高压直流输电在电力系统中的应用研究

高压柔性直流输电在电网中的应用

作者：黄红荔，黄朵

来源：《教育教学论坛》 2016年第52期

黄红荔，黄朵

（福建电力职业技术学院，福建泉州362000）

摘要：随着电网技术的发展，直流输电技术在电网中的应用日益增加，尤其是近年柔性直流输电技术（VSC-HVDC）的发展，使得电网输电逐渐呈现交流与直流并存的格局。本文对高压柔性直流输电在电网中的应用进行论述，以阐明当前电网中柔性直流输电的发展前景。

关键词：直流输电技术；柔性直流输电；应用

中图分类号：F416.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0251-02

一、引言

上世纪90年代柔性直流输电技术开始出现，并得到较快的发展。1997年瑞典的“赫尔斯扬工程”试验成功，标志着柔性直流输电技术开始从理论走入试验验证中。1999年至2000年期间，澳大利亚和丹麦的柔性直流输电工程的建成标志着柔性直流输电技术正式开始走向实际应用[2]。我国柔性直流输电技术示范工程开始于2008年。2008年12月“柔性直流输电关键技术研究与示范工程”作为国家电网公司的重大科技专项正式启动。2014年世界上首个五端柔性直流输电工程，由国家电网公司中国电力技术装备有限公司总承包的“浙江舟山±200千伏五端柔性直流输电示范工程”正式投产运行。2015年12月厦门“福建厦门±320千伏柔性直流输电科技示范工程”正式投运，标志着我国已经掌握了高压大容量柔性直流输电关键技术和工程成套应用的能力，实现了柔性直流输电技术领域的国际引领，让世界柔性直流输电技术向前迈进一大步。柔性直流输电是以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）、GTO（可关断晶闸管）等器件构成电压源换流器，采用了脉宽调制（PWM）等技术的一种直流输电技术。柔性直流输电具有能够给无源网络供电、换相基本不会失败、换流站间无需通信以及容易构建多端直流系统等优点[1]。柔性直流输电是相对于传统基于晶闸管的电流源型直流输电的一种说法，因为它运行方式更灵活、系统的可控性更好，因此才被称为柔性直流输电。在电力电子技术快速发展的今天，柔性直流输电在解决远距离大容量输电、分布式电源接入以及特大型交直流混合电网疑难问题起到重要作用[2]。因此在世界各国都在大力地研究和推广应用，成为当今电网技术研究的热点方向。本文对高压柔性直流输电在电网中的应用进行论述，以阐明当前电网中柔性直流输电的发展前景。

高压直流输电的优势和应用及其展望

京江学院 J电气0802 3081127059 陈鑫郁

简单的讲，直流输电是先将交流电通过换流器变成直流电，然后通过直流输电线路送出。在受电端再把直流电变成交流电，进入受端交流电网。直流输电系统由换流(逆变)站、接地极、接地极线路和直流送电线路构成。直流输电具有传输功率大，线路造价低，控制性能好等特点，是目前世界发达国家作为解决高电压、大容量、长距离送电和异步联网的重要手段。直流输电( HVDC)的发展历史到现在已有百余年了，在输电技术发展初期曾发挥作用，但到了20 世纪初，由于直流电机串接运行复杂，而高电压大容量直流电机存在换向困难等技术问题，使直流输电在技术和经济上都不能与交流输电相竞争，因此进展缓慢。20 世纪50 年代后，电力需求日益增长，远距离大容量输电线路不断增加，电网扩大，交流输电受到同步运行稳定性的限制，在一定条件下的技术经济比较结果表明，采用直流输电较为合理，且比交流电有较好的经济效益和优越的运行特性，因而直流电重新被人们所重视。

1 高压直流输电

高压直流输电基本原理

高压直流输电的定义：发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流电网。直流输电的一次设备主要由换流站（整流站和逆变站）、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成。

高压直流输电的技术特点

（1）高压直流输电输送容量更大、送电距离更远。

（2）直流输送功率的大小和方向可以实现快速控制和调节。

（3）直流输电接入系统是不会增加原有电力系统的短路电流容量的，也并不受系统稳定极限的限制。

（4）直流输电是可以充分利用线路的走廊资源，线路的走廊宽度大致为交流输电线路的一半，并且送电容量相比前者更大。

（5）直流输电工程运行时，无论任一极发生故障时，另一极均能继续运行，并可以发挥过负荷能力，保持输送功率不变或最大限度的减少输送功率的损失。

电力电子技术在高压直流输电中的应用

摘要：电力电子技术是以高科技为基础的知识密集型综合技术，能够实现电力电子的强弱电结合。换句话说，电力电子技术可用于高电压、大电流地区以及强电地区，例如低压和高电流。本文借鉴了大型电网问题国际会议的一系列报告，重点论述了高压直流输电有关的电子技术的优势和最新发展，特别是ＨＶＤＣ技术。

关键词：电力电子技术；高压直流输电；柔性交流输电技术

电力电子旨在实现发电与配电以及电网与电气负荷之间的最佳匹配。它包括收集、传输、转换和使用电能，从而显着提高和能源质量。电力的使用不仅减少了不可再生资源的消耗，而且有助于环境保护。虽然今天没有电子技术的人的生产生活会瘫痪，但是没有力电子技术的人的生活肯定会黯然失色。

