基于VSC的柔性直流輸電技術(shù)研究

介紹了基于VSC的柔性直流型輸出電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，并使用ATP-EMTP軟件仿真建立其模型，得出其正常工作時(shí)的諧波及其不同故障情況下的運(yùn)行特點(diǎn)。最后總結(jié)了柔性直流型輸電系統(tǒng)需重點(diǎn)研究的幾個(gè)基礎(chǔ)理論問題及其發(fā)展前景。

1 引言

隨著能源日益緊張和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，目前中國在極力開發(fā)和利用可再生的清潔型能源。由于風(fēng)能、太陽能等可再生能源利用規(guī)模的日益增大，其分散性、小規(guī)模性、離供電中心較遠(yuǎn)等問題，使得采用傳統(tǒng)的交流輸送電力系統(tǒng)或傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)顯得不是很經(jīng)濟(jì)。

相關(guān)電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及控制技術(shù)的突飛猛進(jìn)使得采用直流型輸電力系統(tǒng)即可解決上述問題。采用基于可關(guān)斷型電壓源換流裝置和PWM技術(shù)進(jìn)行直流電輸送，適合應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市區(qū)域電網(wǎng)供電等諸多領(lǐng)域。

根據(jù)實(shí)際情況，特別是西電東送、全國電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)迫在眉睫的情況下，研發(fā)直流型輸電系統(tǒng)，建設(shè)新一代直流型輸電聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將會(huì)促進(jìn)大規(guī)模電網(wǎng)合并，并逐步完善城市供電和孤島供電等技術(shù)。

2 柔性直流輸電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理

與傳統(tǒng)自然換相技術(shù)的直流型輸電系統(tǒng)不同，VSC-HVDC(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current)是一種以電壓源換流器、可控關(guān)斷裝置和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型的直流型輸電技術(shù)。該技術(shù)能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有功率和無功率的獨(dú)立解耦控制，能夠自主地向無源電網(wǎng)供電，極易于構(gòu)成多端直流型電力系統(tǒng)，能極大的增加供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)的輸電能力。下面將介紹VSC- HVDC的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和基本的工作原理。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為柔性直流型輸出電力系統(tǒng)的基本原理框圖，兩端的換流站全部采用VSC基本結(jié)構(gòu)，由換流站、換流變壓設(shè)備、換流電抗設(shè)備、直流電容和交流濾波電路等部分組成。

圖2為在ATP-EMTP中建立模型如下所示：

其中各部分的基本作用如下：

電壓源換流器VSC：電壓源換流器的橋由功率比較大的可控制關(guān)斷電子器件和反并聯(lián)的二極管構(gòu)成。在本論文仿真設(shè)計(jì)中，電壓源換流設(shè)備采用HVDC型模塊，其基本結(jié)構(gòu)為12脈動(dòng)控制整流裝置。

變壓器：變壓器可采用常規(guī)的單相變壓器或者三相變壓器。常見的是采用Y/接法。

換流電抗：換流電抗是VSC與交流電力系統(tǒng)之間的功率傳送的橋梁，它決定換流設(shè)備功率的大小。

直流電容：直流電容是VSC的基本儲(chǔ)能元器件，緩沖橋開斷的沖擊電流的能量，減小直流電壓諧波分量。

交流濾波裝置：改善輸出的交流電壓中高次諧波分量，其容量及參數(shù)的設(shè)定依據(jù)換流器開關(guān)的頻率來選定。

2.2 工作原理

直流型輸電系統(tǒng)可分為端對(duì)端直流型供電系統(tǒng)和多端型直流型系統(tǒng)兩類，目前已成功運(yùn)行的直流型系統(tǒng)基本全是兩端型系統(tǒng)，圖1所示即為兩端型直流系統(tǒng)原理圖。

