輕型直流輸電技術(shù)的應(yīng)用與展望

1、孫峰等：輕型直流輸電技術(shù)的應(yīng)用與展望輕型直流輸電技術(shù)的應(yīng)用與展望孫峰，葉鵬，蔡志遠(yuǎn)，趙洪菊（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)）摘要：輕型直流輸電是一種基于可關(guān)斷電力電子器件和脈寬調(diào)制技術(shù)新型直流輸電技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)的部分缺陷，應(yīng)用十分廣泛在闡述輕型直流輸電工作原理和基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)輕型直流輸電與傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)的比較，介紹了輕型直流輸電技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和目前國(guó)外的實(shí)際應(yīng)用情況，并結(jié)合我國(guó)實(shí)際國(guó)情對(duì)輕型直流輸電技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：輕型直流輸電；高壓直流輸電：電壓源換流器：脈寬調(diào)制引言隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的日新月異，世界各國(guó)的能源相對(duì)

2、匱乏和環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題備受矚目。新型的、清潔的、可再生的能源發(fā)電已成為電力系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新型能源發(fā)電在世界范圍內(nèi)逐步擴(kuò)展，其主要特點(diǎn)之一是分散化與小型化。地理?xiàng)l件與發(fā)電規(guī)模的制約使得利用現(xiàn)有交流輸電技術(shù)將這些“孤島”電源與電網(wǎng)連接經(jīng)濟(jì)性差、環(huán)保壓力大。另外，鉆探平臺(tái)、島嶼、礦區(qū)等遠(yuǎn)距離負(fù)荷目前多采用污染性大的柴油發(fā)電機(jī)供電，若采用交流輸電技術(shù)供電也有同樣問(wèn)題。用電負(fù)荷的不斷增加要求電網(wǎng)規(guī)模與傳輸容量保持持續(xù)發(fā)展，然而增加輸電走廊也面臨越來(lái)越多的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保限制，尤其在城市負(fù)荷中心，增加傳統(tǒng)的架空交流輸電線幾乎不可能。為此，需要一種經(jīng)濟(jì)、靈活、高質(zhì)量的輸電方式解決上述問(wèn)題兒引

3、。隨著近年來(lái)國(guó)外輕型直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展并應(yīng)用于實(shí)際工程，人們對(duì)輕型直流輸電技術(shù)的巨大經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益日漸關(guān)注。本文在介紹輕型直流輸電原理和基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用情況，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際國(guó)情對(duì)該技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用前景進(jìn)行了具體的分析和展望，希望本文能為國(guó)內(nèi)類似技術(shù)的發(fā)展提供參考和借鑒。輕型直流輸電簡(jiǎn)介輕型直流輸電技術(shù)是一種基于可關(guān)斷電力電子器件電壓源換流器（）和脈寬調(diào)制技術(shù)的直流輸電技術(shù)。傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)（）使用基于晶閘管開(kāi)關(guān)的電網(wǎng)換相電流源換流器（），由于缺乏商用的自換相開(kāi)關(guān)（如、等），直到世紀(jì)年代末隨著大功率開(kāi)關(guān)和大功率開(kāi)關(guān)的商業(yè)化應(yīng)用，輕型直流輸電技術(shù)才逐漸發(fā)展起來(lái)

4、。輕型直流輸電技術(shù)的發(fā)展主要是由和用于高壓直流輸電的交聯(lián)聚乙烯（）電纜這兩項(xiàng)基本技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)的。電壓源型換流器）采用電壓源型換流器（），換流器的橋臂由大功率可關(guān)斷型器件（如：、或）和反并聯(lián)的二極管組成，如圖（）所示。換流器中可關(guān)斷器件上并聯(lián)的反向二極管，除了作為主回路外，還可以起到保護(hù)和續(xù)流的作用口。為了獲得所需能量，一般需將多個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接構(gòu)成一個(gè)閥，如圖（）所示。閥可以允許較大的電流，但直流電壓比相當(dāng)?shù)囊?。?duì)于較長(zhǎng)距離的輸電，期望保持較高的輸電電壓以減小損耗，比更適合。就現(xiàn)第十一屈全國(guó)乜工數(shù)學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集今的技術(shù)條件下，閥的阻斷電壓可達(dá)，基于這種閥的能承擔(dān)高達(dá)的有效值交流線電流，對(duì)應(yīng)

