VSC-HVDC 系統(tǒng)概述

侯

（機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

0 引言

柔性直流輸電是一種新型的直流輸電技術(shù)，CIGRE和IEEE將之定義為VSC-HVDC，該技術(shù)是由常規(guī)直流輸電技術(shù)演化發(fā)展而來的新型技術(shù)，除了具有輸送電壓高、輸送量大、輸電穩(wěn)定可靠、可有效消除輸電中存在的故障等優(yōu)點(diǎn)外，還具備以下幾項(xiàng)常規(guī)直流輸電技術(shù)不具備的優(yōu)勢(shì)，即遇突發(fā)事故后可以快速恢復(fù)供電、輸電電壓穩(wěn)定、設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理便于運(yùn)輸安裝、雙極運(yùn)輸無需接入地極等新的優(yōu)點(diǎn)作為新一代直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電為電網(wǎng)輸電方式的變革和構(gòu)建未來電網(wǎng)提供了有效的解決方案。

常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)的研究和應(yīng)用在我國(guó)已非常深入和成熟，有多個(gè)直流工程的廣泛實(shí)踐，并建設(shè)了世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大的±800 kV 特高壓直流工程。柔性直流輸電技術(shù)的研究正處于技術(shù)不斷改進(jìn)，工程應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的高速發(fā)展期，未來隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，柔性直流輸電在解決遠(yuǎn)離，大容量輸電，新能源分布式電源接入，以及特大型交直流混合電網(wǎng)面臨的諸多問題時(shí)都將展現(xiàn)出其特有的優(yōu)勢(shì)。

圖1 VSC-HVDC 結(jié)構(gòu)示意圖

1 發(fā)展背景

加拿大McGill 大學(xué)的Boon Teck Ooi 等于1990 年提出了基于PWM 的VSC 直流輸電概念，在此基礎(chǔ)上ABB 公司把VSC 和聚合物電纜相結(jié)合提出了輕型直流輸電的概念，并于 1997年3 月在瑞典中部的赫爾斯楊（Hellsjon）進(jìn)行了首次工業(yè)性試驗(yàn)（±10kV，150A，3MW，10km）。這種以VSC、全控器件和PWM 技術(shù)為基礎(chǔ)的直流輸電技術(shù)，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）和美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）將其稱為“VSC-HVDC”,即“電壓源換流器型直流輸電”。ABB 公司稱其為“輕型直流（HVDC-Light）”，西門子公司稱其為“新型直流（HVDC-Plus）”，中國(guó)電力科學(xué)院等專家稱其為 “柔性直流（HVDC-Flexible）”。 自從 ABB 公司 1997 年赫爾斯揚(yáng)實(shí)驗(yàn)性工程的試驗(yàn)成功以來，VSC-HVDC 技術(shù)在世界各國(guó)得到迅速發(fā)展。

2 VSC-HVDC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的柔性直流輸電系統(tǒng)單線結(jié)構(gòu)示意圖，包括一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)、兩個(gè)換流站、兩條直流線路（電纜或架空線）和一個(gè)交流系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流站為送端換流站，工作在整流方式，將風(fēng)電場(chǎng)輸出的交流電變成直流電通過直流線路傳輸?shù)绞芏藫Q流站；電網(wǎng)側(cè)換流站為受端換流站，工作在逆變方式，將直流電逆變成交流電后并入交流電網(wǎng)。

柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的主要設(shè)備一般包括：電壓源換流器、相電抗器、聯(lián)結(jié)變壓器、交流濾波器、控制保護(hù)以及輔助系統(tǒng)（水冷系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)）等。電壓源換流器包括換流電路和直流電容器，實(shí)現(xiàn)交流電和直流電轉(zhuǎn)換的換流電路由一個(gè)或多個(gè)換流橋并聯(lián)（或串聯(lián)）組成。電壓源型換流橋可以采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工程中常用的有三相兩電平、二極管箝位式三電平和模塊化多電平結(jié)構(gòu)。換流器中的每個(gè)橋有三個(gè)相單元，一個(gè)相單元有上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂或由一重閥（兩電平）構(gòu)成，或由兩重閥（三電平）構(gòu)成，或由多重閥（多電平）構(gòu)成。柔性直流輸電系統(tǒng)的換流閥由于并聯(lián)了續(xù)流二極管閥，因而具有雙向?qū)ㄐ?，一個(gè)換流閥由一個(gè)或多個(gè)閥段組成，每個(gè)閥段又由多個(gè)閥層組成。在已投運(yùn)的柔性直流工程中，閥層就是由壓裝式 IGBT 連同驅(qū)動(dòng)電路、散熱片及其他輔助電路共同構(gòu)成的。直流電容器為電壓源換流器提供直流電壓支撐、緩沖橋臂關(guān)斷時(shí)的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波；相電抗器是電壓源換流器與交流系統(tǒng)進(jìn)行能量交換的紐帶，同時(shí)也起到濾波的作用；交流濾波器的作用是濾除交流側(cè)高次諧波；聯(lián)結(jié)變壓器是帶抽頭的普通變壓器，其作用是為電壓源換流器提供合適的工作電壓，保證電壓源換流器輸出最大的有功功率和無功功率。

