直流输电系统在电力设计中的应用

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　　【内容提要】随着我国电力系统“西电东送，南北互供，全国联网”方针政策的快速实施，我国将进入直流输电技术发展的黄金时段。为此，本文将介绍直流输电技术的新发展。
　　【关键词】直流输电CCC/CSCC电压源换流器(VSC)新型直流输电
　　 直流输电以其优良的性能在远距离、大容量输电，交流电网互联和跨海输电、城市送电等领域得到了极大的发展。随着我国电力系统“西电东送，南北互供，全国联网”方针政策的快速实施，我国将进人直流输电技术发展的黄金时段。
　　一直以来，直流输电的发展与换流技术(特别是高电压、大功率换流设备)的发展有密切的关系。因此，直流输电技术的发展，经过了20世纪50―60年代的汞弧阀时期、20世纪70―80年代的晶闸管阀时期。进人20世纪90年代以后，新型半导体换流设备【绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的电压源换流器】的发展，促进了新型直流输电的快速发展。本文将介绍直流输电技术的发展，并着重介绍基于电压源换流器(VSC)的新型高压直流输电系统的特点。
　　一、传统直流输电的缺陷
　　直流输电系统主要由整流器、逆变器(换流器)、直流线路等部分组成。其中关键技术是换流技术。传统的直流输电采用电网换相的换流技术，即由交流电网提供换相时的短路电流，也称换相电流，因此，传统的直流输电系统存在以下缺陷:
　　1、为保证换相的可靠，受端交流必须有足够的容量，即必须有足够的短路比，当受端电网比较弱时，便易发生换相失败。
　　2、存在延迟触发角α(一般为100-150)和关断角r(一般为150或更大一些)，以及波形的非正弦，因此，传统的直流输电要吸收大量的无功功率，其值约为输送直流功率的40%-60%,需要大量的无功补偿及滤波设备，而且在甩负荷时会出现无功功率过剩，而导致过电压。
　　3.传统的直流输电需要交流电网提供换相电流，这就要求受端系统是有源网络。故传统的直流输
　　电不能向无源网络(如孤立负荷)输送电能。
　　二、传统直流输电的新发展
　　为了克服上述第2个缺点，可以采用人工换相，使换流器工作在α,r≤0的情况下，从而出现了串联电容器换相器技术(CCC)和可控串联电容器的换相器技术(CSCC)。
　　CCC/CSCC的基本思想是用串联电容器来补偿换流的无功功率消耗。其中CCC概念是将电容器放在换流变压器的二次侧，并且采用固定电容器。适当选择串联电容器的大小，就可达到使α≤00或a,1800，从而使换流器不吸收甚至发出基波无功功率。
　　CSCC概念是把电容器放在换流变压器的一次侧，并且采用可控串联电容器。它成功运用晶闸管控制电容器(TCSC)技术和传统的电网换相换流器相结合，通过对串联电容器的动态调整，可以克服可能发生的铁磁谐振。
　　与传统直流输电相比，CCC/CSCC具有如下技术特点：
　　1、提高换流器的功率因数。在传统直流输电中，为了保证换相的可靠完成，并有一定的调节余地，
　　要求足够大的延迟触发角α(对整流侧)和触发超前角β(对逆变侧)，但另一方面，为了提高换流器的功率因数，又要求α和β尽可能小，两者不能兼顾，只能折中考虑。而CCC/CSCC换流器的功率因数主要取决于电容器交流侧的视在延迟触发角αapp(对整流侧)和视在触发超前角βapp(对逆变侧)，调节电容器值，可使αapp, βapp小于0，另一方面CCC/CSCC换相能否可靠完成，则取决于电容器的换流器侧的实际延迟触发角αrel(对整流侧)和实际触发超前角βrel对逆变侧)，而实际的αrel, βrel大于延迟触发角的下限。因此CCC/CSCC换流器具有很高的功率因数，又具有很高的换相可靠性。
　　2、降低甩负荷时的过电压。CCC/CSCC所需的无功功率主要由串联电容来补偿，而串联电容所产生的无功功率随着负荷增减而增减，从而能有效地降低甩负荷时的过电压。
　　3、无需大容量补偿装置，但需采用高性能的滤波器。CCC/CSCC具有较高的功率因数，不像传统的直流输电那样需要大容量的无功补偿设备，而只需要小容量滤波装置。但要求滤波器具有良好的跟随特性，必须采用连续可调的交流滤波器或有源交流滤波器。
　　三、基于电压源换流器的新型高压直流输电系统
　　传统直流输电以半控功率器件为基础，电流不能自关断，CCC/CSCC在传统直流输电基础上进行了改进，增加了附加接线，实现了强迫关断，但是，它们都仍然采用触发相位控制，只能工作在有源逆变方式。采用IGBT的电压源换流器，具有关断电流的能力，可以应用脉宽调制(SPWM)技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。它与电网换相换流器有着本质区别。基于电压源换流器的新型高压直流输电又称为轻型高压直流输电(Light HVDC)。
　　1、基于电压源换流器的新型直流输电的实现
　　采用电压源换流器的新型直流输电是通过VSC(电压源变换器)来实现，通常采用两电平6脉动型，每个桥臂都由多个绝缘栅双极晶体管 (IGBT)或门极关断晶闸管(GTO)串联而成。直流侧并有电容器，作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波;交流侧设有换流电抗器，它是VSC与交流侧能量交换的纽带同也起到滤波的作用;交流滤波器作用是滤去交流侧谐波。
　　2、新型直流输电的控制方法
　　在新型直流输电中，VSC通常采用正弦脉宽调制(SPWM)技术，其原理是:把给定的正弦波(期望的输出电压波形)与三角载波比较来决定每个桥臂的开通、关断时刻。当直流侧电压恒定时， SPWM的调制度(正弦给定信号与三角载波幅值之比)决定VSC输出电压的幅值，正弦给定信号的频率与相位决定VSC输出电压的频率与相位。
　　VSC吸收的有功功率和无功功率分别取决于VSC输出电压的相位和幅值，所以通过控制SPWM给定的正弦信号的相位，就可以控制有功功率的大小及输送方向，通过控制SPWM的调制度就可以控制无功功率的大小及性质，从而可以实现对有功功率和无功功率同时且相互独立调节。
　　3、新型直流输电的技术特点
　　 (1)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以无需外加的换相电压。克服了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。
　　 (2)正常运行时，VSC可以同时且相互独立控制有功功率、无功功率，控制更加灵活方便。而传统的HVDC中控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。
　　 (3)VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且起到静止补偿器的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。
　　(4)潮流反转时，直流方向反转，而直流电压极性不变，与传统的HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统。克服了传统HVDC多端系统并联时潮流控制不便，串联时又影响可靠性的缺点。
　　 (5)由于VSC交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的新型直流输电线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。
　　 (6)VSC通常采用SPWM技术，开关频率较高，经过低通滤波后就可得到所需的交流电压，可以不用变压器。
　　 (7)VSC-HVDC的一个固有特征是能够提高系统阻尼，因此其不引起发电机的次同步振荡。
　　新型直流输电潜在的用途包括远距离无源网络送电、发电厂的连接及用来构成大城市内多端直流输电系统代替传统的交流配电网等。目前，由于器件容量及其串联技术限制，新型直流可达到的容量有限，还不能取代传统HVDC用于大功率直流输电。以GTO为功率器件的大容量VSC一旦研制成功将较大幅度提高轻型直流输电容量。
　　

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