柔性输电与直流输电技术

1柔性输电与直流输电技术1引言自从1882年法国人德普勒首次实现第一条直流输电线把电力送到57km远的慕尼黑国际博览会驱动水泵电动机，1891年第一条三相交流高压输电线在德国劳奋至法兰克福竣工以来，开始了电力系统交直流输电一个多世纪的应用和发展。输电技术发展的特点是努力减少线路损失，提高输送距离和输送容量。目前，单纯提高输电电压的发展已出现明显的饱和趋势，传统的输电方法已不能适应现代电力输送的要求。未来输电发展的重点将是采用新的技术，充分利用线路走廊输送更多的电力，提高单位线路走廊的输电能力是许多国家共同面临的问题，于是多种新型输电方式的概念和技术被提出并得到积极地研究。1970年后发展起来的电力电子技术，可以通过电力半导体开关电路实现快速、有效、经济、方便的电力变换、电力补偿和电能控制，可以为传统电力系统中发电、输电、配电、用电各领域提供先进的技术手段：快速、经济、有效、便捷地实现电力系统中电压、电流、阻抗、功率的实时调控，将各种电力电子补偿控制器引入交流输电系统，可以实现交流输电系统的灵活、方便、经济有效的实时控制，提高交流输电功率极限值，而又确保其运行稳定性储备，优化输电电网潮流，减少功耗，节省能源，提供输电线路变压器等电力设备的利用率。引入了各种电力电子变换器、补偿控制器可实现灵活快速有效控制的交流输电系统被称为柔性交流输电系统FACTS（FlexibleA.CTransmissionSystem）。FACTS技术从根本上改变了交流输电系统中，对于电网的控制只能采用传统的缓慢、间断以及不精确设备进行机械控制的局面，为交流输电网提供了快速、连续和精确的控制手段以及优化潮流的能力，同时能够保证系统稳定性，且有助于在事故发生时防止连续造成的大面积停电。随着电力电子器件和控制技术的发展，换流站采用IGBT、IGCT等元件构成电压源型换流站（VoltageSourceConverter，VSC）来进行直流输电成为可能。自上世纪九十年代后期，以ABB公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电（HVDCLight）技术，并成功应用于多个领域。这种直流输电技术是采用基于可关断型器件的电压源型换流器和PWM技术进行直流输电。从其技术特点和实际工程的运行来看，很适合应用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。因此，根据国家中长期科技发展规划和“十一五”发展规划纲要，发展柔性输电与直流输电技术，建设新一代直流输电联网工程，促进大规模风力发电场的并网，城市供电和孤岛供电等新技术的发展，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，增强自主创新能力，符合我国国情和我国的经济发展规律，符合市场需求，符合电力工业发展规律和电网技术发展方向。2柔性输电技术2.1柔性交流输电技术柔性交流输电(FArS：HexibleAlternativeCurrentTransmissionSystems)又叫做灵活交流输电，最早是在1988年由美国电力科学研究院(EPRI)的N．G．Hingorani博士提出来的。柔性交流输电技术是将电力电子技术、微处理机技术和控制技术等高新技术集中应用于高压输变电系统，以提高输配电系统可2靠性、可控性、运行性能和电能质量并获取大量节电效益的一种新型综合技术。柔性交流输电技术的发展主要经历了以下几个阶段：①从20多年前就出现的SVC开始，主要由晶闸管开关快速控制的电容器和电抗器组成的装置，以提供动态电压支持，其技术基础是常规晶闸管整流器(SCR：SemiconductorControlledRectifier)，后来出现的第一代FACTS装置是晶闸管控制的串联电容器(TCSC：Thyristor—controlledSeriesCompen—sator)，它利用SCR控制串接在输电线路中的电容器组来控制线路阻抗，从而提高输送能力。②第二代FACTS技术装置同样具有支持电压和控制功率等功能，但在外部回路中不需要加设大型的电力设备(指电容器和电抗器组或移相变压器等)。这些新装置如静止无功发生器(STAT—COM：StaticCompensator)和串联补偿器(SSSC：sol—id-stateSeriesCompensator)设备采用了门极可关断设备(GT0：GateTurnOffThyristor；IGBT：Insu一1atedGateBipolarTransistor)等一类全控型器件，起到电子回路模拟出电容器和电抗器组的作用，装置造价大大降低，性能却明显提高。③第三代FACTS技术将两台或多台控制器复合成一组FACTS装置，并使其具有一个共同的、统一的控制系统。如将一台STAT—COM和一台SSSC复合而成的综合潮流控制器(UPFC：UnifiedPowerFlowController)，它可以控制线路阻抗、电压或功角，同时可控制输电线路的有功和无功潮流。调节双回路潮流的线间潮流控制器(IFPC：InterPhasePowerFlowcontroller)和可控移相器(TCPR：Thyristor—ControlledPhaseangleRegulator)都属于复合控制器。FACTS技术用于配电领域也取得了显著进展，它主要用于改善配电网的电压和电流质量，包括有功、无功电压、电流的控制和高次谐波的消除，蓄能等应用。目前已开发的装置有SVC、配电静止补偿器(D—STATCOM)、电池蓄能器(BESS)、超导蓄能(SMEs)、有源电力滤波器(APF)、动态电压限制器(DVL)及固态断路器(SSCB)等。FACTS技术的出现，突破了过去单一控制器形成的局部作用及影响，开辟了提高交流输电线和输电网运行整体控制能力和水平的技术渠道。2.1.1几种FACTS元件并联型FACTS元件可以是可变阻抗，可控电源或两者的组合。通常并联型FACTS控制器都是通过并联节点向电网注入电流来实现所需的控制功能。