高壓柔性直流輸電系統在電網中應用的關鍵技術綜述

游慶華，黃加福

（1.廈門工學院，福建 廈門 361021；2.漳州職業技術學院，福建 漳州 363000）

高壓柔性直流輸電系統在電網中應用的關鍵技術綜述

游慶華1，黃加福2

（1.廈門工學院，福建 廈門 361021；2.漳州職業技術學院，福建 漳州 363000）

隨著社會經濟的高速發展，電網對供電可靠性、安全運行性以及電能質量要求也越來越高 ，基于IGBT（或者稱作電壓源換流器）的輸電方式的應用范圍越來越廣泛 。本文簡要介紹了高壓柔性直流輸電的發展過程，分析了高壓柔性直流輸電在電網中應用的系統結構、工作原理、技術特點及存在的缺陷和解決方法。最后展望了高壓柔性直流輸電技術的在電網中應用前景 。

IGBT；柔性直流 電壓源；換流器；電網

0 引言

供電量的不斷增加，造成系統短路電流的增大，這對開關設備及網絡元件造成極大地安全隱患，這就要求供電應該滿足靈活運行、可控性高等特點，以滿足各種運行情況的要求。20世紀90年代隨著IGBT(絕緣柵極雙極晶體管)的出現，在工業驅動中得到廣泛的應用。利用IGBT元件本身固有特性，柔性直流輸電技術可分別獨立控制有功和無功功率，且能實現換流器的四象限運行。相對于傳統可控掛的高壓直流輸電，柔性直流輸電系統可控性好、運行方式靈活以及不存在無功補償問題，可以向弱交流系統甚至無源系統輸送。另外，VSC由于產生的諧波含量少，不必單獨配置濾波器，極大節省占地面積，解決了電網供電中存在的供電困難、高成本等問題。

1 柔性直流輸電的特點

1.1 主要優點

柔性直流輸電技術是當今世界電力電子技術應用領域的制高點，與傳統的高壓直流輸電相比，柔性直流輸電具有以下主要優勢：

（1）柔性直流輸電在正常運行時可以更靈活獨立控制有功功率和無功功率。當交流系統出現故障時，柔性直流輸電系統在換流器輸送范圍內既可向故障系統緊急和無功功率支援，從而提高系統的穩定性。

（2）柔性直流輸電技術由于VSC交流側輸出電流的可控性，在增加新的柔性直流輸電線路后，原有交流系統的保護基本保持不變，并且能有效解決大規模交流系統因短路容量過大而無法選擇斷路器的難題。

（3）柔性直流輸電的2電平和3電平電壓源換流器通常采用SPWM脈寬調制技術，其輸出諧波大多集中在開關頻率附近，在交流母線上安裝一組高通濾波器就可減弱系統諧波。新型模塊化多電平拓撲結構的換流器中，產生的諧波比傳統小很多，通常不需要加濾波器。

1.2 存在不足

當然，柔性直流輸電相對于傳統直流輸電也存在不足。主要存在以下幾個方面：

（1）輸送容量相對較小。柔性直流輸電工程的最高設計容量為1000MW左右，與傳統直流輸電可達6000MW以上好還存在一定的距離。但是，如果采用VSC基本單元的串、并聯組合技術，柔性直流輸電達到傳統直流輸電的容量是沒有問題的，技術上也沒問題。因此，未來采用特高壓電壓等級輸電必然會在柔性直流輸電技術中應用。

（2）設備成本較高。目前來看，柔性直流輸電工程目前所需設備的制造商只有有限的幾家企業，成本過高。不過，隨著技術的不斷革新，柔性直流輸電的設備投資成本降低到與傳統直流輸電相當也是可以預期的。

（3）運行損耗高。電壓源換流器的損耗主要取決于IGBT的制造工藝水平、換流器的拓撲結構以及調制方式。當前采用的2電平、3電平以及多電平的輸電技術，開關頻率都在1～2kHz之間，產生的損耗較大。柔性直流輸電損耗下降的前景包括兩個方面：①進一步提高現有技術。②采用新型的可關斷器件。

（4）不適合于長距離輸電。由于傳輸的問題沒好解決，使柔性直流工程的傳輸電壓不高，而且該系統損耗又相對較大，導致輸電距離受到很大限制。針對這個缺陷，目前柔性直流輸電技術的一個重要研究方向就是開發具有直流側故障自清除能力的電壓源換流器。

2 高壓柔性直流輸電技術在電網中應用的可行性分析

2.1 現實性要素

柔性直流輸電技術對交流系統要求較低及能向無源網絡供電，此外，柔性直流輸電系統在換流器輸送范圍內可向故障系統緊急救援和無功功率支援，不但可以處理目前電網存在的弊端，還可以提高電網的穩定安全運行。可以從以下幾個方面體現出來：增強電網的供電能力，為城市的負荷提供必要的無功支撐要求，維持電網的穩定性、可靠性和達到改善電能質量的目的；柔性直流輸電占用面積小能夠增強城市電網建設的可能性，節約電力建設成本；柔性直流輸電可獨立控制有功功率和無功功率，改善電流站的電壓和頻率，方便新資源接入，滿足電力市場的要求。

2.2 成本評估

輸電線路的成本主要由基礎設施投資（包括導線、絕緣子、終端等設備的費用）和運行成本（主要為損耗）組成。假設對于相同峰值電壓水平的交流和直流電路其絕緣要求相同，如果采用直流輸電，那么只需采用兩個輸電線，在交、直流載流量相同的情況下，直流損耗能夠降低33.3%。另外終端設備和無功補償也是影響線路成本的因素。柔性直流線路主要在換流器設備上成本較高，不過需要說明的是，隨便電力電子器件的成本不斷降低和換流站的不斷完善，換流站的成本將會不斷降低。并且無論從占地面積、周圍環境、節約線路走廊方面更易滿足未來電力的發展趨勢。