5、單個(gè)的設(shè)計(jì)容量約為、，。這樣，一個(gè)雙極性系統(tǒng)可以很容易達(dá)到。而在低端容量方面，經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)僅幾個(gè)兆瓦。一專（）【）圖電壓源換流器橋輕型直流輸電基于脈寬調(diào)制（）技術(shù)的控制方法，能夠獨(dú)立控制有功功率和無(wú)功功率，并能限制產(chǎn)生的低次諧波，提高電能質(zhì)量。由高頻開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的正弦脈寬調(diào)制（）式換流器的單相電路如圖所示。圖換流站單相示意圖船其工作原理是：工頻正弦波控制信號(hào)比經(jīng)與三角波載波信號(hào)蜥比較產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)蜥。當(dāng)被觸發(fā)導(dǎo)通后，輸出電壓；當(dāng)被觸發(fā)導(dǎo)通后，“一吲，由于和不同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，所以只有±己乙，兩種數(shù)值。經(jīng)換流電抗器和濾波器濾除中的高次諧波分量后，交流母線上可得到與比波形相同的工頻正弦波電壓

6、蜥。其中，蜥決定開(kāi)關(guān)的動(dòng)作頻率，比決定輸出電壓的相位和幅值。改變的相位，即改變與蠔的相位關(guān)系，可改變有功功率的大小和方向；改變的幅值，即改變與璐的數(shù)值關(guān)系，可改變無(wú)功功率的大小和極性（感性或容性）。因此，換流器可單獨(dú)調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率¨“。圖波形圖忽略諧波分量時(shí)，換流器所吸收的有功功率和無(wú)功功率分別為：零嘞孫峰等：輕型直流輸電技術(shù)的應(yīng)用與展望倒毋勁彳為換流電抗器的屯抗值。電纜式中、分別為輸出電壓“和母線電壓基頻分量的有效值，為與珞的相位差，盡管交聯(lián)聚乙烯（）電纜已經(jīng)應(yīng)用于交流輸電中許多年了，但是由于其在絕緣中存在的空間電荷導(dǎo)致不可控的局部高電場(chǎng)以及與溫度有關(guān)的電阻系數(shù)引起的應(yīng)力分

7、布不均等問(wèn)題，擠壓式電纜在直流輸電中一直得不到很好的應(yīng)用。隨著以擠壓式聚合物為絕緣的新型（）直流電纜的出現(xiàn)，以上的問(wèn)題都得到了解決引。由于采取絕緣層三層擠壓，即：導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層和絕緣屏蔽層同時(shí)擠壓，其具有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，易于用作架空電纜、地下電纜，甚至工作在條件惡劣的海底。圖為公司研制的新型的直流輸電電纜。這種電纜重量輕、傳輸功率密度大，一對(duì)的鋁電纜在直流電壓時(shí)能夠傳輸?shù)墓β剩渲亓繛?，絕緣厚度為。：鬻。霈器溪釋器霪曛囂黧、？。？瓣羚，爭(zhēng)孽、：翻：。翹一電灞量、裁、震圖直流輸電電纜輕型直流輸電的技術(shù)特點(diǎn)采用可控的關(guān)斷型電力電子器件和技術(shù)，較之傳統(tǒng)直流輸電，技術(shù)特點(diǎn)如下引：正常運(yùn)行時(shí)，可以同時(shí)而