一、高压直流输电较之于交流输电的优劣

较大的电网是性能更高、能效更高的技术应用。对于大规模互联，不能直接使用通信互联。如果直接使用交流电源互连，短路能力将随着电网规模的增大而增加，控制趋势将变得更加困难，最终事故范围将扩大。直流联网避免了这种问题，它不仅增加了短路能力，而且减少了网络之间的相互作用，从而限制了故障程度。直流输电比交流输电贵，不能用来对抗直流和交流电力市场的竞争。但是，直流在性能和稳定性方面要高得多。直流技术广泛应用于长距离输电，海底电缆输电、联网不同频率系统、调节灵活性等优点，包括海底电缆长距离直流输电是不可替代的认识到高压直流输电的好处后，高压直流输电项目激增。

二、高压直流输电系统的设备及其应用

1.HVDC技术概述。高压直流(HVDC)是换流站的三相转变过程一种技术，如果输入电路通过另一个换流站时，将直流电转换为交流电，然后将直流电逆变为交流电。换流器、变压器输电过程中需要及滤波器和无功补偿设备。 2.高压直流输电技术及发展。（1）直接触发晶闸管大容量的应用。换流器主要采用小电流控制大电流的装置。随着发展电力电子技术，晶闸管技术不断更新。水银汞弧阀变为晶闸管，空气冷却变为水冷却；在这种装置中，控制阀越来越小的几何尺寸，越来越少使用晶闸管。随着电力电子技术的进步，晶闸管的电压和电流强度也随之增加。这进一步降低了换流器的成本。然而，这并不意味着将停止晶闸管技术。控制阀中级联晶闸管的数量和降低制造成本尚待研究。晶闸管技术的另一个突破是晶闸管直接触发的发明和应用。普通晶闸管需要更高的触发功率，而直接触发晶闸管利用光信号通过光纤直接触发晶闸管。晶闸管触发、放大、保护、监测和监控装置。（2）串联电容换向技术。传统的直流换流器必须吸收交流电网40-60%的无功功率，这意味着为了向换流器提供所需的无功功率，需要大量的无功补偿设备。串联电容技术是实现这一目标的实用方法。串联电容换向技术是通过提高电流变压器的转换效率将变压器与换流器连接起来，以降低换流器的无功功率，从而提高直流运行的稳定性。（3）电压源换流器。是具有整流和逆变功能的元件。然而，传统的换流器只有在电流过零点时才能闭合，这在一定程度上限制了ＨＶＤＣ控制和应用的灵活性。当换流器关闭时，两端的交流系统必须启用。高压直流输电技术的发展受到限制，电压源换流器的出现解决了这一问题。电压源换流器可以利用大电网实现晶闸管的自由关断。这使得HVAC的控制和应用更加灵活，VSC克服了HVAC变频器必须具有活动源的限制。(4)新直流电缆。该新型直流电缆由ABB开发的新型旋转聚乙烯直流电缆表示。采用新的挤压工艺制备了新型聚合聚乙烯直流电缆，提高了电缆的耐压性和柔韧性，大大降低了电缆的质量。

IGCT技术在高压直流输电系统中的应用

近年来，随着能源需求的不断增长和能源转型的推进，高压直流输电系统作为一种高效、可靠的输电方式，得到了更广泛的应用。而在高压直流输电系统中，IGCT技术作为一种新兴的功率电子器件，具有其独特的优势和应用前景。本文将重点探讨IGCT技术在高压直流输电系统中的应用。

首先，我们需要了解IGCT技术。IGCT全称为Integrated Gate-Commutated

Thyristor，即集成门控换流晶闸管。它是一种高性能的功率电子器件，具备较高的电流和切换能力，并且适用于高压和高频应用。相比传统的晶闸管和GTO（Gate

Turn-Off Thyristor），IGCT具有更低的开关损耗和更高的安全性，能够满足高压直流输电系统的要求。

在高压直流输电系统中，IGCT技术可以应用于两个关键的部分，即换流站和逆变站。

首先，考虑到IGCT的高电流、高压和高频特性，它在换流站中的应用是十分适合的。换流站是将交流电转换为直流电，并且在输电过程中实现换相的关键设备。IGCT技术的引入可以提高换流站的整体效率和可靠性。IGCT具有较低的开关损耗，提高了换流过程的能量转换效率，减少了能量损耗。另外，IGCT的高抗电压能力和快速的切换速度，使得换流站的操作更加稳定和可靠。基于这些特点，IGCT技术能够显著提高高压直流输电系统的运行效率和性能。

其次，在逆变站中，IGCT技术也有着重要的应用价值。逆变站是将直流电转换为交流电的设备。IGCT技术的引入可以提高逆变站的能量转换效率和稳定性。IGCT具有较低的开关损耗和较高的切换能力，使得逆变站能够更加高效地将直流电转换为交流电。此外，IGCT的高抗电压能力和快速的切换速度，也能够提高逆变站的操作稳定性和可靠性。这对于保证高压直流输电系统的正常运行和提高输电效率具有重要意义。 此外，IGCT技术还具备其他优势和应用前景。首先，IGCT具有较低的开关损耗，能够减少能量的浪费和环境的影响。这对于能源的可持续发展和环境保护具有积极意义。其次，IGCT的高频特性和较快的切换速度，使得它在电力系统的调节和控制方面有着广阔的应用空间。IGCT技术可以更好地满足电力系统对响应速度、精度和稳定性的要求，提高电力系统的可调度性和稳定性。