即使是对于采用并接可变阻抗形成的并联FACTS控制器，电网电压作用在可变阻抗上形成的电流也可以看作是向电网注入相应的电流。如果并联FACTS控制器注入的电流矢量与接入节点处的电压矢量垂直，则并联FACTS元件只从电网中吸收/发送无功功率，若二者相位不垂直则并联FACTS控制器和电网之间会产生有功交换。早在1970年代并联型的FACTS元件SVC（StaticVarCompensator）就在美国投入了运行，随着技术的进步TCBR（ThyristorControlledBrakingResistor），STATCOM（StaticSynchronousCompensator）也在电力系统中得到了广泛应用。2.1.1.1SVC（StaticVarCompensator）SVC一般被用来控制接入点电压在静、动态过程中维持在一定范围内，同时SVC还具有一定的稳定系统能力，但是SVC并不能有效控制电力系统的功率潮流。SVC一般是通过晶闸管来实现快速投切并联电容器/电抗器来运行，有时也与机械控制的电容器/电抗器配合动作来实现上述功能。SVC现有以下四种型式：可控硅控制空芯电抗器型(TCR型)；可控硅开关控制电容器型(TSC型)；自饱和电抗器型(SR型)；可控硅控制高阻抗变压器型(TCT型)，其基本结构如3图1.1所示：图2.1常见的几种SVC基本结构2.1.1.2STATCOM（StaticSynchronousCompensator）早在1980年日本三菱公司就研制成功了采用晶闸管强迫换相电路的20MVar的静止同步补偿器（StaticSynchronousCompensator），但由于电路复杂未获得广泛应用[22]。自1990年代以来，随着全控型电力电子器件（GTO、IGBT、IGCT、ETO等）的发展，采用电力电子变流器构成的静态同步补偿器(STATCOM)得到了越来越多的重视和应用。通常情况下STATCOM由直流侧接有储能电容的三相逆变器构成，如图1.2所示，其输出电压与电网电压同相。当其输出电压高于/低于电网电压时将会导致输入电流的超前和滞后于电网电压，其电压差值的大小决定了输入电流的大小。因此可以通过调节电压的幅值大小来控制STATCOM输出无功功率的极性和大小。图2.2STATCOM基本结构与向量图由于STATCOM采用电力电子变换器来产生无功功率具有响应速度快、无需负载电容、电抗等特点，因而具有控制节点电压、实现瞬时无功补偿、阻尼系统振荡、增强系统暂态稳定性等功能[5],[23],[24]。除此之外STATCOM还可以在其直流侧配置大容量储能器件如蓄电池和超导磁储能系统（SMES）等，这样当系统掉电时配有储能系统的STATCOM还可以为本地系统提供短时间的电力支撑。2.2柔性直流输电技术随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散4性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。2.2.1柔性直流输电原理与基于自然换相技术的电流源型换流器的传统直流输电不同，VSC-HVDC是一种以电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制(PWM技术)为基础的新型直流输电技术。这种输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。下面详细介绍VSC-HVDC的系统结构及其基本工作原理。图2.3为柔性直流输电系统单线原理图，两端的换流站均采用VSC结构，它由换流站、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等部分组成。图2.3柔性直流输电单线原理图变压器T：变压器可以采用常规的单相或三相变压器。通常，为了使换流站能够达到最大的有功功功率和无功功率，变压器的二次侧绕组带有分接头开关。通过调节分接头来调节二次侧的基准电压，进而获得最大的有功和无功输送能力。另外，变压器连接交流系统侧的绕组（一次侧）一般采用星形接法，而靠近换流器侧的绕组（二次侧）则采用三角形接法。变压器绕组中基本不含谐波电流分量和直流电流分量；而且这种变压器接法能够防止由调制模式引起的零序分量向交流系统传递。此外，为了向换流站提供辅助交流电源，变压器还可以采用三绕组变压器。除了上述特点外，换流变压器的另一个重要作用是将系统交流电压变换到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关调制度不至于过小，以减小输出电压和电流的谐波量，进而可以减小交流滤波装置的容量。换流电抗器L：在电压源换流站中，对应每一相分别安装一个换流电抗器。换流电抗器是电压源换流站的一个关键部分，它是VSC与交流系统之间传输功率的纽带，它决定换流器的功率输送能力、有功功率与无功功率的控制；同时，换流电抗器能抑制换流器输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压。另外，换流电抗器还能抑制短路电流。因此，对换流电抗器的参数必须进行优化设计。直流侧电容器C：直流侧电容是VSC的直流侧储能元件，它可以缓冲桥臂开断的冲击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端站提供电压支撑。同时，直流侧电容的大小决定其抑制直流电压波动的能力，也影响控制器的响应性能。交流滤波器：与基于晶阐管的传统直流输电系统不同，电压源型直流输电系统采用PWM技术。因此，换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电压和电5流中含有的低次谐波很少，又由于换流电抗器对输出电流具有滤波作用，使得电流的谐波能较容易符合标准。然而，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还含有一定量的高次谐