轻型直流输电及其应用前景研究

【摘 要】本文介绍了轻型直流输电的基本原理及特点，简述了其在国内外应用现状、应用前景，并重点介绍了在风力发电中的应用。

【关键词】轻型直流输电；高压直流输电；海上风电

0.引言

现代高压直流输电（HVDC）普遍采用晶闸管和移相换流器技术，多用于远距离、大功率输电[1]。但晶闸管（SCR）开关频率较低，换相损耗大。而移相换流器接线复杂，体积庞大，换流电压谐波含量高、功率性能指标低等缺点。因此，由于技术和经济等各方面的的原因， HVDC在近距离小容量的输电场合却难以应用。随着电力半导体技术尤其是绝缘栅双极晶体管（IGBT）的快速发展，其额定电压越来越高，并且在很大程度频率变化范围内仍能有较好的电压分布，促进了HVDC的轻型化，轻型高压直流输电系统即HVDC Light应运而生。

这种轻型直流输电系统把HVDC的容量延伸到了只有几MW到几十MW[2]，除具有传统HVDC的优点外，还可直接向小型孤立的远距离负荷供电，更经济地向市中心送电，方便地连接分散电源，运行控制方式灵活多变，减少输电线路的电压降落和电压闪变，从而进一步提高电能质量，因而具有很好的应用前景[3]。

1.轻型直流输电简介及其特点

轻型HVDC是在绝缘栅双极晶体管和电压源换流器（VSC）基础上发展起来的，其基本原理如图1所示。设送端和受端换流器均采用VSC，则两个换流器具有相同的结构。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。换流桥每个桥臂均由多个IGBT串联而成。换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用。直流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。交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。

HVDC Light其特点：

（1）VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，从而克服了传统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。

（2）正常运行时VSC可以同时且独立控制有功和无功， 控制更加灵活方便。

（3）由于VSC 交流侧电流可以控制， 所以不会增加系统的短路容量。

（4）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，所需滤波装置的容量也大大减小。

（5）多个VSC可以接到一个固定极性的直流母线上，易于构成与交流系统具有相同拓扑结构的多端直流系统，运行控制方式灵活多变。

2.轻型直流输电技术在国内外的应用

自1954年世界上第1条高压直流输电联络线投入工业化运行以来， HVDC作为一项日趋成熟的技术在远距离大功率输电、海底电缆送电、两个交流系统之间的非同步联络等方面得到了广泛应用。到目前为止，全世界共有70 多个HVDC输电工程[4]。

随着我国经济的飞速发展，能源紧缺和环境污染等问题日益显著，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，可再生清洁能源的发展首推风电。合理开发和利用风能、太阳能等可再生能源是符合我国国情需要的，但这些可再生能源一般分散性强、且远离负荷中心，接入系统后还会影响整个电网的稳定情况。传统直流输电技术能够解决这个问题，却不是很经济，而模块化设计的轻型直流输电将是个不错的选择。

3.轻型直流输电的应用前景

（1）向偏远地区供电。

（2）海上供电。

（3）城市配电网增容改造。

（4）清洁能源发电。

（5）提高配电网电能质量。

（6）在风电领域的发展前景。

由于海上风能资源丰富，发电量比陆地上更大，同时受到环境的影响也很小，在当今技术的可行性条件下，海上风力发电必将成为一个迅速发展的领域[5]。但是，随着海上风电场容量在电网中所占比例的不断增加，海上风电场对电网的稳定性、安全性，以及电能质量的影响也越来越显著。传统的无功补偿装置，如静止无功补偿（Static Compensator，STATCOM），电压源换流器等，虽然能在部分范围内改善风电场并网性能，但是对电网的影响并没有从实质上得到改善。因此，对海上风电场并网方法的研究就非常必要。

VSC-HVDC系统传输性能好，对于相同线材，其传输容量为交流系统的1.5～2倍。VSC-HVDC系统电能损耗小，其阻性损耗一般只有相同容量交流系统的65%。换流站为室内式设计，占地少，维修容易，建造工期短。海上风电轻型直流输电系统的核心技术在于所采用的大容量换流器，其主要为ABB、西门子公司所拥有，并在国外的大型海上风电场得以成功应用[5]。我国在轻型直流输电技术方面还处于跟踪与技术储备阶段，国家电网公司已制定了相应的实施计划，并在福建（岛屿输电）、甘肃（大型风电场）、上海（城市供电）建立了应用示范。

4.结束语

作为一项新型的输电技术，HVDC Light以其自身的特点在应用方面显示出了很大的优越性。

可以预见的是，在不久的将来，轻型直流输电将在向偏远地区供电、海上供电、城网增容改造、新能源的利用以及改善配网电能质量等方面发挥不可限量的作用，随着高新技术产业快速发展、可再生能源全面开发以及电力市场日益发展和完善，对高品质电能质量和电网运行的灵活性和可靠性要求进一步提高，HVDC Light必将在我国得到日趋广泛的重视，研究与应用。

【参考文献】

[1]王官洁，任震.高压直流输电技术[M].重庆：重庆大学出版社，1997.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]文俊，张一工，韩民晓，肖湘宁.轻型高压直流输电——一种新一代的HVDC技术[J].电网技术，2003，27（1）.

[4]李庚银，吕鹏飞，李广凯，周明.轻型高压直流输电技术的发展与展望[J].2003，27（4）.

[5]李杰，郭家虎，张焕伟，吴宏伟.轻型直流输电在海上风力发电并网中的应用[J].低压电器，2011，04.