先进电力电子技术在超高压输电网中的应用

先进电力电子技术在超高压输电网中的应用摘要：随着我国电网发展，如何大幅度提高电网资源的使用效率、克服输配电的瓶颈，解决大电网稳定性，成为亟待解决的战略性的关键技术问题。先进电力电子技术的快速发展为解决这些挑战性问题创造了有利的条件，其主要应用领域包括高压直流输电、灵活交流输电和定制电力技术三个方面。本文简要介绍了电力电子技术的发展和应用情况基础上，重点阐述了由中国电科院自主集成的可控串补和静止无功补偿器成套设备的关键技术，强调了自主开发的重要性。最后论述了电力电子技术开发手段和应用前景。关键词：电力电子技术；灵活交流输电；可控串补；静止无功补偿器；无功补偿装置中图分类号：StudyontheApplicationofAdvancedPowerElectronicTechnologyinEHVPowerSystemTangGuangFu1,LiGongxin2（1．ChinaElectricPowerResearchInstitute，Beijing100085；2．FujianProvincialElectricPowerCo.,Fuzhou350003）Abstract：Itisakeytechnologyproblemhowtoimprovegreatlypowergridefficiency,overcometransmissionanddistributionbottleneck,andsolvepowergridstabilizationwiththedevelopmentofpowergridinChina.Theadvancedpowerelectronictechnologywitchdevelopsrapidlyprovidesanadvantageousconditionforthesechallengequestions,anditsapplicationfieldmainlyincludesHVDC(HighVoltageDirectCurrent)、FACTS(FlexibleACTransmissionSystems)andCustomPower.Thispaperbrieflyintroducesitsdevelopmentandapplication，expatiatesthepivotaltechnologyofTCSC（ThyristorControlledSeriesCompensation）andSVC（StaticVarCompensator）accomplishedbyChinaEPRI,thenemphasizesthesignificanceofself-development,anddiscussesitsresearchmeansandapplicationperspective.Keywords：PowerElectronicTechnology，FACTS，HVDC，TCSC，SVC0引言现代电子技术、控制技术、计算机技术等与传统电力技术的融合产生了发展前景广阔的电力电子技术。电力电子技术在高压直流输电(HVDC)、静止无功补偿器(SVC)等领域已有广泛的应用。八十年代后期，为了充分利用已有的输电设备、有效地控制系统潮流分布、提高对电力系统稳定性的控制能力，提出了‘灵活交流输电技术(FACTS)’并得到了很快发展，FACTS装置的目的都是通过利用大功率电力电子器件的快速响应能力，实现对电压、有功潮流、无功潮流等的平滑控制，从而在不影响系统稳定性的前提下，提高系统传输功率能力，改善电压质量，达到最大可用性、最小损耗、最小环境压力、最小投资和最短的建设周期的目标。可控串补(TCSC)、新型无功发生器(STATCOM)、统一潮流控制器(UPFC)等工业样机相继投运。九十年代中期，为解决日益突出的电能质量问题，国外又提出了‘定制电力(CustomPower)’技术，即把电力电子技术用在配电领域。