VSC-HVDC输电系统设计.doc

汪洋：风电并网VSC-HVDC输电系统设计 第1章 绪论1.1 高压直流输电的概况及发展人类对电的认识和应用以及电力科学的发展首先是从直流电开始的1882 年，法国物理学家M·得彼列茨进行了历史上第一次直流输电试验，将1.5kW 、1.5~2kV 的直流电通过电报线路驱动57km外的水泵旋转，这次试验虽然线路功耗高达78%，几乎没有使用价值，但它标志着高电压、远距离大容量输电的崭新开始这次试验由于具备发电、输电和用电设备，所以也被认为是世界上第一个电力系统1954 年，第一座高压直流（HVDC）输电工程投入工业化运行，它是从瑞典本土至果特兰（Gotland）岛之间的一条20MW、100kV 海底电缆直流输电线，线路全长96km1972 年，加拿大伊尔河（Eel River）HVDC输电工程正式投入使用，这座20MW 、2×80kV 背靠背式HVDC输电工程以首次全部采用晶闸管阀而著称于世到目前为止，全世界共有70 多个HVDC输电工程，其中，大部分电压等级超过400kV，输送功率大于1000MW 或线路长度大于600km 高压直流输电(HVDC)的基本原理是通过整流器将交流电变换为直流电形式，再通过逆变器将直流电变换为交流电，从而实现电能传输和电网互联。

典型双极HVDC的主系统如图l所示： 图1一1典型双极HVDC主系统示意图在这个过程中，换流装置是高压直流输电系统最重要的的电器设备，除此之外，为了满足交、直流系统对安全稳定及电能质量的要求，高压直流输电系统还需要其他的重要设备，如：换流变压器、平波电抗器、无功补偿装置、滤波器、直流接地极、交直流开关设备、直流输电线路及控制与保护装置、远程通信系统等从系统构成上划分，高压直流输电系统由三部分组成，即：整流站、直流输电线路和逆变站其中，整流站和逆变站称为换流站对同一个高压直流输电工程而言，整流站和逆变站的设备种类、设备数量甚至设备布置方式几乎完全一样，仅仅在于少数设备台数和容量有所差别换流装置、环流变压器平波电抗器、无功补偿装置、滤波器、直流接地极以及交直流开关设备均位于两侧换流站中由电力电子器件组成，具有将交流变为直流电或直流电转换为交流电的设备称为换流装置，或称为换流器，在高压直流输电系统中，换流器通常采用三相桥式全控整流电路作为基本单元，换流站由基本换流单元组成在高压直流输电系统中，换流器不仅具有整流和逆变的功能，而且整流器还具有开关的功能。

通过对整流器实施快速控制，实现高压直流输电系统的起动和停运在交、直流系统故障后的恢复过程中，对整流器的开速控制可有效保护直流输电系统，同时也是交流电网安全和稳定运行的重要保障与交流输电方式相比，HVDC输电技术有许多独特的优点，概括起来主要有以下几点：（l）在传输功率相同的条件下，直流输电的换流站设备投资较大，而线路投资较小，因此当用于远距离输电时造价要小于交流输电2）可实现大区电网的异步互联，不存在稳定问题，互联后也不会增大原系统的短路容量3）双极型直流系统可分期建设，先建成单极系统运行以发挥效益双极系统运行中如有一极发生故障，另一极能继续运行，减小功率损失4）调节快速，高度可控不但在故障情况下可快速闭锁停运，而且可以利用其功率调制功能，迅速增加或减小输送功率，提供紧急功率支援，功率调制功能还可抑制交流系统的低频振荡等问题5）直流输电的线路电容较小，充电功率较小，当采用电缆输电时优势明显，而交流电缆的充电功率较大，有时甚至因为此原因而无法送出功率，如跨海电缆送电6）在输送同等功率水平下比交流方式节省输电走廊，更环保在当前我国土地资源紧张的局面下，这一优点不但可以减小土地占用和拆迁费用，而且可减小投资。

