電力電子技術在高壓直流輸電上的應用

田葉+詹悅+劉遠

摘 要：高壓直流輸電技術是電力電子技術在電力系統中重要的應用領域。相對于高壓交流輸電，高壓/特高壓直流輸電具有輸送距離遠、輸送容量大、損耗低的特點。我國能源資源與用電需求在地理分布上不均衡，能源輸送距離和規模逐年增加，對電力傳輸優化提出了迫切的需求。本文就電力電子技術在高壓直流輸電上的應用進行了介紹。

關鍵詞：電力電子技術，高壓輸電，應用

1 概述

隨著電子電力技術的不斷發展，以靈活交流輸電（flexible AC transmissionsystem，FACTS）技術、高壓直流輸電（high voltageDC，HVDC）技術、定制電力（custom power）技術和能量轉換技術為代表的先進電力電子技術越來越廣泛地應用到我國電網中，它是建設統一智能電網的重要基礎和手段。加強先進電力電子技術的科技進步，是保證我國電網長遠發展的重要戰略任務。

2 電力電子技術與電力系統

20世紀50年代，伴隨小體積、低耗能晶閘管和電力二極管的出現，電力電子技術開始應用在電力系統。在晶閘管的基礎上，發展產生的硅整流可控裝置，實現了電力系統發展的重大跨越，電力系統正式進入到有電力電子技術構成的變流器控制時代，逐步取代了老式貢弧整流器。

隨著我國經濟的進一步發展，電力系統也發揮著更為重要的作用，在電力系統的應用規模逐步擴大的同時，能源的大量燃燒消耗也給自然環境的帶來更大的破壞，因此未來的發展對可持續化的要求越來越高，有效、高效、合理的利用電力能源至關重要。

3 電力電子技術與電力輸送

電力電子技術在輸電環節的應用常用的輸電方式有直流輸電技術與柔性交流輸電技術兩種.無論是哪種輸電技術.在輸電的過程中都或多或少地利用了電力電子技術。直流輸電與交流輸電各有各的優缺點.直流輸電因其極具穩定性、便于控制等特點。經常用于遠距離的輸電。在我國對于電力電子技術有了一定的研究基礎之后.就用晶閥管換流閥代替了原來在直流輸電中運用的汞弧閥換流器.簡化了直流輸電的設備器件.解決了在輸電過程中耗費資金巨大的問題。

4 高壓直流輸電技術

直流的高壓輸電采納了如下途徑：交流電從電廠發出，經過換流器后，整流可得輸出的直流電。在這之后，受電端接納了輸入進來的直流電，逆變器可變換原先的直流電而后輸送交流電。針對于較大容量、異步聯網及距離較長的用戶送電，都可選取如上的輸電途徑。架空輸電借助于直流電路，這類電路減低了總成本，縮減損耗且確保了穩定。在額定頻率下，電纜輸電采納了互聯性的新式電網，更能便于海底及地下特定的輸電。在擴建及增容時，分級構建的電力體系也更便利了潮流控制。

5 直流輸電技術新發展

5.1 多端HVDC

HVDC系統可分為兩端HVDC系統和多端HVDC系統兩大類。背靠背HVDC系統是兩端HVDC系統的一個特例，即其直流輸電線長度為零，主要用于系統間的非同步聯網。多端HVDC是由2個以上換流站通過直流線路相互聯結所組成的HVDC系統。嚴格來講，多端HVDC并不是一個新的概念，其基本原理早在20世紀60年代中期就已被闡述，但直到現在，絕大多數的HVDC工程均為只有一個整流站和一個逆變站的兩端HVDC系統，真正的多端HVDC系統世界上只有意大利-撒丁島（Italy-Sardinia，三端）和魁北克-新英格蘭（Quebec-NewEngland，五端）兩個。阻礙多端HVDC發展的主要原因是其控制保護技術復雜和高壓直流斷路器制造困難。

