電站占地面積。有些海上大功率負荷，如大功率壓縮機，需要調速功能，如果專用一條輕型直流輸電線路向該負荷供電，加上Motorformer（一種新型高壓電動機），就可以省掉變壓器，從而將電動機和輕型直流輸電直接相連，實現變頻調速。另外，由于PWM控制方式使得輕型直流輸電輸出電壓電流接近正弦，也大大地減小了濾波器和電抗器的尺寸。

3） 連接小規模發電廠到電網，如風能發電、太陽能發電、潮汐發電、小水電廠，以及海上鉆井平臺的氣體渦輪發電等，這些電廠由于地域和環境限制，往往遠離電網和主負荷區，如何將這些地域分散、規模較小的電廠用較低成本連接到電網是一個亟待解決的問題。輕型直流輸電技術的出現解決了這一問題，其優點之一是允許發電機工作在不同于電網的頻率下，甚至允許以變頻率方式工作。

4） 城市中心區電力增容。隨著城市人口膨脹和城區合理規劃，在城區進行電力傳輸架空線的施工日益困難，此外，交流長距離傳輸對地有注入電流，需要添加補償設備，如并聯電抗器或者電容器等。輕型直流輸電采用地埋式電纜，既不會影響城市市容，也不會有電磁干擾，同時還適合長距離電力傳輸。

5 結論

新型的、基于VSC技術的輕型直流輸電與傳統直流輸電相比，具有很多優點，其作為一種成本合算的直流輸電技術，適合于向遠地負載、小島、海上鉆井等孤立網絡供電。隨著新能源發電和分布式發電技術的發展，輕型直流輸電成為一種更合適連接新能源發電電站和電網的方式。