DC传输技术的新进展

长期以来，DC输电的发展与换流技术(尤其是高压大功率换流设备)的发展密切相关。然而，近年来，除了电力电子技术的进步之外，由于大量DC项目的运行，DC输电的控制、保护、故障和可靠性等许多问题变得日益重要。因此，多种新技术的综合应用使DC传输技术取得了新的进展。1.轻型直接触发晶闸管的晶闸管触发技术是DC输电的关键技术之一。使用光触发晶闸管，可以省去触发电路板再次进行光电转换。但是晶闸管上需要集成相应的保护或测量电路，所以技术复杂，工艺要求严格。13 1992年投入运行的新DC扩建工程、1993年投入运行的北本线DC扩建工程、1999年投入运行的东清水变频站(125千伏、2400安、300兆瓦)、2000年投入运行的吉一海峡DC电缆及架空线路系统均采用光直触发晶闸管，标志着DC输电新时代的开始。2.接地极引线故障测量装置DC输电线路接地极引线的运行电压很低，采用传统的换流站电流电压测量方法很难检测到接地极附近的接地短路故障。为了检测接地电极的引线故障，近年来发展了脉冲回波、阻抗等接地和引线测量装置。其基本原理是在换流站接地电极的两根导线之间加入低压和高频脉冲，通过接收这些脉冲的回波来计算接地导线的阻抗。当导线的任何地方发生对地短路时，其阻抗的变化都会反映在测量装置中，从而判断是否发生故障以及故障发生在哪里。3.实时多处理器控制保护系统随着电子信息技术的发展，处理器的计算速度越来越快，存储空间越来越大，并行运行的处理器越来越多。目前，微处理器技术已遍布DC系统设备的控制和保护，包括极控(或阀控)、站控(交流场/DC场)、DC系统保护、换流器干式变压器控制保护、交流/DC滤波控制保护、换流器冷却系统控制保护、站用电系统控制保护等。4.在全球定位系统的高压直流输电系统中，为了便于事故分析和处理，需要同步分布在换流站和两端换流站设备中的各控制保护系统的测量时间，以准确测量DC线路的故障位置。过去，DC输电系统中各种设备之间和两个站之间没有统一的时间基准，暂态故障记录与事件记录不同步，无法显示DC线路故障的正确位置，给检修和维护带来很大不便。使用全球定位系统，各种设备的时间误差可以小于1毫秒。DC线的断层位置可以精确到300米。5.轻型高压直流输电是ABB公司开发的一种全新的输电技术，特别适用于小型发电和输电应用。它将高压直流输电的经济应用功率范围降低到几十兆瓦。该系统由放置在两个或多个传输终端及其连接上的终端换流站组成。虽然传统的DC架空线路可以作为连接，但如果我们使用地下电缆连接两个变电站，整个系统将受益较大。在许多情况下，估计的电缆成本低于架空线路成本，并且在轻型高压直流输电系统中，更容易获得使用电缆所需的环境许可证。与交流输电和本地发电相比，轻型高压直流输电系统不仅具有成本优势，而且为改善交流电网的供电质量提供了新的可能性。自1997年轻型高压直流输电提出以来，已有多条输电线路投入商业运营，其中较大容量达到330兆瓦。更多正在建设中。5.1高压直流输电线路之间的差异 #p#分页标题#e#

(2)模块化轻型DC是基于模块化的概念，这使得换流站的尺寸由一系列标准组成。大多数设备可以在工厂包装成模块。然而，传统DC通常需要根据具体应用条件定制转换器设备。(3)光DC电路是双极的，DC电路不接地，需要两根导线(或电缆)。(4)换流站的光DC与换流站的传统DC有很大不同。前者对应晶闸管，后者一般对应IGBT。传统的DC是通过换流干式变压器接入交流电网，而轻DC是串联电抗器加干式变压器。在滤波和无功功率补偿中，传统DC无功功率的50%左右在滤波器中，电容器应并联。而光DC只需要一个小滤镜。传统的DC使用平滑电抗器和DC滤波器来平滑电流，而轻DC可以使用DC电容器。此外，传统DC需要换流站之间的控制和通信功能，而轻型DC则不需要。(5)对交流系统的依赖轻DC不需要依赖交流系统保持电压和频率稳定的能力。与传统的DC不同，短路容量并不重要。轻型DC可以在没有同步电机的情况下向电网输送负载。(6)可以像SVC(静止无功补偿器)一样工作。传统的DC传输终端可以通过切换滤波器和并联电容器组或改变触发角来控制无功功率和电压。但是，这显然需要额外的设备，从而增加投资。光DC可以快速改变相角和幅值，使得同时先立控制有功功率和无功功率成为可能。5.2光DC的典型实现：由VSC(电压源变换器)实现，通常采用两电平6脉冲式，每个桥臂由多个IGBT或GTO串联而成。DC侧电容的作用是为逆变器提供电压支持，缓冲桥臂断开时的冲击电流，减少DC侧谐波；换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，也起着滤波的作用；交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。在轻DC，VSC通常采用正弦脉宽调制(SPWM)技术。SPWM的基本原理是将给定的正弦波与三角载波进行比较，确定每个桥臂的导通和关断时间。当DC侧电压恒定时，VSC输出电压的幅度由SPWM的调制程度(正弦给定信号与三角载波幅度在0-1范围内的比值)决定。正弦给定信号的频率和相位决定了VSC输出电压的频率和相位。VSC吸收的有功功率和无功功率取决于VSC输出电压的相位和幅度，因此通过控制速度