5.2 LTT的應用

目前大多數HVDC系統換流器的基本組成元件為ETT（電觸發晶閘管）。這種換流器是在低電位將觸發脈沖轉換為光脈沖，通過光導纖維傳送到高電位，再在高電位將光脈沖轉換為電脈沖，然后送到每個晶閘管的控制極對其進行控制。這種觸發方式比較復雜，故障率較高。由LTT 組成的換流器可直接用光脈沖對晶閘管實施控制，不需在高電位再將光脈沖轉換為電脈沖，從而使觸發系統得到簡化，故障率降低。

5.3 輕型HVDC

大功率電力電子器件，例如IGBT，IGCT的發展使得電壓源型（VSC HVDC）技術成為可能，ABB在世界上首先提出了HVDC Light技術，并已經得到實際應用，目前在瑞典、法國、挪威等多國建立了HVDC Light工程。西門子的HVDCplus（plus=Power link universal systems）也是類似技術，另外還有名稱為Self-Commutated Converter（自勵式換流站）。這種自勵式換流站技術分為兩種：電壓源型自勵式換流裝置；電流源型自勵式換流裝置。 第一種交流輸出電壓為方波，第二種輸出電流為方波，電流源型不同于電壓源型的特點在于潮流反向時電壓極性必須改變。

5.4 電容換相換流器（CCC）

針對傳統直流輸電缺陷，如消耗無功過大缺點，發展了人工換相技術，使換流站工作在α，γ≤0情況下，有效克服這一缺點。實現人工換相方案很多，傳統做法有串連電容器換相技術（CCC-Capacitor Commutated Converter），最新的發展有采用可控串聯電容器的換流器技術（CSCC-Capacitor Series Commutated Converter）。

CCC/CSCC基本思想是用串連的電容器來補償換流器的無功消耗。與傳統直流輸電相比，CCC/CSCC具有如下技術特點：

1. 提高換流器功率因數。主要是因為由于采用串聯電容器，只要選擇了合適的電容器，CCC/CSCC能夠保證很高的功率因數，同時也具有很高的換相可靠性；

2. 降低甩負荷時的過電壓。CCC/CSCC所需的無功功率主要由串聯電容補償，而串聯電容所產生的無功可以隨負載增減，從而有效降低甩負荷時產生的過電壓；

3. 能夠有效地降低受端交流系統故障時逆變器換相失敗的可能性；

4. 提高HVDC運行穩定性。主要是由于CCC/CSCC直流電壓隨直流電流下降的斜率要比傳統PCC技術小的多，所以，它的最大傳輸功率要比傳統直流輸電大的多，提供比傳統直流輸電大的穩定裕度；

6 存在的問題及解決辦法

電力電子技術在電力系統中的應用已經取得了較大進展，但是現階段還沒有健全的大規模應用電力電子裝置的可靠性、經濟性評估體系。如何評價大規模應用電力電子裝置時的電網適應性與電力電子裝置帶來的經濟效益成為一個亟待解決的問題。安全使用電力電子技術是智能電網的重要課題，由于大量采用電力電子換流技術，所以在系統中發生了諧波不穩定和同步電機自激扭振或次同步諧振問題，這是電力電子和HVDC系統的關鍵問題之一，國內也已開始了相關的研究工作。

7 總結

智能電網是一個互動系統，對于系統變化、用戶需求和環境變更的要求，電網要有最佳的反應和適應能力，而電力電子技術是使電網迅速反應并采取相應措施的有力手段。當前，我國電網中的先進電力電子技術通過多種形式的自主創新，已在HVDC、FACTS等相關產業中形成培育點，在提高電網輸配電能力、改善電網電能質量、降低故障損失及縮短故障后恢復時間方面取得了一些成果。未來智能電網的建設發展，勢必對先進電力電子技術的進一步發展提出新的需求[1]。

參考文獻：

[1] 張文亮，湯廣福，查鯤鵬，賀之淵.先進電力電子技術在智能電網中的應用[J].中國電機工程學報，2010，30（2）：1-7endprint