3 VSC-HVDC 工作原理

圖2所示為VSC-HVDC 交流側(cè)基波等效原理圖以及基波相量圖。當(dāng)不計(jì)聯(lián)結(jié)變壓器和相電抗的電阻時(shí)，電壓源換流器交流母線電壓基頻分量 Us與交流輸出電壓的基頻分量Uc共同作用于聯(lián)結(jié)變壓器和相電抗的等效電抗Xc，并決定了電壓源換流器與交流系統(tǒng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖和無功功率Q分別為式（1）和式（2）。

圖2 VSC-HVDC 交流側(cè)基波等效原理圖及基波相量圖

由式（1）和式（2）可以得到圖2b所示的換流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基波相量圖。由圖可知，有功功率的傳輸主要取決于δ，無功功率的傳輸主要取決于 Uc。因此，通過調(diào)節(jié)δ就可以控制VSC-HVDC 輸電系統(tǒng)傳輸有功功率的大小和方向，通過控制 Uc的幅值就可以控制電壓源換流器吸收或發(fā)出的無功功率。從系統(tǒng)角度來看，VSC可以看成是一個(gè)無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，幾乎可以瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。

4 VSC-HVDC 系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 VSC-HVDC 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

柔性直流輸電是采用可控關(guān)斷型電力電子器件和PWM 技術(shù)，具有如下顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1）柔性直流輸電線路相比于交流線路來說要少用一根導(dǎo)線，這使其線路造價(jià)較低、損耗較小，而且占用的輸電走廊也比較窄。

2）柔性直流電纜線路輸送容量大、損耗小、使用壽命長(zhǎng)，并且輸送距離基本上不受限制。

3）柔性直流輸電一般使用地下或海底電纜，在鋪設(shè)時(shí)可以使用直埋技術(shù)，不僅降低了工程成本、縮短了工程時(shí)間，還減小了對(duì)環(huán)境的影響

4）柔性直流輸電不存在交流輸電的穩(wěn)定性問題。

5）柔性直流輸電克服了常規(guī)直流輸電受端系統(tǒng)必須是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷，使利用 HVDC 為遠(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電成為可能。

6）柔性直流輸電克服了常規(guī)直流輸電不能單獨(dú)控制有功功率和無功功率的不足，可獨(dú)立、精確、靈活方便地對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行控制。此外，能夠起到靜止同步補(bǔ)償器的作用，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

7）在潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，這與常規(guī)直流輸電恰好相反。從而克服了傳統(tǒng)多端直流輸電系統(tǒng)并聯(lián)連接時(shí)潮流控制不便和串聯(lián)連接時(shí)影響可靠性的問題。

8）較常規(guī)直流輸電而言，其產(chǎn)生的諧波大為減弱，從而減小了濾波裝置的容量，簡(jiǎn)化了換流站的結(jié)構(gòu)，換流站占地面積僅為同容量下傳統(tǒng)HVDC 的20%左右。

此外，柔性直流輸電不會(huì)增加系統(tǒng)的短路容量，具有良好的電網(wǎng)故障后快速恢復(fù)控制和黑啟動(dòng)能力，模塊化設(shè)計(jì)使柔性直流輸電的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大大縮短，換流站間無需快速通信，可以相互獨(dú)立控制，易于實(shí)現(xiàn)無人值守等。

