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直流输电技术

一直以来,直流输电的发展与换流技术(特别是高电压、大功率换流设备)的发展有密切的关系。但是近年来,除了有电力电子技术的进步推动外,由于大量直流工程的投入运行,直流输电的控制、保护、故障、可靠性等多种问题也越发显得重要。因此多种新技术的综合应用使得直流输电技术有了新进展

晶闸管触发技术是直流输电的关键技术之一,采用光触发晶闸管,可以省去用于再次进行光电转换的触发电路板。但需要将相应的保护或测量电路集成在晶闸管上,因此技术复杂,工艺要求严格。13本1992年投运的新直流扩建工程、1993年投运的北本线直流扩建工程、1999年投入的东清水变频站(±125 kV,2400A,300MW)及2000年投运的纪伊海峡直流电缆及架空线系统共5个工程全部采用光直接触发晶闸管,标志着直流输电新时期的开始。

直流输电的接地极引线的运行电压很低,换流站采用传统的电流、电压测量方法,难以检测到靠近接地极的对地短路故障。为了检测接地极引线故障,近年来开发出脉冲回声、阻抗等接地及引线测量装置。其基本原理是,在换流站接地极的两根引线之间加低压高频脉冲,通过接收这些脉冲的回波,计算接地引线的阻抗。当引线任何地点发生对地短路时,其阻抗的变化将反映到测量装置中,从而判定是否发生故障,并能判断故障地点。

随着电子信息技术的高迷发展,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。现在微处理器技术遍布直流系统各个设备的控制和保护,包括:极控(或阀控)、站控(交流场/直流场)、直流系统保护、换流变压器控制保护、交/直流滤波器控制保护、换流器冷却系统控制保护、站用电系统控制保护等。

直流输电系统中,为了便于事故分析处理,需要对分布在换流站内的各个控制保护系统、两端换流站设备的测量时间进行同步,以便精确测量直流线路的故障地点。以往的直流输电系统各种设备之间及两站之间没有统一的时间参考,暂态故障记录与事件记录不同步,不能示出直流线路故障的正确位置,给检修和维护带来极大不便。采用全球卫星定位系统(GPS),可使各种设备时间的误差小于lms。直流线路故障定位可以精确到300m。

轻型高压直流输电是ABB公司发展的一项全新的输电技术,尤其适用于小型的发电和输电应用,它将高压直流输电的经济应用功率范围降低到几十兆瓦.该系统由放在两个或两个以上的输电终端上的终端换流站及它们之间的联接组成。虽然传统的直流架空线可以作为联接,但如果我们应用地下电缆来联接两个变电站,整个系统将能最多地获益。在很多场合,评估下来的电缆成本低于架空线的成本,而且在一个轻型高压直流输电系统中,使用电缆所需的环境等方面的许可还更容易获得。比起交流输电和本地发电,轻型高压直流输电系统不仅具有成本优势,它对提高交流电网供电品质也提供了新的可能.自1997年提出轻型高压直流输电,数个输电线路已投入商业运营,其中最高容量已达330MW。更多的正在建设中。

⑴功率范围

传统直流输电的显著特点就是传输功率范围大,一般都在250MW以上。然而轻型直流,其功率可以与发电机组相配合,从几十MW大到目前的约350MW左右,并以最高为±150 kV的直流电压传输。

⑵模块化

轻型直流基于一种模块的概念,使得换流站的大小有一系列的标准组成。大多数设备可在工厂里封装成模块。而传统直流通常需要根据特定的应用情况来定制换流设备。

⑶直流电路

轻型直流是双极的,直流回路没有与大地相联,因此需要两条导线(或线缆)。

⑷换流站

轻型直流在换流站中与传统直流有很大不同。前者对应晶闸管,后者一般对应IGBT。传统直流通过换流变压器连接交流电网,而轻型直流是串联电抗器加变压器。在滤波和无功补偿方面,传统直流有无功有50%左右在滤波器中,且要并联电容。而轻型直流仅需要小型的滤波器。传统直流以平波电抗器和直流滤波器来平伏电流,而轻型直流可采用直流电容器。此外,传统直流需要有换流站站间控制与通讯功能,而轻型直流则可不需要。

⑸对交流系统的依赖性

轻型直流不需要依靠交流系统的能力来维持电压和频率稳定。与传统直流所不同,短路容量显得并不重要。轻型直流可以向缺乏同步机的电网馈送负荷。

⑹可以象SVC(静止无功补偿器)工作

传统的直流输电终端点可以通过投切滤波器和并联电容器组或改变触发角来控制无功与电压。但是这显然需要额外的设备,从而增加投资。轻型直流可以快速改变相角和幅值,这样使得同时独立控制有功和无功成为可能。

它通过VSC(电压源变换器)来实现,通常采用两电平6脉动型,每个桥臂都由多个IGBT或GTO串联而成。直流侧电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波;换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带同也起到滤波的作用;交流滤波器作用是滤去交流侧谐波。

在轻型直流中,VSC通常采用正弦脉宽调制(SPWM)技术,SPWM的基本原理是:用给定的正弦波与三角载波比较,来决定每个桥臂的开通关断时刻。当直流侧电压恒定时,SPWM的调制度(正弦给定信号与三角载波幅值之比,在0-1的范围内)决定VSC输出电压的幅值;正弦给定信号的频率与相位决定VSC输出电压的频率与相位。VSC吸收有功功率和无功功率分别取决于VSC输出电压的相位和幅值,所以,通过控制SPWM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独立的调节。

⑴ 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。

⑵ 正常运行时VSC可以同时且相互独立控制有功功率、无功功率,控制更加灵活方便。

⑶ 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HVDC Lisht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。

⑷ 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。

⑸ 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。

⑹ 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,可以不用变压器,所需滤波装置容量也大大减小.

⑺ 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,***电力研究所正在研制以GTO为功率器件、9脉冲PWM控制的300MW VSC,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。

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;最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最敏感的故障因素是交流系统故障、换流变压器故障、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、换流变压器和换流阀的返修时间最长,影响系统可用率为最严重。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独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最小,而系统的可靠性和可用率大大提高。

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