WM给定正弦信号的相位就可以控制有功功率的大小及输送方向，通过控制SPWM的调制度就可以控制无功功率的大小及性质(容性或感性)，从而可以实现对有功功率、无功功率同时且相互先立的调节。5.3轻型直流输电技术特点(1)VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换相电压。克服了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。(2)正常运行时VSC可以同时且相互先立控制有功功率、无功功率，控制更加灵活方便。(3)VSC不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到STATCOM的作用，即动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。这意味着故障时，如VSC容量允许，那么HVDCLisht系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援又可提供无功功率紧急支援，从而提高系统功角电压的稳定性。(4)潮流反转时直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统。(5)由于VSC交流倒电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的轻型直流输电线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。(6)VSC通常采用SPWM技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用干式变压器，所需滤波装置容量也大大减小.(7)但IGBT损耗大，不利于大型直流工程的采用。今后集成门极换相晶闸管（IGCT）和碳化硅等新型半导体器件的开发，给直流输电技术的发展将创造更好的条件。同时，日本电力研究所正在研制以GTO为功率器件、9脉冲PWM控制的300MWVSC，并称之为高性能自换相交直流换流器，该项研究的目的是用于将来的直流输电，目前，GTO的串联均压等技术难题已试验成功。轻型直流潜在的用途包括远距离无源网络送电、发电厂的连接及用来构成大城市内多端直流输电系统代替传统的交流配电网等。目前，由于器件容量及其串联技术限制，轻型直流可达到的容量有限，还不能取代传统HVDC用于大功率直流输电。以GTO为功率器件的大容量VSC一旦研制成功将较大幅度提高轻型输电容量。6.直流输电系统可靠性技术在分析直流输电系统设备可靠性指标时，通常按以下几种故障的原因分析，即交流设备及其辅助设备、换流阀及其冷却系统、换流站控制保护和通信设备、直流一次设备、直流线路或电缆，以及其它原因，如人为的或不明的原因。直流系统可靠性的分析方法通常包括对世界已投运的直流工程进行可靠性指标的统计及原因分析；对影响可靠性的主要因素进行敏感性分析；建立直流系统可靠性计算的数学模型，并对相关的计算条件和参数进行收集和假设，然后按照有关的计算方法进行计算分析；对可靠性的等效经济指标进行评估；较后提出工程可靠性的指标要求，主要是单极和双极的年强迫停运次数和系统的可用率，并按此提出相关的设计、制造、建设、运行和检修要求。直流可靠性的计算方法通常是建立描述系统可靠性的数学模型，根据状态之间的转移关系列出状态概率的状态方程进行有关计算，如马尔可夫过程研究方法，这是一种数学解析方法。另一种是模拟法，它是对系统进行数字仿真模拟，然后采用统计试验方法进行分析，如蒙特卡洛模拟法。在直流输电系统中，根据工程经验，对直流系统可靠性分析中较敏感的故障因素是交流系统故障、换流干式变压器故障、换流站控制保护系统和换流阀及其辅助设备，其中又以电缆、换流干式变压器和换流阀的返修时间较长，影响系统可用率为较严重。对各设备元件的可靠性分析中，主要考虑的因素为设备的故障率、备品备件的数量、设备的维修周期和故障后修理和运输的时间，以及各子系统是否双重化和自动切换等。直流系统可靠性的经济评估主要涉及到：在强迫停运期间，要有补偿的送电容量，可能需要增加系统的备用容量以避免直流系统的停运给用户用电带来过大的影响，这种临时的容量往往价格较高。此外，就是故障的修复费用。由于直流系统通常配有完全先立的双重化快速极控制保护系统、根据系统要求设计的双极或单极过负荷能力，以及可降压运行的性能，这些特点或使直流输电系统的双极和单极停运率大大减少；或使得当一极停运时不仅不影响另一极的运行，另一极还可采用过负荷运行方式；或者线路绝缘水平降低时还可降压运行；这些都将使故障时发生的输送容量的变化减至较小，而系统的可靠性和可用率大大提高。#p#分页标题#e#