簡述柔性輸電與傳統(tǒng)直流輸電的異同

孔麗麗 董森濤

摘 要：相比傳統(tǒng)直流輸電，柔性直流輸電沒有無功補償?shù)膯栴}，傳統(tǒng)直流輸電需要吸收大量的無功功率，因而需要大量的無功功率補償及濾波設備。 而柔性直流輸電的VSC技術不僅不需要將這些負荷通過柔性直流輸電系統(tǒng)和電網(wǎng)相連，降低了供電成本，同時改善了環(huán)境。

關鍵詞：傳統(tǒng)直流輸電;柔性直流輸電;HVDC;VSC-HVDC

1.1背景概述

隨著能源緊缺和環(huán)境污染等問題的日益嚴峻，國家將大力開發(fā)和利用可再生清潔能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。然而，隨著風能、太陽能等可再生能源利用規(guī)模的不斷擴大，其固有的分散性、小型性、遠離負荷中心等特點，使得采用交流輸電技術或傳統(tǒng)直流輸電技術聯(lián)網(wǎng)顯得很不經(jīng)濟。同時海上鉆探平臺、孤立小島等無源負載，采用昂貴的本地發(fā)電裝置，既不經(jīng)濟，又污染環(huán)境。另外，城市用電負荷的快速增加，需要不斷擴充電網(wǎng)的容量，但鑒于城市人口膨脹和城區(qū)合理規(guī)劃，一方面要求利用有限的線路走廊輸送更多的電能，另一方面要求大量的配電網(wǎng)轉(zhuǎn)入地下。因此，迫切需要采用更加靈活、經(jīng)濟、環(huán)保的輸電方式解決以上問題。

1.2傳統(tǒng)直流輸電（HVDC）

簡單的說，傳統(tǒng)直流輸電（HVDC）是以電流源型換流器，以晶閘管為換流元件，采用相控換流技術，以交流母線線電壓過零點為基準，通過順序發(fā)出的觸發(fā)脈沖，形成一定順序的硅閥的通與斷，從而實現(xiàn)交流電與直流電的相互轉(zhuǎn)換。

由于晶閘管閥關斷不可控，使目前廣泛采用的基于電流源型高壓直流輸電技術具有以下固有缺陷：

（1）只能工作在有源逆變狀態(tài)，不能向無源網(wǎng)絡（如孤立負荷）輸送電能，且受端系統(tǒng)必須有足夠的短路容量，否則容易發(fā)生換相失敗;

（2）換流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)低、容量大;

（3）由于開通滯后角α（一般為10o～15o）和熄弧角γ（一般為15o或更大一些）的存在及波形的非正弦，常規(guī)直流輸電要吸收大量的無功功率，其數(shù)值約為輸送直流功率的40～60%，這就需要大量的無功補償及濾波裝置。

（4）換流站占地面積大、投資大。

因此，基于晶閘管的電流源型直流輸電技術主要用于遠距離大容量輸電、海底電纜輸電和交流電網(wǎng)的互聯(lián)等領域。

1.3柔性直流輸電 （VSC-HVDC）

柔性直流輸電（VSC-HVDC）技術是一種以電壓源換流器，可控關斷器件（IGBT）和脈寬調(diào)制（PWM）技術為基礎的新型直流輸電技術。這種輸電技術能夠瞬時實現(xiàn)有功和無功的獨立解耦控制、能向無源網(wǎng)絡供電、換流站間無需通訊、且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。

柔性直流輸電的核心是采用可關斷型元件構(gòu)成VSC進行直流輸電。主要特點如下：

（1）電流可自關斷，可以工作在無源逆變方式，受端可以是無源網(wǎng)絡，克服了傳統(tǒng)直流輸電受端必須是有源網(wǎng)絡的根本缺陷，且不增加系統(tǒng)短路容量。

（2）獨立、精確、靈活方便的有功/無功功率控制，可用作STATCOM提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）潮流反轉(zhuǎn)時，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，克服了系統(tǒng)并聯(lián)連接時潮流控制不便和串聯(lián)連接時影響可靠性等。

（4）VSC換流器產(chǎn)生的低次諧波很少，只需在交流母線上安裝一組高通濾波器即可，使濾波裝置的容量大大減小。

（5） 換流站占地面積僅為同容量下常規(guī)直流輸電（HVDC）的20%左右。

（6）換流站間的通訊不是必需的，控制結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)無人值守。

1.4傳統(tǒng)直流輸電（HVDC）與柔性直流輸電（VSC-HVDC）的比較

1.4.1總體性能比較

1.4.2換流變壓器方面比較

傳統(tǒng)直流輸電通過換流變壓器連接交流電網(wǎng)與整流系統(tǒng)，工程上采用12脈波整流技術，需要換流變壓器的型式為三相三繞組，網(wǎng)側(cè)繞組為星形聯(lián)結(jié)，閥側(cè)繞組分別為星形聯(lián)結(jié)和角形聯(lián)結(jié)。由于換流變壓器閥側(cè)繞組與整流系統(tǒng)相連，因此換流變壓器不僅承受交流電壓，而且還需要承受直流電壓，這是造成換流變壓器與普通電力變壓器結(jié)構(gòu)上不同的根本原因。

由這一原因所導致的傳統(tǒng)直流輸電用換流變壓器與普通變壓器的差別主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）換流變壓器的閥側(cè)繞組承受的直流電壓對絕緣設計的影響;

（2）換流變壓器的直流偏磁問題;

（3）換流變壓器的高次諧波對損耗和溫升的影響。

柔性直流輸電是串聯(lián)電抗器加換流變壓器，換流變壓器是帶抽頭的普通電力變壓器，網(wǎng)側(cè)繞組采用星形聯(lián)結(jié)，閥側(cè)繞組采用角形聯(lián)結(jié)，繞組中基本不含諧波電流和直流電流分量，其作用是為VSC提供穩(wěn)定、合適的電壓，保證VSC輸出最大的有功功率和無功功率。

由上可知，柔性直流輸電用變壓器無論從生產(chǎn)制造難度還是經(jīng)濟造價上，都比傳統(tǒng)直流輸電具有巨大的優(yōu)勢。

1.5總結(jié)

隨著可關斷器件和控制技術的發(fā)展，在不遠的將來，柔性直流輸電技術（VSC-HVDC）與傳統(tǒng)直流輸電技術（HVDC）之間必將形成相抗衡的局面，甚至有取代傳統(tǒng)直流輸電的可能。

參考文獻：

[1]胡航海，李敬如，楊衛(wèi)紅，李紅軍 《柔性直流輸電技術的發(fā)展與展望》電力建設2011年05期

[2]趙國梁，吳濤《HVDC技術的發(fā)展應用情況綜蘇述》華北電力技術2006年08期