新型直流輸電技術(shù)--HVDC LIGHT的應(yīng)用與展望

0 引言

隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，科學技術(shù)的日新月異，世界各國的能源相對匱乏和環(huán)境污染嚴重等問題備受矚目。新型的、清潔的、可再生的能源發(fā)電已成為電力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，風能、太陽能等新型能源發(fā)電已在世界范圍內(nèi)逐步擴展，其主要特點之一是分散化與小型化。地理條件與發(fā)電規(guī)模的制約使得利用現(xiàn)有交流輸電技術(shù)將這些“孤島”電源與電網(wǎng)連接經(jīng)濟性差、環(huán)保壓力大。另外，鉆探平臺、島嶼、礦區(qū)等遠距離負荷目前多采用污染性大的柴油發(fā)電機供電，若采用交流輸電技術(shù)供電也有同樣問題。用電負荷的不斷增加要求電網(wǎng)規(guī)模與傳輸容量保持持續(xù)發(fā)展，然而增加輸電走廊也面臨越來越多的經(jīng)濟與環(huán)保限制，尤其在城市負荷中心，增加傳統(tǒng)的架空交流輸電線幾乎不可能。為此，需要一種經(jīng)濟、靈活、高質(zhì)量的輸電方式解決上述問題[1]。隨著近年來國外輕型直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展并應(yīng)用于實際工程，人們對輕型直流輸電技術(shù)的巨大經(jīng)濟與環(huán)保效益日漸關(guān)注。

本文介紹了輕型直流輸電技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，通過與傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)的比較，闡述了輕型直流輸電的技術(shù)特點和應(yīng)用情況，對其應(yīng)用前景進行了具體的分析和展望。

1 輕型直流輸電簡介

20 世紀90 年代末隨著大功率GTO 和大功率IGBT的商業(yè)化應(yīng)用，輕型直流輸電技術(shù)逐漸發(fā)展起來。輕型直流輸電技術(shù)是一種基于電壓源變流器(VSC)和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的新型直流輸電技術(shù)。輕型直流輸電技術(shù)的發(fā)展主要是緣于電壓源變流器(VSC)和用于高壓直流輸電的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜這兩項基本技術(shù)的進步。

1.1 電壓源型變流器

HVDC Light 采用電壓源型變流器(VSC)，變流器的橋臂由大功率可關(guān)斷型器件(如：GTO、IGBT或IGCT)和反并聯(lián)的二極管組成，如圖1(a)所示。變流器中可關(guān)斷器件上并聯(lián)的反向二極管，除了作為主回路外，還可以起到保護和續(xù)流的作用[2]。為了獲得所需能量，一般需將多個器件串聯(lián)連接構(gòu)成一個閥,如圖1(b)所示。GTO閥可以承受較高的電壓和允許通過較大的電流，但IGBT閥的優(yōu)勢在于觸發(fā)控制電路功率小、簡單。這是因為前者是電流型控制器件，后者是電壓型控制器件。因此選擇IGBT 將比GTO更為合理。就現(xiàn)今的技術(shù)條件下，IGBT 閥的阻斷電壓可達150 kV，基于這種閥的VSC能承擔有效值高達1 kA的交流線電流，對應(yīng)單個VSC的設(shè)計容量約為150 MV·A。這樣，一個雙極性系統(tǒng)可以很容易達到300 MV·A。

輕型直流輸電基于PWM的控制方法，能夠獨立控制有功功率和無功功率，并能限制產(chǎn)生的低次諧波，提高電能質(zhì)量。由高頻開關(guān)器件IGBT構(gòu)成的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)式VSC變流器的單相電路如圖2所示。

如圖3 所示，其工作原理是：工頻正弦波控制信號uC 經(jīng)與三角波載波信號uT比較產(chǎn)生觸發(fā)信號ui。

當V1 被觸發(fā)導通后，輸出電壓uo=Ud / 2;當V2被觸發(fā)導通后，uo=-Ud / 2，由于V1和V2不同時觸發(fā)導通，所以uo只有±Ud / 2兩種數(shù)值。經(jīng)變流電抗器和濾波

