混合直流輸電(精裝)（簡體書）

傳統高壓直流輸電又稱為電網換相高壓直流輸電(LCCＧHVDC )或電流源換流器高壓直流輸電(CSCＧHVDC ),採用普通晶閘管作為換流元件.與此相對應,電壓源換流器高壓直流輸電(VSCＧHVDC )採用全控型器件作為開關元件.混合直流輸電系統結合了二者的優勢,將在未來電網的發展中發揮重要的作用.本章將介紹LCCＧHVDC和VSCＧHVDC的優勢和不足,詳細描述三種典型混合直流輸電系統的拓撲結構,即並聯混合多饋入直流輸電系統、一端LCC一端VSC的混合直流輸電系統和含靜止同步補償器(stAticsynchroＧ nouscompensAtor,STATCOM)的LCCＧHVDC系統,並分析這三種混合直流系統各自的特點、作用和應用前景.
11 LCCＧHVDC的優勢和不足
20世紀50年代以來,LCCＧHVDC以其遠距離大容量輸電、有功功率快速可控等特點在世界範圍內得到了快速發展.與高壓交流輸電相比,它具備很多優點[1,2]:1不存在交流輸電的穩定性問題,有利於遠距離大容量輸電;
2線路造價低,且沒有交流線路的對地電容電流問題;3可實現兩個電網的非同步聯網;4有功功率快速可控,有利於改善交流系統的運行特性;5可單極運行,提高了LCCＧHVDC的運行可靠性,也有利於分期建設.
但是因為LCCＧHVDC採用無自關斷能力的普通晶閘管作為換流元件,所以LCCＧHVDC系統需要藉助一定強度的交流系統來實現換相,這使得LCCＧHVDC客觀上存在一些局限,主要包括如下幾方面[1,2].
(1)LCCＧHVDC的運行容易受交流電網的影響.當交流電網發生故障或三相嚴重不對稱造成交流母線電壓下降時,LCCＧHVDC容易發生換相失敗.為避免發生連續換相失敗,LCCＧHVDC通常採用簡單的閉鎖措施,使LCCＧHVDC自身安全地退出運行,其結果會使交流系統突然失去一個很大的有功電源,可能導致事故的擴大.
(2)LCCＧHVDC不能在極弱受端交流系統下運行.LCCＧHVDC要求受端交流系統必須是有源網絡而且有足夠的短路容量,如果受端交流系統短路容量太小,LCCＧHVDC將失去運行的基本條件.
(3)LCCＧHVDC不能作為電網大停電的恢復電源.由於LCCＧHVDC依賴交流系統運行,當交流系統發生大停電時,電網恢復初期交流系統很弱,LCCＧHVDC不具備運行條件,不能作為啟動電源參與電網的恢復過程,LCCＧ HVDC有功功率快速可控的特點也不能在電網恢復的過程中得到發揮.
(4)LCCＧHVDC需要消耗大量的無功功率,其數值為輸送有功功率的40％~60％ ,因此需要大量的無功補償和濾波裝置.首先,這些設備增加了換流站的投資和運行維護費用;其次,大量的無功補償和濾波設備在特定的情況下可能引起過電壓問題.例如,LCCＧHVDC系統在逆變側甩負荷、緊急停運、換流器丟失觸發脈衝、交直流線路故障等情況下,換流器消耗的無功功率迅速減小,換流站過剩的無功功率將會注入所聯的交流系統,引起換流站交流母線電壓升高,導致過電壓問題,從而造成絕緣配合困難,並增加整個系統的造價.
雖然LCCＧHVDC系統存在上述缺陷,但是它在技術和經濟上的獨特優勢,使其對我國電力工業的發展起到十分重要的作用.自1987年舟山直流輸電工程投運以來,計及目前已投運的雲南—廣東、向家壩—上海、錦屏—蘇南、糯扎渡—廣東、哈密—鄭州5條±800kV特高壓直流輸電工程,我國已建成投運的LCCＧHVDC工程共有21項.到2020年,我國將建成15個特高壓直流輸電工程.屆時我國建設的LCCＧHVDC工程總計可達38項,將佔世界新建LCCＧHVDC工程的一半以上.在未來一定時期內,LCCＧHVDC在遠距離
大容量輸電和電網互聯兩個方面在我國電網中將佔有不可替代的地位.
目前,隨著LCCＧHVDC容量的增加,受端交流系統的強度相對減弱.例如,在華東電網和南方電網,由於多條LCCＧHVDC的饋入,受端交流系統的強度相對減弱.同時,在我國某些區域,由於受端系統本身就是弱系統,LCCＧ HVDC的運行存在潛在的威脅.例如,為給西藏經濟社會發展提供可靠的電力供應,青海—西藏直流聯網工程已經投入運行,但是西藏受端系統是一個弱系統,其運行可靠性面臨挑戰,同時,交直流混聯的複雜電網由於故障等原因,很有可能發生連續換相失敗,甚至造成大範圍停電事故.在華東和廣東電網,均形成包含多條±800kV特高壓直流輸電系統、±500kV直流輸電系統的直流多落點電網,且各個直流逆變站間的電氣距離都比較小,交流與直流、直流與直流之間有很強的相互作用,因而在某些情況下,有多個直流系統同時發生換相失敗且難以恢復的可能,該情況將對系統的安全穩定性造成不可估量的危害.可見,換相失敗是LCCＧHVDC急需解決的關鍵問題之一.因此,無論是目前還是將來,如何克服LCCＧHVDC的不足,提高其運行獨立性,使其更好
