柔性直流输电技术的现状及应用前景分析_马为民.docx
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1、第 40 卷 第 8 期: 2429-2439 高电压技术 Vol.40, No.8: 2429-2439 2014 年 8 月 31 日 High Voltage Engineering August 31, 2014 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.08.025 柔性直流输电技术的现状及应用前景分析 马为民,吴方劼 ,杨一鸣,张 涛 (国网北京经济技术研究院,北京 100000) 摘 要 :柔性直流输电技术发展至今已经逐步走向成熟,尤其是在欧美地区,已经建成了数十条不同技术路线的 柔性直流输电工程,积累了大量的工程经验。而在我国,该技术多年来一直处于理
2、论研究阶段,最近几年才刚刚 开始大量兴建示范工程。为给我国柔性直流技术的普及和工程应用提供参考,总结了国内外柔性直流输电的典型 工程及技术应用现状。梳理了柔性直流输电的原理、结构和技术特点,系统总结了该技术的演化发展和工程应用 经验,分析了柔性直流特有的独立控制有功无功功率,无换相失败问题等优点,提出了受电压源型换流器元件制 造水平及其拓扑结构的限制导致柔性直流输送容量小、成本高、故障承受能力较弱等问题。结合我国能源发展战 略和电网发展中遇到的问题,对柔性直流输电技术的应用领域以及未来电网的发展方向提出了一些具有积极意义 的设想和建议。 关键词 :柔性直流输电;交直流联网;分布式电源;可再生能
3、源;大城市电网;弱系统供电;孤岛供电 Flexible HVDC Transmission Technologys Today and Tomorrow MA Weimin, WU Fangjie, YANG Yiming, ZHANG Tao (State Power Economic Research Institute, Beijing 100000, China) Abstract: The flexible HVDC transmission technology gradually matures currently, especially in the developed cou
4、ntries, where dozens of flexible HVDC projects with different technical routes have been built and a lot of experience in engi- neering is gathered. Meanwhile in China, the technology has been studied for a long time, and a number of demonstration projects are constructed or in construction only fro
5、m the recent years. Therefore to provide reference for promoting and applying the flexible HVDC technology in China, we summarized some typical engineering projects and the application status of the technology. This work includes reviewing the principle, structure and technical characteristics of HV
6、DC flexible transmission, summarizing the technologys and engineering experience, analyzing the technologys pros such as the independent control of active and reactive power, commutation failure free, etc., and cons including small capacity, high cost and poor tolerance of faults due to the incapabi
7、lity of manufacturing voltage source converter components and the technologys topology constraints. According to Chinas energy development strategy and some problems that we en- countered in the power grid development, we presented some ideas and suggestions for the application and development of HV
8、DC flexible transmission technology. Key words: flexible HVDC; AC and DC network composed; distributed generator; renewable energy; metropolitan power network; week system power supply; isolated island power supply 0 引言 采用电压源换流器 (voltage sourced converter, VSC)的直流输电技术 ABB 公司称之 为 HVDC Light, Siemens