器濾除uo中的高次諧波分量后，在交流母線上可得到與uC波形相同的工頻正弦波電壓us。其中，uT決定開關(guān)的動作頻率，uC決定輸出電壓uo的相位和幅值。

改變uC的相位，即改變uo與us的相位關(guān)系，可改變有功功率的大小和方向;改變uC的幅值，即改變uo與us的數(shù)值關(guān)系，可改變無功功率的大小和極性(感性或容性)。因此，VSC變流器可單獨調(diào)節(jié)有功功率和無功功率[3-5]。

忽略諧波分量時，變流器所吸收的有功功率和無功功率分別為

1.2 XLPE電纜

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜技術(shù)的革新對輕型直流輸電技術(shù)的發(fā)展有著重要的推動作用。以往應(yīng)用于直流輸電的電纜主要有：紙絕緣電纜、浸漬憎水(MIND)電纜以及低壓充油(LPOF)電纜。紙絕緣電纜由于抗彎強度差，不適合于架空應(yīng)用;MIND電纜在導體運行溫度上有限制;LPOF 電纜需要輔助設(shè)備維持油壓，安裝困難，且需要考慮油溢出所造成的環(huán)境問題[6]。而XLPE 電纜盡管已經(jīng)應(yīng)用于交流輸電中許多年了，但是由于其在絕緣中存在的空間電荷導致不可控的局部高電場以及與溫度有關(guān)的電阻系數(shù)引起的應(yīng)力分布不均等問題，擠壓式電纜在直流輸電中一直得不到很好的應(yīng)用。以上這些局限都使輕型直流輸電的應(yīng)用受到制約。

隨著以擠壓式聚合物為絕緣的新型XLPE 直流電纜的出現(xiàn)，以上的問題都得到了解決[7]。由于采取絕緣層三層擠壓，即：導體屏蔽層、絕緣層和絕緣屏蔽層同時擠壓，其具有堅固的結(jié)構(gòu)，易于用作架空電纜、地下電纜，甚至工作在條件惡劣的海底。而直流電纜由于沒有充電電流，因此具有比交流電纜更長的使用壽命，也更適合于輸電。圖4 為ABB 公司研制的新型的XLPE 直流輸電電纜[8][9]。這種電纜重量輕、傳輸功率密度大，一對典型的95 mm2 的鋁電纜在直流電壓100 kV時能夠傳輸30 MW的功率，其重量為1 kg/m，絕緣厚度為5.5 mm。

2 輕型直流輸電的技術(shù)特點

HVDC Light 采用可關(guān)斷型電力電子器件和PWM技術(shù)，較之傳統(tǒng)直流輸電，技術(shù)特點如下[10]。

1)正常運行時，VSC 可以同時而且獨立地控制有功功率和無功功率,甚至可以使功率因數(shù)為1，這種調(diào)節(jié)能夠快速完成，控制靈活方便。而傳統(tǒng)HVDC中控制量只有觸發(fā)角，不可能單獨控制有功功率或無功功率。另外，VSC不僅不需要交流側(cè)提供無功功率而且能夠起到STATCOM的作用，動態(tài)補償交流母線的無功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著故障時，如果VSC 容量允許，那么HVDC Light系統(tǒng)既可向故障系統(tǒng)提供有功功率的緊急支援，又可提供無功功率緊急支援，從而能提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性和系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

2)VSC電流能夠自關(guān)斷，可以工作在無源逆變方式，所以不需要外加的換相電壓，受端系統(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡(luò)，克服了傳統(tǒng)HVDC 受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的根本缺陷，使利用HVDC為遠距離的孤立負荷送電成為可能。

3)潮流反轉(zhuǎn)時，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，與傳統(tǒng)HVDC恰好相反。這個特點有利于構(gòu)成既能方便地控制潮流又有較高可靠性的并聯(lián)多端直流系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)多端HVDC系統(tǒng)并聯(lián)連接時潮流控制不便、串聯(lián)連接時又影響可靠性的缺點。

4)由于VSC 交流側(cè)電流可以被控制，所以不會增加系統(tǒng)的短路功率。這意味著增加新的HVDCLight線路后，交流系統(tǒng)的保護整定基本不須改變。

5)模塊化設(shè)計使HVDC Light 的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大大縮短。同時，VSC 采用PWM技術(shù)，開關(guān)頻率相對較高，經(jīng)過高通濾波后就可得到所需交流電壓，可以不用變壓器，從而簡化了變流站的結(jié)構(gòu)，并使所需濾波裝置的容量也大大減小。換流站的占地面積僅為同容量下傳統(tǒng)直流輸電的20%。采用新型(XLPE)直流電纜，可以直接安裝在現(xiàn)有交流電纜管內(nèi)，并使輸送容量提高約50%。

