论直流输电的运行和控制

摘 要：电力电子技术快速发展直接带动了直流输电技术的发展，特别是近几年来，电力网络规模的不断扩大，直流输电技术得到了更加广泛的应用。传统的直流输电技术采用半控型半导体材料晶闸管的电流源换流器，在使用过程中具有一定的缺陷，轻型直流输电技术采用全控型半导体材料绝缘栅双极晶体管的电压源换流器，具有体积小，能够自由控制线路中有功功率和无功功率的比例等优点。该文主要就轻型直流输电技术的运行和控制进行介绍。

关键词：直流输电 运行和控制 电压源换流器

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（a）-0078-02

目前我国直流输电线路主要采用高压输电方式，晶闸管技术和移相换流器技术的应用较多，特别是在大功率和远距离传输过程中。但是由于晶闸管自身的特点，导致其换相过程中电量损耗较大，接线复杂且体积庞大，同时线路中存在的谐波电流分量较高，功率性能指标较低。为了克服直流输电中存在的缺点，轻型直流输电技术得到了广泛的应用，该文主要介绍其运行机理和控制原理。

1 轻型直流输电技术的特点

相控换流器是传统直流输电技术中的核心部分，在其工作过程中以交流母线电压过零点为基准，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。

随着科技的不断进步，电子元器件和换流技术得到了较快的发展，脉宽调制技术在直流输电中得到了广泛的应用。它能够实现能量的双向流动，能够实现对电能功率因素的控制、电流波形的控制等功能。鉴于传统的直流输电技术中的换流器体积和重量较大，所以脉宽调制技术的应用越来越广泛。跟传统的直流输电技术相比，它具有如下几个方面的优势。

（1）能够自由控制线路中的有功和无功功率，也可以设置其功率因素为1，且能够快速实现各种调节功能。

（2）整流和逆变站之间不需要进行通信数据的交换，实现了对每个站功能的独立控制。

（3）系统中不需要添加无功补偿装置，且采用了比较先进的脉宽调制技术，只需在其交流侧添加体积较小的高通滤波器。随着技术的不断进步，甚至可以不需要滤波器的辅助。系统的直流侧配置了电容进行滤波，降低了系统中的谐波分量，且能够在短时间内实现对电能的存储，抑制了系统中存在的振荡现象。

（4）采用新型直流电缆具有较高的强度，且方便掩埋，适用于深海等恶劣环境中线路的铺设。

（5）采用模块化的设计方法，体积小，安装方便。

通过上面的叙述，我们可以看出采用电压源换流技术的轻型直流输电技术从根本上解决了传统直流输电技术中存在的问题，且具有占地面积小、控制方便等优势，特别适用于新能源发电的直流输电和向无源交流网络的供电领域。

2 轻型直流输电控制系统的结构和原理

电压、电流和功率是直流输电系统的主要参数，系统运行过程中负荷的变化、电压的波动以及其它类型的扰动都会导致上述参数的变化，为了确保直流输电系统具有较好的动态响应特性，需要制定比较完善的控制策略。下面我们就其结构组成进行介绍。

（1）测量显示单元：用来实现对系统中电气、机械和热量等参数信息的测量、记录和显示等。

（2）脉冲产生单元：用来完成对控制脉冲的输出功能。

（3）保护单元：保护系统中的换流桥，防止系统工作过程中发生各种意外事故而导致设备损坏。

（4）程序控制单元：用来完成上述三个单元功能的协调，确保工况发生变化时，实现对换流阀的控制。

轻型直流输电技术的核心是电压源换流器，在输电线路的接受端和发送端都采用了比较先进的电压源换流器，且两个换流器的结构完全相同，属于两电平六脉动型，其中直流侧用来实现对线路中的电压支撑，换流器起到对线路滤波的作用，交流滤波器则实现对交流侧谐波的滤除作用。轻型直流滤波技术中采用的主要技术是脉宽调制技术，将给定的正弦波和三角载波做比较，以决定线路中每个桥臂开关的通断时间。当线路中的直流侧电压恒定时，脉宽调制中的正弦信号和三角载波幅值的比值控制在0～1的范围内，且电压源换流器中的有功功率和无功功率取决于其输出电压的相位和幅值，所以在使用过程中通过控制脉宽调制控制其信号中的相位和调制度以实现对线路中有功功率和无功功率的大小和传输方向，进而实现对有功功率和无功功率同时且相互独立的调节。

3 轻型直流输电系统的控制方式

轻型直流输电系统中每个站都能够独立完成各项功能，但是必须保证其有功潮流的平衡，即确保电网中的有功潮流和电网中有功功率跟直流损耗之差相等，否则就会造成系统中电压的快速调节。所以两个换流站一个用来完成对系统中功率的调节，一个用来完成对系统中直流电压的调节。目前工程中直流输电运行系统主要采用以下4种控制方式。

（1）定直流电压控制：实现对直流输电线路中母线电压和交流侧无功功率的控制。

（2）定直流电流：能够实现对直路电流和无功功率的控制。

（3）定交流电压控制：实现对交流母线电压的控制，确保其电压的稳定性。

（4）定无功功率控制：实现对交流侧输出无功功率的控制。

一般情况下定直流电压和电流控制方式常用在两端都连接有源网络的输电线路中，定交流电压控制则用在无源供电网络，定无功功率则用在无功补偿的轻直流输电系统中。表1中给出了集中控制方式的应用。

目前该技术在发电、供电、配电以及无功补偿等领域的得到了广泛的应用。如可以采用轻型直流输电技术向远离电网的地区-油田、矿井和山区等供电，能够降低发电所需成本和对环境的污染程度，同时还有效的控制了建立电站所需的土地。另外还可以采用轻型直流输电技术实现小规模发电厂和电网之间的连接，降低了其和电网连接的成本，并且允许发电机在工作过程中采用不同的电网频率或者采用变频率工作方式，将交流电压稳定在一个固定值。随着城市规模的不断扩大，在城区规划过程中需要添加新的电力传输线路非常麻烦，如果采用轻型直流输电技术将所需要的电缆埋在地下，既不会影响城市的面貌，也不会增加环境中的电磁感染，且能够实现电力的长距离传输。

4 结语

轻型直流输电技术在采用比较先进的电压源换流器进行输电的新型高压输电技术，跟传统的直流输电技术相比，在新能源利用、无源网络供电以及非同步互联等方面具有传统直流输电所不具有的优势。它能够实现电路中功率的双向流动，实现对有功和无功功率的独立控制，且能够保证交流侧输入功率因数为1。另外由于轻型直流输电技术中采用了比较先进的脉宽调制技术，极大程度的降低了输电系统中交流侧的谐波大小，不过电压源换流器的控制比较复杂，特别是在高电压等级中多个换流器之间的协调控制会更加困难，需要不断的进行改进。

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