4.2 VSC-HVDC 系統(tǒng)的不足

從已投運(yùn)的柔性直流輸電工程來看，其也有相對(duì)不盡如人意的地方，具體如下：

1）輸送容量有限。目前柔性直流輸電工程的輸送容量普遍不高，相對(duì)于特高壓直流輸電可以達(dá)到8000MW以上的輸送有功功率，柔性直流輸電目前最高設(shè)計(jì)輸送有功功率為1000MW。其受到限制的主要原因是一方面是由于受到電壓源型換流器件結(jié)溫容量限制，單個(gè)器件的通流能力普遍不高，正常運(yùn)行電流最高只能做到2000A左右；另一方面是由于受到直流電纜的電壓限制，目前的XLPE擠包絕緣直流電纜的最高電壓等級(jí)為320kV，因此柔性直流換流站的極線電壓也受到限制。如果采用架空線路，電壓水平能夠提高，但是可靠性卻大大降低；如果采用油紙絕緣電纜則建設(shè)成本會(huì)大幅提高，輸電距離也會(huì)受到影響。

2）單位輸送容量成本高。相比于成熟的常規(guī)直流輸電工程，柔性直流輸電工程目前所需設(shè)備的制造商較少，主要設(shè)備尤其是子模塊電容器、直流電纜等供貨商都是國(guó)際上有限的幾家企業(yè)，甚至需要根據(jù)工程定制，安排排產(chǎn)，因此成本高昂。IGBT器件目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備一定的生產(chǎn)能力，但是其內(nèi)部的硅晶片仍然主要依靠進(jìn)口。從目前國(guó)內(nèi)舟山、廈門等柔性直流工程的建設(shè)成本來看，其單位容量造價(jià)約為常規(guī)直流輸電工程的4～5 倍。

3）故障承受能力和可靠性較低。由于目前沒有適用于大電流開斷的直流斷路器，而柔性直流輸電從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上無法通過IGBT 器件完全阻斷故障電流，不具備直流側(cè)故障自清除能力，因此一旦發(fā)生直流側(cè)短路故障，必須切除交流斷路器，閉鎖整個(gè)直流系統(tǒng)，整個(gè)故障恢復(fù)周期較長(zhǎng)，相對(duì)于傳統(tǒng)直流，柔性直流的故障承受能力和可靠性較低。如果采用雙極對(duì)稱接線方案可以一定程度上提高可靠性，但是故障極的恢復(fù)時(shí)間仍會(huì)受到交流斷路器動(dòng)作時(shí)間的限制，整個(gè)系統(tǒng)完全恢復(fù)的速度比不上傳統(tǒng)直流。這也是架空線在柔性直流輸電中的應(yīng)用受到限制的主要原因。

4）損耗較大。目前雖然采用子模塊多電平的柔性直流工程多將損耗控制在1%以內(nèi)，與傳統(tǒng)直流的損耗相當(dāng)，但是輸送容量相對(duì)于傳統(tǒng)直流還是很小，而如果容量提升，則必然需要更大規(guī)模的子模塊和更快的開關(guān)頻率，因此損耗也會(huì)相應(yīng)提高。

5）輸電距離較短。由于沒有很好地解決架空線傳輸?shù)膯栴}，柔性直流輸電工程的電壓普遍不高，同時(shí)，柔性直流系統(tǒng)相對(duì)損耗較大，這就限制了其有效的輸電距離。

5 VSC-HVDC 系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合

柔性直流輸電系統(tǒng)克服了常規(guī)直流的固有缺陷，可以快速獨(dú)立地控制與交流系統(tǒng)交換有功和無功功率、控制公共連接點(diǎn)的交流電壓、潮流反轉(zhuǎn)方便靈活、可以自換相，因此具有提高交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、功角穩(wěn)定性、降低損耗、事故后快速恢復(fù)、便于電力交易等功能。加之設(shè)計(jì)施工方便靈活、施工周期短、電磁場(chǎng)污染、噪聲污染小、沒有油污染的特點(diǎn)，使得柔性直流特別適合在連接分散的新能源電源、弱交流節(jié)點(diǎn)處的交流電網(wǎng)非同步互聯(lián)、偏遠(yuǎn)負(fù)荷供電、海上鉆井平臺(tái)或孤島供電、提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量等領(lǐng)域應(yīng)用。它的出現(xiàn)為直流輸電技術(shù)開辟了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，其主要適用的場(chǎng)合如下：

1）新能源并網(wǎng)。

2）異步電網(wǎng)互聯(lián)。

3）構(gòu)建城市直流輸配電網(wǎng)。

4）向遠(yuǎn)方孤立負(fù)荷點(diǎn)送電。

5）提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量。

6）電力交易。

6 結(jié)束語(yǔ)

柔性直流輸電是構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要裝備，與傳統(tǒng)方式相比，柔性直流輸電在孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)等方面具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是改變大電網(wǎng)發(fā)展格局的戰(zhàn)略選擇。