轻型高压直流输电技术的发展与应用

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2005年11月

电　力　建　设

ElectricPowerConstruction

Vol.26　No.11Nov,2005　

轻型高压直流输电技术的发展与应用

侯　慧,游大海,尹项根

(华中科技大学,武汉市,430074)

[摘　要]　轻型高压直流输电是在电压源换流器和绝缘栅双极晶体管基础上开发出来的一种新型输电技术。它轻

型、高效,具有可观的经济效益和环保价值,同时它的操作极其灵活且可大大改善电能质量。在阐述基本运行原理的基础上,介绍了当前世界上已建成的7个轻型直流输电工程的应用概况,并分析了轻型高压直流输电的特点和应用场合,指出了今后的发展方向和应用前景。

[关键词]　轻型高压直流输电　电压源换流器　脉宽调制中图分类号:TM723　文献标识码:C　文章编号:1000-7229(2005)11-0028-03

DevelopmentandApplicationofLightHVDCTransmissionTechnique

HouHui,YouDahai,YinXianggen

(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,WuhanCity,430074)

[Abstract]　ThelightHVDCtransmissionisanewpowertransmissiontechnologybasedonthevoltagesourceconverters(VSCs)andIGBTpowersemiconductors.Itisoflightandhighefficiencyandhasconsiderableeconomicandenvironmentaladvantages.Itsoperationisfairlyflexi2bleandmayimprovethepowerqualitygreatly.ThepaperillustratesthegeneraltheoryoflightHVDCtransmissionandintroducesbrieflyapplica2tionof7lightHVDCprojectsconstructedintheworld.[Keywords]　lightHVDCtransmission;VSC;PWM

　　随着电力工业的不断发展,用电负荷不断增加,空中输电线路走廊日趋饱和,架设新的线路受到环

境、经济条件等因素的,变得越发困难。现有的传统高压输电线路的使用已接近它们的边缘。目前,国际上正通过使用由瑞典ABB公司率先开发出的轻型高压直流输电技术(HVDCLight)来解决以上问题。轻型高压直流输电作为一种经济、灵活、高质量的输电方式,已用于国外许多直流高压输电工

[2]

程中,并产生了良好的输电及环保效益。

[1]

1.1　电压源换流器(VSC)技术

在传统电力工业中用于高压直流输电的基于

[3]

PCC技术,如今已几乎全被VSC技术所取代。这2种技术的根本区别在于PCC技术不仅需要开通电流的电力电子元件,还需要关断电流的组件。而VSC技术则不需要这么麻烦,它通过使用全控型功率元件IGBT,可方便地控制电流的开断。众所周知,晶闸管的单向导电性使PCC技术只能控制阀的开通而不能控制其关断,其关断必须借助于交流母线电压的过零,使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。因此,基于PCC技术的HVDC输电,不能向小容量交流系统及不含旋转电机或旋转电机功率很小的负荷供电。且由于其换流器产生的谐波次数低、容量大,吸收无功多,换流站投资高,占地面积大等,使其应用受到了一定。

VSC技术由于是使用绝缘栅双极晶体管(IG2BT)等全控型功率器件,所以其电流通断可用控制半导体阀来控制而无需与网络联系。

VSC由IGBT阀桥、换流控制器、换流电抗器、直

1　轻型高压直流输电技术简介

轻型高压直流输电技术是一种采用最新电力电

子技术,进行交流与直流电流之间相互转换与传输的新技术。它采用大功率的可任意开断的绝缘栅双极晶体管(IGBT),作为电子元件来取代传统的半控型元件“晶闸管”。换流器则采用电压源换流器(VSC)技术,来取代传统的相控换流器(PCC)技术。控制系统采用脉宽调制技术(PWM),使得对有功和无功的调节、控制都变得十分快捷方便。

收稿日期:2005-07-03

第11期轻型高压直流输电技术的发展与应用

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流电容及交流滤波器组成。IGBT阀桥的基本形式是1个两电平三相拓扑结构,有6个阀,每个阀里并联1个IGBT,每个IGBT反并联一个二极管,通过换