6)變流站間的通訊不是必需的，每個站可以獨立控制，易于實現(xiàn)無人值守。而且HVDC Light在電網(wǎng)故障后快速恢復(fù)控制能力良好。

3 應(yīng)用與實例

3.1 清潔能源接入系統(tǒng)

受環(huán)境條件限制，清潔能源發(fā)電一般裝機容量小、供電質(zhì)量不高且遠離主網(wǎng)，如中小型水電廠、風電場、潮汐電站、太陽能電站等，由于其運營成本很高及交流線路輸送能力偏低等原因使采用交流互聯(lián)方案在經(jīng)濟和技術(shù)上均難以滿足要求，利用HVDCLight與交流大電網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保護環(huán)境[11] [12]。

丹麥Tjaereborg 發(fā)電工程是世界上第一個用于示范的風力發(fā)電的輕型直流輸電工程。工程的目的是進行較小規(guī)模的試驗并展示這項新技術(shù)的應(yīng)用，這項新型技術(shù)將用于連接容量>100 MW 且離海岸>50 km的大規(guī)模風電場。這項工程于1999年3月發(fā)布并開工，于2000 年12月移交業(yè)主用于展示和試驗。Tjaereborg風電場由4臺不同型號的風力發(fā)電機組成，總裝機容量為6.5 MW，如圖5 所示。采用直流電纜與現(xiàn)有交流電纜并行鋪設(shè)，可以工作在直流電纜單獨運行，交流電纜單獨運行和交直流電纜并行運行三種方式。Tjaereborg工程的建成和成功投運，為解決風力發(fā)電接入所導致的無功功率和電壓穩(wěn)定問題提供了參考，也為各國的風電場建設(shè)提供了借鑒。

3.2 非同步電網(wǎng)互聯(lián)

地區(qū)電網(wǎng)之間的互聯(lián)是電網(wǎng)未來的發(fā)展方向，不僅可以增加系統(tǒng)運行的靈活性和可靠性，而且對電力市場的發(fā)展也有著重要的意義。澳大利亞的Directlink 工程和Murraylink 工程都是用于異步聯(lián)網(wǎng)、電力交易，同時滿足環(huán)境的要求。另外，美國的Cross Sound Cable工程將紐約長島和New England電網(wǎng)實現(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)，該工程將HVDC Light的直流電壓和直流電流等級都提高到了一個新的水平，而且該工程于2003 年8 月在美國東北部電網(wǎng)的黑起動過程中發(fā)揮了十分積極的作用，反映了HVDC Light具有很強的電網(wǎng)恢復(fù)控制能力。

圖6 為2000 年投運的澳大利亞的Directlink 工程。它將新南威爾士(NewSouthWales)電網(wǎng)和昆士蘭(Queens Land)電網(wǎng)連接起來，緩解了昆士蘭供電系統(tǒng)的部分壓力。Directlink 工程的每個變流站額定容量195 MV·A，由3個獨立的65 MV·A的變流器組成，利用59km長的線路走廊，共用XLPE電纜354km。

3.3 環(huán)境敏感區(qū)域(如城市中心)的應(yīng)用

通過交流線路向城市中心增加新的輸送容量是昂貴的，并且在某些情況下，新的輸電走廊是難以獲得的。直流電纜比交流架空線所需的空間小，而輸送容量比交流電纜大。另外，HVDC Light系統(tǒng)具有的有功和無功獨立調(diào)節(jié)能力，使系統(tǒng)在輸送有功的同時能夠保持兩側(cè)交流系統(tǒng)的電壓恒定，從而提高電能質(zhì)量。因此如果城市中心需要更多的電力，很多時候直流電纜是唯一現(xiàn)實的解決方案[13]。

