柔性直流输电技术的应用研究

柔性直流输电技术的应用研究

陈为坚

（楚雄供电局云南省楚雄市675000）

摘要：目前，日益严峻的环境与能源紧缺问题、城市人口迅速膨胀和城区合理规划迫切要求能够经济环保地实现孤岛供电、可再生能源联网，并提高现有输电走廊的电能输送能力。显然，传统的直流或交流输电技术无法很好地解决上述难题。随着电力电子技术的进步，柔性直流输电作为新一代直流输电技术，可使当前交直流输电技术面临的诸多问题迎刃而解，为输电方式变革和未来电网构建提供了崭新的解决方案。

关键词：柔性直流；输电技术；应用

一、应用优势

(1)潮流反转电压极性不变。柔性直流输电工程中一旦出现了输电系统的潮流反转现象，整体的直流电压稳定性就会得到大大的提高，从而进一步保证了运行的可靠性，避免了传统直流输电技术的弊端。而对于柔性直流输电技术而言这项优势的所在成为其发展的重要工具，为柔性直流输电技术的进一步发展提供了更大的空间。(2)采用脉宽调制技术。在柔性直流输电技术中，一般都会采用脉宽调制技术，也就是对原有的直流输电系统结构进行优化与创新，在满足基本运行作用的条件之下进行了简化，更好实现电能运行的需求。脉宽调制技术的运用能够在没有变压器的条件下进行工作，这在一定程度上实现了能源的节约操作步骤也相对简化。与传统输电技术相比，柔性直流输电技术的应用对于传输质量与效率的提高，都有着极大的作用。

二、柔性直流输电的基本工作原理

为解决传统直流输电中存在的弊端，采用新型的直流输电的技术可达到有功和无功的独立解耦控制瞬时实现，同时免去换流站间繁杂的通讯系统，在满足对无源网络供电的同时也易于构成多段直流系统。而柔性直流输电融合了PWM技术，采用可控关断器件以及电压源换流器，完全满足了上述技术要求。同时该项技术相较于传统输电优势明显，可同时提供有功、无功功率，有较高的稳定性及较强的输电能力。图1为柔性直流输电系统单线原理图。

图1柔性直流输电原理图

柔性直流输电加入了PWM技术和电压源型换流器，触发脉冲的产生会导致开关管的开通关断，并控制其关断频率。因此桥壁中点电压UC可以实现在+Ud和-Ud之间快速切换，经电抗器滤波得到所需交流电压Us。在理想情况下(即忽略谐波分量并假设电抗器零损耗)，分析可得到换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q的计算公式:

（1）

（2）

式中，UC为换流器输出电压的基波分量;US为交流母线电压基波分量;δ为UC和US之间的相角差;X1为换流电抗器的电抗。

由式(1)和式(2)可以得到换流器稳态运行时的基波相量图，如图3所示。

图2VSC-HVDC换流器稳态运行时的基波相量图

由图2可知，δ值决定了有功功率的大小，无功功率则主要受UC的影响。同时δ还控制者直流电流的方向。纵观整个系统，VSC可实现有功功率无功功率的瞬时独立调节，因此完全可近似看作一个零转动惯量的发电机。

三、柔性直流输电的关键技术

（一）主电路设计

目前实际应用的换流器拓扑结构具有以下特点:(1)结构简单，通常采用两电平或者三电平结构，相比较于传统的直流输电，VSC-HVDC桥壁器件是直接串联的，从而提高了电压等级。(2)开关频率的调节可通过优化PWM的调制方式实现，适当降低开关频率可延长IGBT、IGCT的使用寿命。(3)换流器损耗小。

此外，在设计主电路的拓扑结构时，装置实际的实现难度、设备的造价、后期的运营维护费用等都需要考虑在其中，力求设计的拓扑结构在能减少电力电子器件数目的同时也能有效降低控制系统的复杂性，确保系统总体的稳定性、可靠性和经济性。