直流工程从系统结构上看，可以划分为两端直流输电系统和多端直流输电系统多端直流输电系统尽管可以实现多个交流电网的互联和电能传输，但由于其控制复杂限制了其应用多端直流工程在二十世纪八、九年代初期经历了短暂的发展后，现已较少引起关注，目前全世界只有北美的Nelson、太平洋联络线、Quebec一New England、意大利撒丁岛等为数不多的几个多端直流工程，而其它均为两端直流工程两端直流工程又可分为单极系统、双极系统和背靠背系统三类另外，从HVDC的换流器结构看，还可分为6脉动和12脉动尽管12脉动换流器比6脉动换流器的阀元件数多，但交、直流两侧特征谐波含量较小，所需的滤波设备较少，具有较高的技术经济优势目前世界上绝大多数直流工程都采用两端系统，而换流器多采用12脉动对于远距离输电工程，由于双极系统能消除大地中的电流，因而被广泛采用表1 我国已建成的直流工程基本情况序号工程名称电压等级（kv）输送功率（MW）输电距离（km）1舟山直流工程-10050542葛洲坝—上海士500120010453天生桥—广州士50018009604三峡—常州士5030008605嵘泅直流工程士50060666三峡一广东士50030009567贵州一广东士50030009008灵宝背靠背工程士12036001.2 基于电压源换流器的高压直流输电系统（VSC—HVDC）的发展传统 HVDC 输电的核心是相控换流器（PCC）技术，其原理是：以交流母线线电压过零点为基准，一定时延后触发导通相应阀，通过同一半桥上两个同时导通的阀与交流系统形成短时的两相短路，当短路电流使先导通阀上流过的电流小于阀的维持电流时，阀关断，直流电流经新导通阀继续流通。

通过顺序发出的触发脉冲，形成一定顺序的阀的通与断，从而实现交流电与直流电的相互转换晶闸管的单向导电性使PCC 技术只能控制阀的开通而不能控制阀的关断，关断必须借助于交流母线电压的过零使阀电流减小至阀的维持电流以下才能使阀自然关断因此基于PCC 技术的HVDC 输电具有以下不足：（1）不能向小容量交流系统及不含旋转电机的负荷供电如果受端系统短路容量不足，不能提供足够的换相电流，就不能保证可靠换相，逆变器容易发生换相失败故障如果受端系统为不含旋转电机的负荷，逆变器因无法换相而不能对交流系统供电2）换流器产生的谐波次数低、容量大双极双桥换流站产生最低次数为 11 次、13 次的谐波电流，其容量分别约占基波容量的9%和7.7%，加重了滤波的负担3）换流器吸收较多的无功功率正常稳态运行时，整流器和逆变器分别吸收占所输送直流功率30%～50%和40%～60%的无功功率，暂态运行时换流器吸收的无功功率更多4）换流站投资大、占地面积大为满足谐波标准和换流器的无功需要，换流站装设有大量的无功补偿装置和滤波设备，加大了换流站的投资及占地面积，无功补偿装置和滤波设备的投资约占换流站总投资的15%，占地面积约为全站总面积的三分之一。

因此基于PCC技术的传统HVDC输电虽是一门成熟的技术，但在与交流输电的竞争中处于不利地位，其应用领域局限在220kV 及以上电压等级的远距离大容量输电、海底电缆输电及不同额定频率或相同额定频率交流系统间的非同步互联等方面 轻型直流输电是在电压源换流器(VSC)技术和门极可关断晶闸管（GTO）及绝缘栅双极晶体管 (IGBT)等全控型功率器件基础上发展起来的，由高频开关器件IGBT 构成的正弦脉宽调制（SPWM）式VSC，换流器的单相电路基于VSC 技术的HVDC输电在技术和经济上均比基于PCC 技术的HVDC 输电有了很大改进，轻型直流输电的特点主要表现在以下几个方面：(1)VSC 换流器为无源逆变，对受端系统没有要求，故可用于向小容量系统或不含旋转电机的系统供电2)VSC 换流器产生的谐波大为减弱，对无功功率的需要也大大减少，因此只需在交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波要求；无功补偿装置的容量也大为减少，可不装设换流变压器，同时可简化开关3)不会出现换相失败故障即使对小容量系统或无源负荷供电，VSC 换流器也不会发生换相失败故障，从而避免了受端系统出现持续几个周期的短时电源中断，提高了受端系统的电能质量。