[4]

流控制器的光纤连接可实现每个IGBT的开断。

换流器与网络间的有功功率流动是通过改变相角δ(即由换流器产生的基波频率电压Ug与交流电网上的电压Un间的夹角)来控制的的计算如式(1)所示:

δUgUnsin

P=

Xl

[4]

1.3　轻型高压直流换流站

由于高频下换流器的转换过程十分有效,对辅助设备如滤波器、开关、变压器等的需求也就甚少。

即使换流器的电压不等于网络节点处的交流电压或交流系统未有效接地,轻型高压直流换流站也只需要1个变压器。这样,轻型高压直流换流站就可以建得较小而紧密,其占地面积可以比传统高压直流输电小1倍以上。1个65MVA容量的HVDCLight

2

换流站只需占地约800m,1个250MVA的HVDC

2

Light换流站只需约3000m。同时,HVDCLight换流站多使用地下电缆,使其对周围环境没有视觉上的影响,也没有电缆产生的电磁场。可见HVDCLight技术本身是极其环保的。当然,由于这种高压

。有功功率P

(1)

式中　Ug———换流器产生的基波频率电压;

Un———交流网络上的电压;X———线路电抗;l———线路长度。无功功率流动是由Ug的放大倍数决定的,该放大倍数可由来自换流器阀桥的脉冲宽度来控制。无功功率Q的计算如式(2)所示:

δ)Ug(Ug-Uncos

(2)Q=

Xl

直流换流站的紧密结构,对其绝缘的要求也相应提

高了。114　轻型高压直流输电电缆

新的轻型高压直流输电电缆是一种挤压式单极绝缘电缆,其良好的绝缘水平及强度为其开辟了广阔的应用前景。单极直流电缆的绝缘壁厚度比同样电压等级条件下的普通交流电缆的薄,但却比普通电缆有更大的传输容量。同时HVDCLight电缆有着卓越的机械灵活性,可广泛应用于各种场合,如埋入地下的地下电缆、绝缘架空电缆及海底电缆等。

换流器的容量决定于流过它的最大电流和电

压,换流器的无功容量可以与有功容量进行交换。

[6]

有功与无功功率的交换与结合如图1所示。

2　轻型高压直流输电工程的发展状况

2.1　已建成的轻型高压直流输电工程

从1997年世界上第1个轻型高压直流输电工程“瑞典Hellsjon试验工程”成功运行以来,至今全球已有7个轻型高压直流输电线路被建成并投运,

[1,3]

具体情况见表1。

以上工程实际已表明,轻型高压直流输电在技术、经济与环保方面都为电力输电系统带来了很大改进。

2.1.1　从电能质量及输电稳定性来说,轻型高压直

图1　HVDCLight的P-Q特性

112　脉宽调制技术(PWM)

VSC使用具有高频开断功能的器件IGBT,这使

得PWM的应用成为可能。PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到

一系列幅值相等而宽度不等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所要的波形。PWM通过在两固定的直流电压间快速切换来产生交流电压,并通过交流低通滤波器从高频脉冲调制电压中得到期望的基波电压。使用PWM技术,可瞬时地改变交流输出电压的相位与幅值,从而实现有功与无功的调节。经PWM逆变的交流电压可随控制系统的变化而变化。这样就可省略传统HVDC中的换流变压器,使电路结构简化,缩小占地面积。

流输电都是极其必要的。由于它可快速地控制有功、无功,并可保持电压基本不变,使电压、电流基本能够满足越来越高的电能质量要求,改善了传统高压直流输电易产生的谐波污染、电压间断、波形闪变等电能质量问题。2.1.2　轻型高压直流输电是充分利用可再生资源

[2]

发电的最佳方式。可再生资源发电站如风力发电、潮汐电站、太阳能电站等一般装机容量小且远离主网,不易远距离输电。而轻型高压直流输电投资小,输电效率高,使从可再生资源中采集传送电力成为可能,并且具有环保价值。

[7]