9、公司将其注册为 HVDC Plus,在我 国目前被称为 Flexible HVDC“ 柔性直流输电 ” 。 柔 性直流输电 ” 一词严格来说并不十分准确,因为传 统 采 用 电 流 源 换 流 器 (line commutated converter, LCC)的直 流输 电功能 也十 分丰富 ,运 行也非 常灵 活。为叙述方便,本文仍暂且使用 “柔性直流输电 ”。 柔性直流输电技术利用 IGBT 元件的可关断特性, 能够分别对有功和无功功率进行独立控制,实现换 流器的 4 象限运行 1-4。相对于传统意义上基于晶闸 管的 HVDC 输电系统,柔性直流输电运行方式更灵 活、系统的可控性更好,可
10、以向弱交流系统甚至无 源系统送电,非常适合弱系统或孤岛供电、可再生 能源等分布式发电并网、异步交流电网互联以及城 市电网供电等领域。另外,电压源换流器产生的谐 波含量小,不必专门配置滤波器,大大节省占地面 积,在城市、海岛、海上平台中使用具有很大优势。 常规高压直流输电技术的研究和应用在我国 已非常深入和成熟,有多个直流工程的广泛实践, I i u 2430 高电压技术 2014, 40(8) 并建设了世界上电压等级最高、输送容量最大的 800 kV 特高压直流工程。而关于柔性直流输电技 术的研究正处于技术不断改进,工程应用不断增长 的高速发展期,除了试验性质的南汇工程,近期新 建的舟山工程、
11、南澳工程已经进入工程调试和试运 行阶段,厦门工程、鲁西工程也已经开始公开招标。 这些工程逐步向大容量、多端、双极、背靠背等多 个直流输电研究方向开展实践和探索,在不久的将 来可以成为地方电网总体规划布局的一部分。但是 新建的工程运行时间较短,运行经验还稍显不足。 未来,随着电力电子技术的进步和发展,柔性 直流输电在解决远距离,大容量输电,新能源分布 式电源接入,以及特大型交直流混合电网面临的诸 多问题时都将展现出其特有的优势。作为新一代直 流输电技术,柔性直流输电为电网输电方式的变革 和构建未来电网提供了有效的解决方案 5-7。 本文介绍柔性直流输电技术的现状及应用前 景分析。 1 柔性直流输
12、电技术及发展 1.1 概述 20 世纪 90 年代后期,以 ABB、 Siemens 为代 表的跨国企业研究并发展了柔性直流输电技术,并 在多个领域得到了广泛应用。最早的柔性直流输电 采用 2 电平拓扑,通过脉宽调制的方式进行换流, 靠并联在极线两端的电容器稳定电压和滤波,这种 方式的优点在于电路结构简单,电容器少,缺点在 于若开关频率较低则输出波形畸变较大,而开关频 率较高则换流器损耗较大。另外 2 电平换流器为提 高容量需采用大量 IGBT 器件直接串联,必须配置 均压电路以保证每个开关器件承受相同电压,开关 触发的同步性也是个难题。 ABB 公司开发的集成型 的 IGBT 器件,能够一定
13、程度上解决同步触发问题, 但是只有 ABB 自身掌握该技术,造价昂贵,应用 也不是很普及。之后还出现过 3 电平的换流器结构, 但也与 2 电平结构存在类似问题,没有得到广泛应 用。自 2000 年以来, Siemens 公司开发出模块化多 电平柔性直流输电技术,通过将原并联在极线两端 的电容器分解到每个 IGBT 子模块和子模块的级联 来解决电压的问题。其中每个子模块由 2 个 (或多 个 )IGBT 开关器件、直流电容等元件构成。通过子 模块之间的串联,来提高每个桥臂的电压耐受水平, 同时可通 过器 件 (或桥臂 )的并联来 提高 换流器 的容 量,具有较好的扩展性。这种拓扑结构不需要子模
14、 块的同步触发,开关频率低,损耗小,较好地解决 了柔性直流输电的容量限制,成为了目前柔性直流 输电技术的主流。此后, ABB 又开发了 IGBT 串联 和多模块混合式的柔性直流输电技术,它综合了两 种换流器技术的优势,也具有较好的应用前景 8-10。 1.2 换流器原理 1.2.1 2 电平结构 2 电平电压源换流器的主电路结构如图 1 所示。 共有 3 对桥臂,每个桥臂由 1 组可关断 IGBT 器件 及与之反并联的续流二极管构成。 n0 为直流侧中性 点, Udc 表示直流侧电压,上、下两直流电容电压 均为 Udc/2,其中, Gi(i=1, 2, , 6)分别表示 6 个桥 臂上的 IG
15、BT 器件; VDi(i=1, 2, , 6)分别为 6 个桥 臂晶体管; dc 为直流侧电流; a、 ib、 ic 为交流侧电流。 Rdc 表示开关损耗等效电阻;电压源换流器交流侧通 过阻抗负载与交流电源相连, N 为负载侧中性点。 以 a 相为例,电阻 Ra 包括外接电抗器中的电阻以及 交流电源的内阻;电感 La 包括外接电抗器的电感、变 压器漏感以及交流电源的内部电感。直流侧电压与功 率开关器件的开关状态决定了电压源换流器的输出。 通常电压源换流器可以采用的 PWM 调制策略 有许多种,在实际中使用较多和较广的是正弦脉宽 调制,对于 PWM,图 1 中 a、 b、 c 三相的 PWM 控