地發揮對電網的支撐作用,對我國電網的安全穩定運行具有重要意義.
12 VSCＧHVDC的優勢和不足
20世紀90年代後,以全控型器件為基礎的電壓源換流器高壓直流輸電(VSCＧHVDC)得到了快速發展.由於這種換流器功能強、體積小、可減少換流站的設備、簡化換流站的結構,ABB公司將這一技術稱為HVDCLight,西門子公司稱其為HVDCPLUS,我國稱其為柔性直流輸電.本書為了強調柔性直流輸電與傳統直流輸電的不同換流方式,採用國際上通用的學術名稱,即將柔性直流輸電稱為VSCＧHVDC.
自1997年世界首個VSCＧHVDC試驗工程(赫爾斯揚工程,額定功率3MW,直流電壓±10kV)投入運行以後,後續建設的VSCＧHVDC工程電壓等級和傳輸容量均大幅提升,但大都基於兩電平、三電平電壓源換流器.由於早期工程普遍採用脈寬調製(pulsewidth modulAtion,PWM)技術,換流器損耗較大.例如,美國2002年投運的Cros
Sound工程,額定傳輸容量330MW,工程實測滿負荷損耗為4％[3].同時,由於單個全控器件的耐壓能力有限,無法滿足高電壓大容量的需求,需要使用大量IGBT組成串聯閥體.由於各個器件的開通關斷特性不盡相同,多個IGBT串聯會帶來靜態、動態均壓困難以及電磁干擾等問題[4],從而製約了VSCＧHVDC技術的發展.為解決上述兩電平、三電平VSCＧHVDC技術存在的缺陷,2003年,德國聯邦國防軍大學的LesnicAr和MArquArdt提出了模塊化多電平換流器(modulArmultilevelconＧ verter,MMC)拓撲[5],並研製了2MW、17電平的試驗樣機[6].之後ABB公司提出了類似於MMC的級聯兩電平換流器(cAseAdedtwolevelconverter, CTLC)結構[7].MMC採用子模塊(subＧmodule,SM)串聯的方式構造換流閥,避免了IGBT的直接串聯,降低了對器件一致性的要求.同時,特殊的調製方法決定了其可以在較低的開關頻率(150~300Hz)下獲得很高的等效開關頻率.隨著電平數的升高,輸出波形接近正弦,可以省去交流濾波器. MMC子模塊的拓撲結構主要有半橋型子模塊(hAlfＧbridgesubＧmodule,HBＧ SM)、全橋型子模塊(ful
ＧbridgesubＧmodule,FBSM)和雙箝位型子模塊(clAmpＧdoublesubＧmodule,CDSM)[8].這些新型拓撲結構為VSCＧHVDC在
未來高電壓大容量場合的應用提供了技術支持.目前,全世界已投運的VSCＧHVDC輸電工程有18項, VSCＧHVDC系統在我國也已成為研究和工程應用的熱點,國家電網公司在上海建立的“上海南
匯柔性直流輸電示範工程”,額定輸送功率18MW ,直流電壓±30kV ,已於2011
年投入運行.廣東南澳三端柔性直流輸電示範工程已於2013年12月25日投
運.此外,浙江舟山五端柔性直流輸電重大科技示範工程也即將投運.
與LCCＧHVDC相比,VSCＧHVDC具有以下主要技術特點[9,10 ].
(1)正常運行時VSCＧHVDC可以同時且相互獨立地控制有功功率和無功功率,而LCCＧHVDC可控制有功功率,對無功功率的調節能力很弱,因此,VSCＧHVDC控制更加靈活方便.
(2)VSCＧHVDC可以更加方便地進行潮流反轉.VSCＧHVDC只需要改變直流電流的方向即可實現潮流反轉,不需要改變直流電壓的極性.這一特性使得VSCＧHVDC的控制系統配置和電路結構都保持不變,既不用改變VSCＧHVDC的控制模式,也不需要閉鎖換流器,整個反轉過程可以在很短時間內完成.
(3)VSCＧHVDC能夠起到STATCOM的作用,動態補償交流母線的無功功率,穩定交流母線電壓. (4)VSCＧHVDC的器件可以實現自關斷,可以工作在無源逆變方式,可以向無源網絡供電.
(5)VSCＧHVDC可以作為電網故障後的恢復電源,幫助電網快速恢復.2003年美國東北部814大停電時,美國長島VSCＧHVDC工程的表現充分驗證了VSCＧHVDC系統的黑啟動能力.[
VSCＧHVDC系統的技術特點使其可以在如下很多場合中得到應用10 ]. (1)VSCＧHVDC技術上的優勢,使可再生能源(風能、太陽能等)通過VSCＧHVDC系統聯網成為一種發展趨勢.
(2)目前
,城市的輸電走廊已經非常緊張,原有配電網絡已經不能滿足用電量的需求,而採用VSCＧHVDC系統通過直流電纜向城市供電是解決該問題的一種很好的途徑.