8、且獨(dú)立地控制有功功率和無(wú)功功率，甚至可以使功率因數(shù)為，這種調(diào)節(jié)能夠快速完成，控制靈活方便。而傳統(tǒng)中控制量只有觸發(fā)角，不可能單獨(dú)控制有功功率或無(wú)功功率。另外，不僅不需要交流側(cè)提供無(wú)功功率而且能夠起到的作用，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著故障時(shí)，如果容量允許，那么曲系統(tǒng)既可向故障系統(tǒng)提供有功功率的緊急支援，又可提供無(wú)功功率緊急支援，從而能提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性和系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。電流能夠自關(guān)斷，可以工作在無(wú)源逆變方式，所以不需要外加的換相電壓，受端系統(tǒng)可以是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，克服了傳統(tǒng)受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷，使利用為遠(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電成為可能。潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直

9、流電壓極性不變，與傳統(tǒng)恰好相反。這個(gè)特點(diǎn)有利于構(gòu)成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的并聯(lián)多端直流系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)多端系統(tǒng)并聯(lián)連接時(shí)潮流控制不便、串聯(lián)連接時(shí)又影響可靠性的缺點(diǎn)。第十一屈全國(guó)乜工數(shù)學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集由于交流側(cè)電流可以被控制，所以不會(huì)增加系統(tǒng)的短路功率。這意味著增加新的、線路后，交流系統(tǒng)的保護(hù)整定基本不需改變。模塊化設(shè)計(jì)使的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大大縮短。同時(shí)，采用技術(shù)，開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高，經(jīng)過(guò)高通濾波后就可得到所需交流電壓，可以不用變壓器，從而簡(jiǎn)化了換流站的結(jié)構(gòu)，并使所需濾波裝置的容量也大大減小。換流站的占地面積僅約同容量下傳統(tǒng)直流輸電的。采用新型（）直流電纜，可以直接安裝在現(xiàn)有交

10、流電纜管內(nèi)，可以使輸送容量提高約。換流站間的通訊不是必需的，每個(gè)站可以獨(dú)立控制，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。而且在電網(wǎng)故障后快速恢復(fù)控制能力良好。應(yīng)用與實(shí)例清潔能源接入系統(tǒng)受環(huán)境條件限制，清潔能源發(fā)電一般裝機(jī)容量小、供電質(zhì)量不高且遠(yuǎn)離主網(wǎng)，如中小型水電廠、風(fēng)電場(chǎng)（含海上風(fēng)電場(chǎng)舊兒訓(xùn)）、潮汐電站、太陽(yáng)能電站等，由于其運(yùn)營(yíng)成本很高及交流線路輸送能力偏低等原因使采用交流互聯(lián)方案在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上均難以滿足要求，利用與交流大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保護(hù)環(huán)境。丹麥?zhǔn)锇l(fā)電工程是世界上第一個(gè)用于示范的風(fēng)力發(fā)電的輕型直流輸電工程。工程的目的是進(jìn)行較小規(guī)模的試驗(yàn)并展示這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用，這項(xiàng)新型技術(shù)將

11、用于連接容量大于且離海岸大于的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)。這項(xiàng)工程于年月發(fā)布并開(kāi)工，于年月移交業(yè)主用于展示和試驗(yàn)。曙風(fēng)電場(chǎng)由臺(tái)不同型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，總裝機(jī)容量為，如圖所示。采用直流電纜與現(xiàn)有交流電纜并行鋪設(shè)，可以工作在直流電纜單獨(dú)運(yùn)行，交流電纜單獨(dú)運(yùn)行和交直流電纜并行運(yùn)行三種方式。琵唱工程的建成和成功投運(yùn)，為解決風(fēng)力發(fā)電接入所導(dǎo)致無(wú)功功率和電壓穩(wěn)定問(wèn)題提供了參考，也為各國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)提供了借鑒。圖丹麥可工程非同步電網(wǎng)互聯(lián)地區(qū)電網(wǎng)之間的互聯(lián)是電網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展方向，不僅可以增加系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可靠性，對(duì)電力市場(chǎng)的發(fā)展也有著重要的意義。澳大利亞的（工程和可（工程都是用于異步聯(lián)網(wǎng)、電力交易，同時(shí)滿足環(huán)境的要求。