属于这类技术的新型电力设备，如配电用新型静止无功补偿器(DSTATCOM)、动态电压恢复器(DVR)、静止开关(SSB)等也相继投运。我国对电力电子技术的研究经过40多年的努力，特别是近十多年的迅速发展，在部分领域已经初步形成了分析研究、试验仿真、设备制造、系统集成的能力，但整体技术与国际先进水平相比还有较大的差距。1我国电网面临的挑战我国的一次能源分布不平衡，煤炭储量和可开发水能资源丰富，随着国民经济的快速发展，对电力的需求迅速增加，电力工业增长势头迅猛。然而,我国各大区域装机容量和电力消耗严重不匹配，这种情况下，国家提出了“西电东送”的战略决策。至2020年我国西电东送的总容量将达到1.2亿kW，主要体现在远距离(1500～2000公里)、交直流混合输电上,2005年已初步形成全国跨大区互联电网。当前,我国电网的主要特点是：电网大容量、远距离输电增多；单位走廊的输电能力和经济性亟待提高；稳定特性发生变化，一些断面稳定水平亟待提高；可能存在动态稳定问题；潮流变化大，需要加强潮流控制手段；加强电压支撑，提高系统电压控制能力。1．1面临的主要问题我国电网发展的趋势和面临的主要问题首先应该是大幅度提高电网的输电能力，满足大容量、远距离送电的需要；其次，要在提高输电能力的同时增强电网的安全可靠性以及改善电能质量；再次，经济性和环境问题也是必须加以关注的主要问题。然而，当前要实现大规模输电面临诸多技术困难；大区电网强互联的格局尚未形成；电网建设滞后，瓶颈增多，威胁电网安全；取得线路走廊和变电站站址日益困难。因此，如何在保证电网安全稳定运行的同时，大幅度提高电网资源的使用效率、克服输配电的瓶颈，实现电力系统资源的优化配置，成为当前亟待解决的关键技术问题。目前电力系统功角稳定已不是研究重点，电压稳定问题日益突出。以京沪穗电网为例，我国大型负荷中心存在的主要问题是：负荷中心有功热备用减少（电厂少），使得动态无功支撑日益不足；调相机由于维护不便及扰民等原因逐渐退出运行；负荷中心的空调等突增负荷所占比例越来越大；常规电容补偿装置不能适应突增负荷需要；恒定功率负荷递增，不利于电压的恢复。这样的系统一旦受到干扰，很容易出现动态无功不足，从而引起电压稳定问题。全国电网联网后，形成总装机容量超过1.4亿千瓦，南北距离超过4600公里的超大规模同步的交流系统。目前，各区域电网500千伏主网架结构尚不十分健全，区域电网间仅通过单回500千伏线路弱联系。因此，整个互联电网的稳定问题比较突出。联网后局部故障影响范围扩大局部电网的故障将可能波及邻近电网，在某些情况下可能诱发恶性连锁反应。影响电网安全稳定水平的因素多元化，大型互联电网中一个断面潮流的增加，可能造成整个电网动态品质的恶化。区域电网内部的安全稳定控制可能与相邻电网的某些运行条件及因素有较强的相关性。由此增加了电网运行安全控制的复杂程度。1．2电压失稳事故（1）交流输电线路N-2造成功率转移引起暂态电压不稳定。假定华北系统大房线双回断开，功率转移到神头-保北单回线路，造成北京环线上电压降到0.7p.u，将造成大面积停电。假定上海电网500kV黄渡至石牌线路中一回停运，另一回短路断开，也会出现电压崩溃。（2）负荷突增时系统暂态电压稳定问题。假定上海地区各个负荷点按照负荷突增模型突增8％，黄渡区220kV的12条中9条母线电压降低到0.8p.u.以下，造成电压失稳。（3）HVDC线路双极故障引起的暂态电压问题。假定天广、贵广直流双极闭锁后，大量的功率会转移到贵州－广西－广东的交流线路上，造成广东电网电压崩溃。（4）国外类似的事故教训1987年7月23日东京发生大面积停电，造成在20分钟后500kV电压下降到76%。事后分析是因为对空调负荷增长估计不足，负荷当时每分钟以1%总量上升。1978年的法国巴黎发生了电压崩溃大事故。这是由于冬季供暖电动机负荷突然上升，造成低压过流连续切线路的恶性循环。