3 高壓柔性直流輸電在電網中的應用

3.1 基本工作原理

正弦脈寬調制(SPWM)是柔性直流輸電技術中的一項核心技術，如圖1所示。圖中gu為調制波，為載波，在調制波gu與載波cu的交點時刻控制各功率管的通斷。當gu>cu時，上橋臂開關導通，下橋臂開關關斷，當gu

因此，從調制波與電壓基頻分量的關系分析可得，換流器為一個無相位偏移和增益為Ud/2線性放大器（圖2）。由于調制波的幅值與相位可通過調制比K和移相角δ實現調節。因此，換流器輸出電壓基頻分量的幅值與相位也可通過這K和δ兩個變量進行調節。故采用SPWM技術的換流器可以同時獨立地控制調制比K和移相角δ。

圖1 雙極性調制時的調制波和載波

圖2 極性調制時的VSC單相輸出電壓

3.2 輸電系統結構

柔性直流輸電系統的主要由電壓源換流器（VSC）和直流輸電線路構成。雙端柔性直流輸電系統結構如圖3所示。

圖3 雙端柔性直流輸電系統結構圖

在忽略換流電抗器損耗和諧波分量的情況下,換流器和交流電網之間傳輸的有功功率P及無功功率Q分別為：

由式(1)、(2)可知,相角差θ控制有功功率P的傳輸，換流器輸出電壓的基波分量Uc控制無功功率的傳輸。而Uc是由換流器輸出的脈寬調制(PWM)電壓的脈沖寬度控制的。

4 結語與展望

采用基于全控型電力電子器件的柔性直流輸電技術可得到直流電壓及有功無功功率的迅速監視。因此在一些特定的場合，具有獨特的優勢和可靠的實用性。

未來一段時間高壓柔性直流輸電技術發展，需要進一步研究和分析，可從以下幾方面入手：

（1）目前的柔性直流輸電技術多采用2電平、3電平結構，而多電平因復雜的控制系統而被忽略，但這控制技術又在不斷更新發展，故多電平聯接的輸電技術有著廣闊的應用空間。

（2）柔性直流輸電技術將是未來獨立無源網絡的主要供電方式，同時還可以用于各種小型電廠的聯結。

（3）目前關于柔性直流輸電系統啟動的問題研究較少，對于其啟動產生的諧波和電流電壓波動等問題可能是未來的主要研究方向之一。

[1]趙成勇.柔性直流輸電建模和仿真技術[M].北京：中國電力出版社，2014.

[2]湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]徐政.柔性直流輸電系統[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4] Dorn J, Huang H, Retzmann D. Novel voltage-sourced converters forHVDC and FACTS applications[C]∥ CigréSymposium. Osaka, Japan: [s.n.], 2007.

[5]謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統的原理與應用[M].北京:清華大學出版社，2005.

[6]張崇巍，張興．PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社，2003．

[7]管敏淵，徐政，潘武略，等.電網故障時模塊化多電平換流器型高壓直流輸電系統的分析與控制[J].高電壓技術，2013,39(5):1238～1245.

[8]湯廣福，賀之淵，龐輝.柔性直流輸電工程技術研究、應用及發展[J].電力系統自動化，2013,37(15):3～14.

圖6 室溫下管道出口速度云圖

3 結語

借助ANSYSCFX14.0流體分析軟件，采用數值模擬方法對其內部的流體流動特性進行了探索，得到了室溫條件下不同管道內徑下管道內部和管道出口處的速度場、壓力場分布等重要流體信息。主要結論如下。

（1）管道內徑增加，管道內部的最大正壓和負壓均會增加，并且分別出現在彎管的外圓和內圓拐角處。

（2）管道內徑增加，管道內部流體運動的最大速度值也會增加，并且出現在壓力管道的內拐角處。同時，內徑越小，管道內部不同區域的速度分布則會呈現較大的差異性。

（3）管道內徑增加，壓力管道出口處的最大正壓和最大負壓均呈現減小的趨勢，最大正壓出現在靠近壁面的位置；管道內部存在一片速度偏小的區域向圓心位置移動。本文只是利用CFX軟件對管道內部流場進行了簡單的仿真，在后續工作中將結合實驗和仿真的方法展開，并且可以借助Fluent等軟件進行瞬態分析，以更好的為壓力管道設計提供有價值的參考。

參考文獻：

[1]張宇，欒江峰，張斯亮.基于FLUENT的壓力管道內部流場分析[J].當代化工，2014,06:1106～1108.

[2]李振林，姚孝庭，張永學，等.基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴散模擬[J].油氣輸運，2008,27(5):38～41.

[3]胡坤. ANSYSICEMCFD工程實例講解[M].北京:人民郵電出版社，2014.

[4]龍安厚，張帆，韓帥.基于FLUENT的海底輸油管道停輸溫降數值模擬[J].科學技術與工程，2011,11(34):8474～8476.

[5]Zhihe Zhao,H J S Fernando. Numerical simulation of scour aroundpipelines using an Euler-Euler coupled two-phase model[J]. EnvironFluid Mech,2007,7:121～142.

[6]熊莉芳，林源，李世武.k湍流模型及其在FLUENT軟件中的應用[J].工業加熱，2007,36(4):13～15.

[7]（澳） 屠基元，等.計算流體力學—從實踐中學習[M].沈陽:東北大學出版社，2014.

[8]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

TM721.1

A

1671-0711（2016）11（下）-0134-03