（二）直流断路器

面向直流输电的断路器，因其本身并没有自然过零点，需要直流断路器将故障下的直流迅速分开。大电流下的触点分开，必然会造成拉弧，过压等问题。直流断路器的研究一直是业界研究热点。一定程度上说，也是直流断路器这一关键设备的缺失，造成了直流输电技术一直无法大规模运行。不过近些年，全球各大电气设备厂商也在直流断路器上投入人力物力展开研究。已有不少企业可以提供大容量直流断路器成套产品。

（三）控制策略

柔性直流输电的控制策略总结起来主要分为间接电流控制和直接电流控制两个方面。前者系统结构简单，但存在一些如交流侧电流动态响应慢、难以实现过电流控制等缺点。后者也称为“矢量控制”，包括内环电流控制和外环电压控制两个部分，其电流响应对后者快速，受到了学术界的普遍关注。直接电流控制的控制器，由内环电流控制器、外环电压控制器、触发脉冲生成和锁同步环节组成。内环控制器常常应用于实现换流器交流侧电流相位和波形的直接控制，目的在于快速跟踪参考电流;外环控制根据其系统级控制目标的不同，可以实现定有功功率控制、定直流电压控制、定无功功率控制等目标。根据PWM原理，触发脉冲产生链路通过使用来自内环的基准电压和同步相位输出信号来生成每个桥臂的触发脉冲。锁相环的输出用于提供电压矢量定向控制和触发脉冲产生所需的参考相位。在由无源网络供电的灵活直流系统中，传输终端通常由恒定的直流电压控制。由于端到端系统缺乏稳定的功率，通常采用恒定的交流电压控制。

四、柔性直流输电技术的应用前景展望

（一）在城市电网塔容及直流供电中的应用

近几年来，我国经济的高速发展以及城市化建设的不断推进，促进了城市电网的进一步发展，与此同时大部分的城市电网负荷也一直呈现出不断增长的趋势，人们对于电能的供应及质量要求不断提高。

（二）替代交直流联网

结合我国目前的总体趋势西部地区的资源相对较多，同时负荷较少，我国90%的水电几乎都集中在西部，而东部地区的能源与负荷量特点则恰好相反。导致了我国地区能源和负荷的失调，因此，特高压直流输电工程在不断增多，实现电能的大容量和远距离运输。

目前关于柔性直流输电技术方面仍然存在着一定的障碍，在进行长距离和大容量的发展过程中，要克服以下几个难点:第一就是用碳化归来替代二氧化硅，从而改变VSC的材料，同时还要增强封装材料的绝缘性和耐热性，达到大容量的电流运输。第二就是要加强电流直流断路器的优化与改良，突破上述所提到的故障。如果能在技术上实现故障的突破，那么柔性直流输电技术在未来可能会完全取代传统输电技术，承担起长距离大容量的输电任务。

（三）电网增容改造与进行直流供电

柔性直流输电系统运行过程中的谐波含量较少，可以快速地控制系统功率，从而有效提高电能质量;柔性直流输电换流站比传统直流输电占地面积小，可以进一步节约土地资源，减少不必要的浪费;同时系统能够根据系统需求控制交流侧的电流，使得控制系统短路容量成为可能。

（四）向弱系统或孤岛供电

柔性直流输电系统在换相过程中，不需系统外提供换相电压，同时系统可以在无源逆变状态下运行，无源网络也可以作为受端系统，可以很好的为偏远地区进行供电，但是柔性直流输电采用架空线路时所存在的供电可靠性问题仍需解决。

五、结论

为了形成具有自主知识产权的关键技术，走中国特色的电力发展之路，未来应该考虑多方面的因素，不断开展柔性高压直流输电的研究，研制电压更高、容量更大的电力电子器件，改进阀的机电、热等各方面的结构性能，进一步降低换流器的造价，提高其可靠性。使高压输电这一历史性课题更加深入。

参考文献

[1]王伟,安森.柔性高压直流输电综述[J].沈阳工程学院学报(自然科学版),2017,7(03):235-238.

[2]孔令云,杜颖.电压源换流器型直流输电在风电场并网中的应用[J].科技信息,2017(31):730-731+812.