12、另外，美國(guó)的工程將紐約長(zhǎng)島和電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)，該工程將曲的直流電壓和直流電流等級(jí)都提高到了一個(gè)新的水平，而且該工程于年月在美國(guó)東北部電網(wǎng)的黑起動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮了十分積極的作用，反映了曲具有很強(qiáng)的電網(wǎng)恢復(fù)控制能力。孫峰等：輕型直流輸電技術(shù)的應(yīng)用與展望：紫胖：緊產(chǎn)該卜斟罄刮圖澳大利亞的工程圖為年投運(yùn)的澳大利亞的（工程。它將新南威爾士（出）電網(wǎng)和昆士蘭（）電網(wǎng)連接起來(lái)，緩沖了課稅過(guò)重的昆士蘭供電系統(tǒng)的部分壓力。工程的每個(gè)換流站額定容量，由個(gè)獨(dú)立的、，的換流器組成，利用長(zhǎng)的線路走廊，共用電纜。環(huán)境敏感區(qū)域（如城市中心）的應(yīng)用通過(guò)交流線路向城市中心增加新的輸送容量是昂貴的，并且在某些情況下，新的輸電走廊是

13、難以獲得的。直流電纜比交流架空線所需的空間小，而輸送容量比交流電纜大。另外，系統(tǒng)具有的有功和無(wú)功獨(dú)立調(diào)節(jié)能力，使系統(tǒng)在輸送有功的同時(shí)能夠保持兩側(cè)交流系統(tǒng)的電壓恒定，從而提高電能質(zhì)量。因此如果城市中心需要更多的電力，很多時(shí)候直流電纜是唯一現(xiàn)實(shí)的解決方案“。海上鉆井平臺(tái)和海島供電海上石油鉆井平臺(tái)或海島等遠(yuǎn)離陸地電網(wǎng)的海上負(fù)荷，通?？坎裼突蛱烊粴鈦?lái)發(fā)電，不但發(fā)電成本高、供電可靠性難以保證，而且污染環(huán)境。應(yīng)用）曲技術(shù)，這些問(wèn)題都可以得到解決，同時(shí)多余電能（如用石油鉆井產(chǎn)生的天然氣發(fā)電）還可以反送給系統(tǒng)。挪威投運(yùn)的工程，就是用于向海上天然氣鉆井平臺(tái)上的用電設(shè)備供電。該工程采用技術(shù)除了考慮到長(zhǎng)距離海底電纜

14、輸電和環(huán)境保護(hù)要求外，還考慮到鉆井平臺(tái)上的同步電動(dòng)機(jī)需要變頻（）調(diào)速、運(yùn)行電壓在范圍內(nèi)變化、以及換流器空間和重量等限制因素。年建成的瑞典哥特蘭島直流輸電工程就是應(yīng)用，曲技術(shù)連接遠(yuǎn)距離島嶼的一個(gè)成功實(shí)例。輕型直流輸電在我國(guó)的應(yīng)用前景蓬勃發(fā)展的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源緊缺和環(huán)境污染等問(wèn)題日益顯著，國(guó)家將大力開(kāi)發(fā)和利用可再生清潔能源，可再生清潔能源的發(fā)展首推風(fēng)電。我國(guó)有著極其豐富的風(fēng)能資源，實(shí)際可開(kāi)發(fā)量達(dá)億，主要分布在東南沿海及其島嶼，西北、華北和東北地區(qū)，華北地區(qū)僅內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)的風(fēng)能資源實(shí)際可開(kāi)發(fā)量就約為億，約占全國(guó)可開(kāi)發(fā)總量的。盡管近年來(lái)風(fēng)電增長(zhǎng)迅速，但它在全國(guó)電力供應(yīng)中才只占。