3.4 海上鉆井平臺和海島供電

海上石油鉆井平臺或海島等遠離陸地電網(wǎng)的海上負荷，通?？坎裼突蛱烊粴鈦戆l(fā)電，不但發(fā)電成本高、供電可靠性難以保證，而且污染環(huán)境。應(yīng)用HVDC Light技術(shù)，這些問題都可以得到解決，同時多余電能(如用石油鉆井產(chǎn)生的天然氣發(fā)電)還可以反送給系統(tǒng)。挪威投運的Troll 工程，就是用于向海上天然氣鉆井平臺上的用電設(shè)備供電。該工程采用HVDC Light技術(shù)除了考慮到長距離海底電纜輸電和環(huán)境保護要求外，還考慮到鉆井平臺上的同步電動機需要變頻(0～63 Hz)調(diào)速、運行電壓在0～56 kV范圍內(nèi)變化、以及變流器空間和重量等限制因素。

1997年建成的瑞典哥特蘭島直流輸電工程就是應(yīng)用HVDC Light技術(shù)連接遠距離島嶼的一個成功實例。

4 輕型直流輸電在我國的應(yīng)用前景

4.1 蓬勃發(fā)展的風電產(chǎn)業(yè)

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源緊缺和環(huán)境污染等問題的日益顯著，國家將大力開發(fā)和利用可再生清潔能源，可再生清潔能源的發(fā)展首推風電。我國有著極其豐富的風能資源，實際可開發(fā)量達2.3億kW，主要分布在東南沿海及其島嶼，西北、華北和東北地區(qū)。盡管近年來風電增長迅速，但它在全國電力供應(yīng)中只占0.25%。2005年國家出臺的《可再生能源法》對可再生能源的利用和發(fā)展有著積極的促進作用。

根據(jù)國家發(fā)改委的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃(草案)》，預(yù)計到2020年我國的一次能源消費中有16%來自可再生能源;可再生能源發(fā)電裝機容量達到137 000 MW，其中包括30 000 MW的風力發(fā)電。合理開發(fā)和利用風能、太陽能等可再生能源符合我國國情需要，但這些可再生能源一般分散性強、且遠離負荷中心，接入系統(tǒng)后還會影響整個電網(wǎng)的穩(wěn)定情況。傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)能夠解決這些問題，卻不是很經(jīng)濟，而模塊化設(shè)計的輕型直流輸電將是個不錯的選擇。

4.2 地區(qū)聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)步發(fā)展

我國電網(wǎng)正處于高速發(fā)展時期，目前已進入從大區(qū)性電網(wǎng)向全國性互聯(lián)電網(wǎng)過渡的階段。隨著葛-南工程、龍-政工程和三峽向廣州送電工程等多個高壓直流輸電聯(lián)網(wǎng)工程的建成和投運，HVDC 的技術(shù)優(yōu)勢已經(jīng)在異步聯(lián)網(wǎng)工程中得到充分體現(xiàn)?？鐓^(qū)輸電聯(lián)網(wǎng)工程對于保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，調(diào)劑電網(wǎng)電力電量的余缺，實現(xiàn)全國電力資源的優(yōu)化配置有著重要作用。而HVDC Light作為一種新型的直流輸電技術(shù)，憑借其自身的諸多優(yōu)點，也必將在未來的電網(wǎng)互聯(lián)工程中擁有廣泛的應(yīng)用前景。

4.3 沿海資源開采力度的加大

根據(jù)國務(wù)院2003年頒布的《全國海洋經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃綱要》，我國的海洋石油資源量約240 億t，天然氣資源量14萬億m3，濱海砂礦資源儲量31億t，海洋可再生能源理論蘊藏量達6.3億kW。我國有充足沿海資源，但開采仍然不充分，隨著人們對海洋資源認識的不斷加深，沿海鉆井平臺的不斷建立，輕型直流輸電又將擁有一片良好的發(fā)展空間。

5 結(jié)語

輕型直流輸電技術(shù)作為一種新型的直流輸電技術(shù)，憑借其自身的技術(shù)特點已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域中，并逐步顯示出其優(yōu)越性和經(jīng)濟價值。隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、可再生能源全面開發(fā)以及電力市場日益發(fā)展和完善，對高品質(zhì)電能質(zhì)量和電網(wǎng)運行的靈活性和可靠性要求進一步提高，開展對輕型直流輸電技術(shù)的深入研究有著積極作用和深遠的意義。隨著國家新能源政策的貫徹和執(zhí)行，地區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的穩(wěn)步實施與不斷完善，輕型直流輸電技術(shù)必將在我國擁有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。