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电　力　建　设

表1　HVDCLight工程概况

第26卷

项目名称

Hellsjon试验工程GotlandLightDirect-LinkTjaereborgEaglePassMurrayLinkCross-SoundCable

国家瑞典瑞典澳大利亚丹麦

美国澳大利亚美国

长度/km

1070654

电压/kV容量/MVA投运时间

108080915.9250150

360180836200330

1997.31999.122000.62000.92000.122002.102002.7

背靠背式

18040

主要目的

轻型高压直流输电试验,使两交流电网互联风力发电

交流电网非同步互联及电力市场交易小型风力发电

交流电网间非同步互联南澳洲电网与维多利亚州电网互联

通过海底电缆实现电网互联备注

首个试验性轻型高压直流输电工程

迄今最长的轻型高压直流输电海底电缆工程迄今输电容量最大的轻型高压直流输电工程2.1.3　轻型高压直流输电可方便地实现交流电网间非同步互联。轻型高压直流输电变电站紧凑的模块化结构,对场地面积和环境的要求都大为降低。因而换流站可根据实际供电技术要求,方便地建在较理想的接入系统位置。2.1.4　轻型高压直流输电可经济地实现向偏远地

[1]

区及海上供电。因轻型高压直流输电可使电缆的单位输送功率提高,换流站均被设计为无人值守并可远程监控,甚至可以自动地基于互联交流网络的需要进行调节。理论上大大减少了换流站及线路的维护费用,使供电可靠性与经济性都得到了提高。2.1.5　轻型高压直流输电将在今后城市电网扩容

[8]

方面发挥巨大的作用。随着电力负荷日益增多及输电走廊特别是城市空中走廊发展困难,轻型高压直流输电可能成为今后合理解决这一问题的途径。轻型高压直流输电电缆不仅比交流三相电缆及传统的直流电缆占用空间小,单位输送功率高,而且绝缘性能好,强度大。

2.2　轻型高压直流输电的发展方向

[3,4]

用大容量的IGBT及三电平电压源换流器,使线路的

传输容量达300MVA以上,电压达150kV以上。这当然也对机械设计提出了更高的要求,以保持线路及换流站的强度及紧密性。

3　结论

新的电力传输系统轻型高压直流输电,是使用基于VSC技术的新一代直流输电方式。它轻型、高效,具有可观的经济效益和环保价值,同时由于它的操作极其灵活且可大大改善电能质量,可以预见,轻型高压直流输电必将在今后的电力传输发展应用中发挥更大的作用。

4　参考文献

1　ErikssonK.1HVDCLightanddevelopmentofVoltageSourceCon2

verters.Sweden:ABBUtilities,2002

2　WeimersL.1HVDCLight:Anewtechnologyforabetterenviron2

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4　AsplundG.1ApplicationofHVDCLighttopowersystemenhance2ment.IEEEWinterMeeting.Singapore,Jan2000

5　ErikssonK11GrahamJ.,HVDCLightatransmissionvehiclewithpo2

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6　WeimersL.1Implementingthelatesttechnologyininterconnects.In2

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7　AsplundG11ErikssonK1,SvenssonK.,HVDCLight———DCtrans2missionbasedonvoltagesourcedconverters.ABBReview,1998(1):4～61

8　李永坚,周有庆,宋强,等.高压直流输电技术的发展与应用1高

轻型高压直流输电技术的研究和应用越来越受

到世界各国电力行业的重视,各国专家学者都对其产生了浓厚的兴趣,特别在寻求更大容量及更有效

[1]

的换流器方面,将是今后研究的热点。

一方面希望通过扩展IGBT的容量来获得更高的电压;另一方面希望开发出更高容量和更少电能损失的换流器。在最新的轻型高压直流输电项目中(如美国的Cross-SoundCable和澳大利亚的Mur2raylink项目),均使用了三电平换流器来取代两电平换流器以获得更高的电容量。三电平换流器的操作安全性与原来的两电平换流器基本相同。

毫无疑问,第2代轻型高压直流输电工程将使

电压技术,2003,29(10):26～28

(责任编辑:赵廷昌)