15、年國(guó)家出臺(tái)的可再生能源法對(duì)可再生能源的利用和發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委的可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（草案），第十一屈全國(guó)氈工數(shù)學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集預(yù)計(jì)到年我國(guó)的一次能源消費(fèi)中有來(lái)自可再生能源：可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到，其中包括，的風(fēng)力發(fā)電和，的生物質(zhì)發(fā)電。合理開(kāi)發(fā)和利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源是符合我國(guó)國(guó)情需要的，但這些可再生能源一般分散性強(qiáng)、且遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，接入系統(tǒng)后還會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定情況。傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)能夠解決這個(gè)問(wèn)題，卻不是很經(jīng)濟(jì)，而模塊化設(shè)計(jì)的輕型直流輸電將是個(gè)不錯(cuò)的選擇。地區(qū)聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)步發(fā)展另外，我國(guó)電網(wǎng)正處于高速發(fā)展時(shí)期，目前已進(jìn)入從大區(qū)性電網(wǎng)向全國(guó)性互聯(lián)電網(wǎng)過(guò)渡的階段

16、。截止年底，我國(guó)已建成跨區(qū)輸電聯(lián)網(wǎng)工程個(gè)，建成跨區(qū)輸電聯(lián)網(wǎng)線路，實(shí)現(xiàn)了東北一華北、華東一華中、華中一華北等區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，并通過(guò)華中電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)網(wǎng)與南方電網(wǎng)的互聯(lián)。其中葛南工程、龍政工程和三峽向廣州送電工程均采用高壓直流輸電方式。跨區(qū)輸電聯(lián)網(wǎng)工程對(duì)于保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)劑電網(wǎng)電力電量的余缺，實(shí)現(xiàn)全國(guó)電力資源的優(yōu)化配置有著重要作用。的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在異步聯(lián)網(wǎng)工程中充分得到體現(xiàn)，而作為一種新型的直流輸電技術(shù)，憑借其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)，也必將在未來(lái)的電網(wǎng)互聯(lián)工程中擁有廣泛的應(yīng)用前景。沿海資源開(kāi)采力度的加大根據(jù)國(guó)務(wù)院年月日頒布的全國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃綱要，我國(guó)的海洋石油資源量約億噸，天然氣資源量萬(wàn)億立方米

17、，濱海砂礦資源儲(chǔ)量?jī)|噸，海洋可再生能源理論蘊(yùn)藏量達(dá)億千瓦。我國(guó)有充足沿海資源，但開(kāi)采仍然不充分，隨著人們對(duì)海洋資源認(rèn)識(shí)的不斷加深，沿海鉆井平臺(tái)的不斷建立，輕型直流輸電又將擁有一片良好的發(fā)展空間。結(jié)語(yǔ)輕型直流輸電技術(shù)作為一種新型的直流輸電技術(shù)，憑借其自身的技術(shù)特點(diǎn)已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域中，并逐步顯示出其優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、可再生能源全面開(kāi)發(fā)以及電力市場(chǎng)日益發(fā)展和完善，對(duì)高品質(zhì)電能質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性和可靠性要求進(jìn)一步提高，開(kāi)展對(duì)輕型直流輸電技術(shù)的深入研究有著積極作用和深遠(yuǎn)的意義。隨著國(guó)家新能源政策的貫徹和執(zhí)行，地區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的穩(wěn)步實(shí)施與不斷完善，輕型直流輸電技術(shù)必將在我國(guó)擁有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)，（曲時(shí)舭【矗玳印，：】一【】曲斟【】帆人：一【】胡兆慶，毛承雄，陸繼明等一種新型的直流輸電技術(shù)曲】電工技術(shù)學(xué)報(bào)，（）：【】文俊，張一工，韓民曉等輕型直流輸電一一種新一代的技術(shù)陰電網(wǎng)技術(shù)，（）：