4)模块化设计使轻型直流输电的设计、生产、安装和调试周期大为缩短，换流站的主要设备能够先期在工厂中组装完毕，并预先做完各种试验最重的模块重约20 t， 可方便地用卡车直接运至安装现场从而大大减轻了现场安装调试时间和劳动强度，而且可显著缩小换流站的占地面积一个20MW、±30 kV 的轻型直流输电换流站占地面积不足，交货时间不超过12 个月5)可实现无人值班或少人值守由于换流站主要设备大为简化，而且实现了模块化设计，因此正常维护工作量大大减少，有利于实现无人值班或少人值守换流站，提高生产效率到目前为止，世界上已建或在建的轻型直流输电工程有：(1)赫尔斯扬（Hellsjon）试验工程：1997 年3月10 日投运，为历史上第一个试验性轻型直流输电工程这条输送容量3MW，电压±10 kV，长10 km 的线路是利用一条暂时没用的交流50 kV 线路使Hellsjon与瑞典中部的Grangesberg 交流系统通过直流互连，多年运行情况表明该工程运行良好，为轻型直流输电建设积累了许多宝贵的经验2)果特兰（Gotland）工程: 瑞典，50MW，±80 kV，70 km长，建设目的是将Gotland 岛上的风力发电站发出的电力送至负荷中心。

1999 年6 月投运运行测试数据表明该工程各项指标均达到了设计要求3）Tiaereborg 示范工程：丹麦，7.2MW，±9 kV，4.3 km 长，建设目的是将位于西部Tiaereborg的风力发电站与交流主网相联，2000 年8 月投运4）Eagle Pass 工程: 美国和墨西哥，36MW，±15.9 kV，采用背靠背方式,建设目的是使美国一侧的德克萨斯 (Texas) 州电网与墨西哥电网实现非同步互联5）Cross-Sound 联络工程：美国，330MW，±150 kV，40 km 长，建设目的是通过海底电缆使位于New Mavend 的Connecticut 电网与纽约长岛电网联网2000 年8 月开工，预计2002 年5 月投运6）Murraylink 工程：澳大利亚，200MW，±150 kV，180km，建设目的是使南部电网与Victoria州电网互联预计2002 年4 月投运，该工程将是世界上最长的地下电缆输电项目1.3 轻型直流输电的应用前景据预测,轻型直流输电在电压低于±150kV、容量不超过200MW 时具有经济上的优越性，它在以下应用领域将可能发挥极大的作用：（1）向偏远地区供电偏远地区一般远离电网，负荷轻而且日负荷波动大，经济因素及线路输送能力低是限制架设交流输电线路发展的主要因素，制约了偏远地区经济的发展和人民生活水平的提高。

采用轻型直流输电进行供电，可使电缆线路的单位输送功率提高，线路维护工作量减少，使供电可靠性增加测算表明，修建一座燃煤火电厂与修建一条轻型直流输电线路相比，在相同投资规模下，轻型直流输电线路的等数距离可降至50~60km2）海上供电远离大陆电网的海上负荷如：海岛或海上石油钻井平台等负荷，通常靠价格昂贵的柴油或天然气来发电，不但发电成本高，供电可靠性难以保证而且破坏环境，用轻型直流输电以后，这些问题得以解决，同时还可将多余气体（如石油钻井产生的天然气）发出的电力反送给系统3）城市配电网增容改造城市特别是大中城市的空中输电走廊已没有发展余地，原有架空配电网络已不能满足电力增容的要求，合理的方法是采用电缆输电（架空电缆或地下。