(3)由於VSCＧHVDC可以工作在無源逆變方式,可以向孤島供電.

(4)
由於VSCＧHVDC系統具有直流電壓極性不變的特點,可以非常方便地構成多端VSCＧHVDC系統. (5)VSCＧHVDC系統可以用來進行非同步電網的互聯,還可以改善系統運行特性,提高電能質量.總之,VSCＧHVDC在技術上有若干優勢,如果採用混合直流輸電技術,

可彌補LCCＧHVDC的不足,合理地發揮LCCＧHVDC和VSCＧHVDC的長處.LCCＧHVDC和VSCＧHVDC構成的混合直流系統是通過VSCＧHVDC的
控制,使LCCＧHVDC徹底避免或減少換相失敗(視不同混合拓撲結構而定),提高LCCＧHVDC的獨立性,減少交流電網與直流系統之間的電磁耦合,從而對電網的安全穩定運行起到重要的作用.
國內外很多學者提出了多種不同拓撲結構的混合直流輸電系統,主要有五種結構:1並聯混合多饋入直流輸電系統;2一端LCC一端VSC的混合直流輸電系統;3含STATCOM的LCCＧHVDC系統;4混合多端直流輸電系統;5一端由LCC和VSC串聯組成的混合直流輸電系統等.本書分為三篇,分別針對前三種典型的混合直流輸電系統進行介紹,所提供的方法和結論對於後兩種混合拓撲結構也具有重要的借鑒意義.
本章13~15節將分別闡述以上三種混合直流輸電系統的拓撲結構、作用和應用前景.
13並聯混合多饋入直流輸電系統結構
131拓撲結構
當多條直流輸電線路落點於同一交流系統時,就形成了多饋入直流輸電(multiＧinfe
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ent,MIDC)系統.如果其中一條或幾條直流線路是VSCＧHVDC時,便形成了並聯混合多饋入直流輸電系統.圖1Ｇ1所示為包含兩條LCCＧHVDC線路和一條VSCＧHVDC線路的並聯混合多饋入系統.

圖1Ｇ1並聯混合多饋入直流輸電系統
隨著LCCＧHVDC工程的逐漸增多及VSCＧHVDC在不同領域中的成功應用,LCCＧHVDC和VSCＧHVDC很有可能饋入同一交流母線,或者二者的
電氣距離很近,該類型的混合多饋入直流輸電系統將逐漸增多.目前,我國華東電網擁有豐富的陸上和海上風能資源,上海東海大橋南匯風電場通過VSCＧ HVDC聯網示範工程已投運,同時,已有多條LCCＧHVDC線路落點於上海附近的沿海區域.隨著東海離岸風電場的開發和西電東送工程的增多,華東電網將形成多條VSCＧHVDC和多條LCCＧHVDC混合饋入的情況.
目前,在我國的上海蘆潮港—浙江舟山嵊泗島已運行了一條LCCＧHVDC線路,容量為60MW ,而即將投入運行的舟山五端VSCＧHVDC直流輸電工程,其中一端落點也在嵊泗島,容量為100MW ,如圖1Ｇ2所示.這樣就在嵊泗島形成了由一條LCCＧHVDC線路與一條VSCＧHVDC線路組成的並聯混合雙饋入直流輸電系統.

圖1Ｇ2浙江省並聯混合雙饋入直流輸電系統案例