两者的共同点都是对电动机负荷突然上升而带来的动态无功功率不足所致；动态无功功率的需求量，远比有记载上升有功功率要大，导致了电压下降，更进一步造成了电容输出的无功减少和电动机负荷无功需求增加的恶性循环。1．3解决方法上述问题对电网提出了前所未有的高要求，依靠传统电力技术是无法同时满足这些要求的，这些问题的解决都可以归结到电力电子技术的应用，串、并联补偿技术对电网传输特性的影响可以提高电网输电能力，利用电力电子器件的快速、精确控制能力，可以提高电网可靠性、电压质量水平等，而定制电力技术的应用可以改进配网输电能力、配电质量，解决用户端电力质量问题。因此，超高压大容量电力电子技术的快速发展为解决我国电网这些挑战性问题创造了有利的条件。经过多年来我国产学研的联合研究，已经具备了一定的研发能力，为电力电子技术的工程化应用奠定了坚实的基础。2输配电电力电子技术先进电力电子技术是将大功率电力电子开关器件的制造技术、现代控制技术和传统电网技术实现了有机的融合，已经成为超高压直流输电、灵活交流输电、大容量抽水蓄能电站、短路电流限制、节能降耗等现代电网技术和装备的核心。它主要包括直流输电（HVDC）技术、灵活交流输电（FACTS）和定制电力技术（CustomPower）。可以预计，这项技术的进一步发展将会导致电力系统发生革命性的变化，大幅度提高输电线路的输送能力和电力系统的安全稳定水平，大大提高系统的可靠性、运行灵活性，甚至可以用大功率的电子开关取代传统的机械断路器，使传统的电力系统变得像电子线路一样便于控制。2．1HVDC技术1954年建成的瑞典通过海底电缆向哥特兰岛供电的输电工程，是高压直流输电技术的第一次商业应用，采用的是汞弧阀。70年代开始，汞弧阀被晶闸管所替代，变流装置的经济性和可靠性得到了很大的提高，直流输电发展十分迅速。随着交流电网日趋扩大，一方面带来可观的联网经济效益，但也带来许多困难的问题，如功率潮流控制越来越复杂，长距离大容量输电的经济性问题、稳定性问题、跨海联网问题等。在这些方面，恰好能发挥高压直流输电的优势。直流输电的应用场合归纳以下两大类：（1）在不同频率的联网、因稳定问题而难以采用交流、远距离电缆输电等，这些技术上交流输电难以实现而只能采用直流输电的场合。（2）在技术上两种输电方式均能实现，但直流比交流的技术经济性能好。目前，在电网建设中，直流输电主要应用于远距离大容量输电、电力系统联网、直流电缆送电和轻型直流的应用。从1954年至2000年，全世界共有63个直流输电工程投入运行，总容量约为80GW。目前世界上双极容量最大的是伊泰普（ITAIPU）工程，±600kV双极的容量为3150MW。我国从60年代初便开始了直流输电技术的跟踪，自70年代起步研究，至1978年在上海投运了第一条31kV、150A、长度9km的直流输电试验线路，累计运行2300h。1987年完成宁波至舟山的直流试验工程。1990年，标志着我国高压直流输电工程进入世界先进行列的葛上500kV直流工程投运，并引进相关技术。但是直流工程未能衔接，直到1997年建设天广直流时又重新引进了部分技术。1998年在研究三峡一回直流时，在引进技术和合作生产中尽可能考虑增加国内分包的份额，而且前期咨询工作采用中外合作以我为主、自己多做工作的方式，为我国直流进一步国产化打下基础。随着三峡送出三常直流和西电东送天广直流、三广直流、贵广直流输电工程的相继建成投产，我国成为世界上拥有直流输电系统最多的国家，其中已建成、运行五条±500kV直流输电线路，双极输送容量均达3000MW。我国现已规划近20条直流工程，根据直流输电的特点，无论是传统直流输电还是轻型直流输电技术都将在我国电力系统有着广阔的应用前景。常规的晶闸管高压直流换流站，需要装设占换流容量的40%&O1566;60%的无功补偿设备，致使换流站成本和占地面积大大增加。在这方面，换流技术的最新发展，当前体现在两个方面：电压源换流器（VSC），即轻型直流输电技术和电容器换相换流器（CCC）。两者都可大大改善换流器的无功特性，减少换流站需要的无功补偿设备。2．2