16、 制公用一个三角波载波 uc ,三相调制信号 ura 、 rb 和 urc 的相位依次相差 120,各相功率开关器件的控制 规律相同。现以 a 相为例来说明,当 ura uc 时,给 上桥臂晶体管 G1 开通信号,给下桥臂晶体管 G4 以关断信号,则 a 相相对于直流侧中性点 n0 的输出 电压 uan Udc 2 ;当 ura uc 时,给 G4 开通信号, 给 G1 关断信号, uan Udc 2 。 G1 和 G4 的驱动信 号始终是互补的,当给 G1(G4)施加开通信号时, 图 1 开关型 (2 电平 )电压源换流器拓扑 Fig.1 Switch type (two levels) v
17、oltage source converter topology 马为民,吴方劼,杨一鸣,等:柔性直流输电技术的现状及应用前景分析 2431 G1(G4)的导通状态主要由感性负载中原来电流的 大小和方向来决定,可能是 G1(G4)导通,也可能是 通过二极管 VD1(VD4)续流。 2 电平电压源换流器采用 SPWM 调制时,相关 电压波形如图 2 所示。 1.2.2 子模块多电平结构 模 块 化 多 电 平 电 压 源 换 流 器 (modular mul- ti-level converter, MMC)的主电路结构如图 3 所示, 其基本的电路单元称为子模块 (sub modular, S
18、M), 各相桥臂均是通过具有相同结构的多个子模块和一 个桥臂电抗器 Lq 串联组成,这种形式的换流器的输 出电压就是由多个子模块的电压级联组成,通过开 关器件接入或旁路各个桥臂的子模块,改变桥臂上 工作子模块的数量,进一步可以灵活改变换流器输 出的电压和功率。 图 3 中 Idc 为直流侧电流; Udc 为直流侧电流; ia、 ib、 ic 为交流侧电流。 iSM 为流过每个子模块的电 流,也是桥臂电流。 N0 为系统中性点。 图 4 为换流器中子模块的结构示意图。图中 iSM 为子模块电流, uSM 为子模块电压, UC0 为子模块电 容两端的电压。子模块由 2 个 IGBT 开关器件 T1
19、、 T2 和与之反并联的二极管 D1、 D2 以及 1 个直流储 能电容 C0 构成。这种拓扑结构不像 2 电平换流器需 要在极线两端并联直流稳压电容器。正常运行情况 下,当 T1 开通、 T2 关断,子模块输出电压 uSM 为 储能电容电压;当 T2 开通、 T1 关断时, uSM 为零。 子模块闭锁状态下, T1、 T2 均关断。 由于 MMC 自身所具有的 “ 模块化 ” 特点,可 以方便地构成自己需要多电平阶梯波输出。当子模 块数量较少时,可以看到明显的阶梯波锯齿,但是 当子模块数量较多时,波形品质明显变好,研究表 明当子模块电平数量超过 100 时,输出波形几乎已 经没有什么谐波,而
20、目前实际工程中往往达到 200300 个以上的子模块规模。图 5 为 11 电平模块 化多电平电压源换流器的波形示意图。 图 5 中 ua0 表示图 3 中 A 点对中性点 N0 的电压。 模块化多电平换流器的构造便于工业实际生 产,相比于传统的 2 电平与箝位型多电平换流器模 块化多电平电压源换流器允许使用在工业应用上较 成熟的标准部件。这种结构本身具有较强的故障保 护能力,一旦 1 台子模块出现故障,就可以马上通 过旁路开关将其旁路掉,通过冗余的子模块取代之, 检修也特别方便。模块化多电平换流器并不需要脉 图 2 三相 2 电平 VSC 采用 SPWM 调制时的相应电压波形 Fig.2 T
21、hree-phase two level VSC using SPWM modulation, voltage waveform 图 3 可控电源型 (模块化多电平 )电压源换流器拓扑 Fig.3 Controllable power source type (modular multilevel) voltage source converter topology 宽调制,可以极大的降低开关频率,同时,还能保 证优秀的波形品质及较低的谐波含量。 1.3 系统结构及主接线 柔性直流输电系统主要包括电压源换流器、换 相电感 (可能由相电抗器、联结变压器或它们的组合 来提供 )、交流开关设备、直流
22、电容 (可能包含在换 2432 高电压技术 2014, 40(8) 图 4 模块化多电平换流器子模块结构示意图 Fig.4 Schematic structure of modular multilevel converter module 流阀子模块中 )、直流开关设备、测量系统、控制与 保护装置等。根据不同的工程需要,可能还会包括 输电线路、交 /直流滤波器、平波电抗器、共模抑制 电抗器等设备。 换流站是柔性直流输电系统最主要的部分,根 据其运行状态可以分为整流站和逆变站,两者的结 构可以相同,也可以不同。目前常见的柔性直流换 流站主接线方案主要包括单极对称接线方案和双极 对称接线方案两种
23、,两种主接线方案分别如图 6 和 图 7 所示。图中 TM 为联结变压器, Ls 为直流电抗 器, SM 为模块化 IGBT 换流阀。 单极对称接线方案是目前柔性直流输电系统 中最常见的接线方案,这种接线方案采用一个 6 脉 动桥结构,在交流侧或直流侧采用合适的接地装置 钳制住中性点电位,两条直流极线的电位为对称的 正负电位。 对于该接线方案,定义联结变压器网侧为交流 网络区,联结变压器阀侧到桥臂电抗器为联结区, 桥臂电抗器到直流母线区域为阀侧直流区。 这种接线方案结构简单,在正常运行时,对联 结变压器阀侧来说承受的是正常的交流电压,设备 制造容易。 由于目前没有可以开断大电流的直流断路器,
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