與傳統(tǒng)的晶閘管直流型供電有所差別，柔性直流型供電采用電壓源型換流電路和PWM技術(shù)，利用IGBT可以在高速的情況下進(jìn)行通斷，可將PWM技術(shù)引入到 VSC的基本模型中。由調(diào)制載波和三角型載波比較，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖，使VSC上端橋和下端橋的高頻開關(guān)開通和關(guān)斷，則橋中端電壓uc在兩端穩(wěn)定電壓+ud和-ud之間進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換，uc再經(jīng)過電抗電路濾波后則轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)一側(cè)的交流輸出電壓US。

VSC的基本控制工作原理公式：

公式中，uc為電流轉(zhuǎn)換器輸出端電壓的基波分量;uS為電網(wǎng)一側(cè)的交流輸出電壓;d為uc和uS的相位差;XT為換流電抗電路的同效電抗。從式中可看出，通過調(diào)控uS，d即可較方便地控制電路輸送的有功功率和無功功率。如果利用PWM技術(shù)，uc同PWM調(diào)制度M成正比關(guān)系，d是PWM調(diào)制波相位差，因此可利用PWM調(diào)制幅度M和PWM調(diào)制波相位差d，在瞬間改變電網(wǎng)一側(cè)交流輸出電壓的相位和幅值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有功率和無功率的單獨(dú)控制。

3 諧波分量分析

柔性直流型輸電系統(tǒng)影響供電電壓的質(zhì)量，其主要的影響因素就是諧波分量。電壓源換流電路在正常工作時(shí)，其直流電壓一端和交流電壓一端會(huì)同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的諧波分量;當(dāng)工作電壓不平衡時(shí)或交流供電系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱的故障時(shí)，直流電壓一端和交流電壓一端會(huì)產(chǎn)生很多非特征要求的諧波分量，這將使電力系統(tǒng)產(chǎn)生大量的過電壓和過電流，最終影響電路和整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行與安全工作。

柔性直流型輸電系統(tǒng)的控制諧波分量的一個(gè)方法是在控制電力系統(tǒng)中采用 PWM技術(shù)。在開關(guān)的頻率要求相對(duì)較高的情況下，換流電路在比較高的開關(guān)頻率下工作，其輸出的交流電壓和交流電流中含有的低次諧波分量比較少，本文使用 12脈動(dòng)換流裝置，同6脈動(dòng)換流裝置相比較12脈動(dòng)換流裝置諧波分量特性有很大的改善，目前換流站大部分只采用12脈動(dòng)換流裝置作基本的換流單元。另一個(gè)方法就是在換流設(shè)備交流電一端裝配換流站交流濾波裝置，用來吸收諧波分量的電流，使流入交流供電系統(tǒng)的諧波電流變小，從而進(jìn)一步的降低了諧波分量電壓。依據(jù)高電壓狀態(tài)直流型輸電系統(tǒng)的模型，利用濾波器的相關(guān)濾波特性進(jìn)行了一定的研究。選取適當(dāng)?shù)臑V波器設(shè)置參數(shù)，得出在ATP-EMTP環(huán)境下整流一端和逆變一端的電壓波形，如圖3和圖4所示：

從圖3和圖4可看出：電流轉(zhuǎn)換站在比較高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，在交流電壓一端和直流電壓一端裝設(shè)相應(yīng)濾波設(shè)備后，其相應(yīng)的輸出電壓含有低次諧波分量很少，較容易達(dá)到諧波分量標(biāo)準(zhǔn)，可基本正常工作。

4 不同狀態(tài)的故障分析

同傳統(tǒng)的直流輸電型輸電系統(tǒng)相比較，柔性直流型輸電系統(tǒng)還有另外一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：連接兩個(gè)獨(dú)立交流系統(tǒng)的柔性直流型輸電系統(tǒng)，一端交流系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)，但并不影響另一端交流系統(tǒng)和換流電路設(shè)備的正常運(yùn)行。

利用ATP-EMTP軟件仿真結(jié)果如下：

由圖5與圖6可看出：如果在一端交流系統(tǒng)出現(xiàn)單相的故障或遠(yuǎn)端出現(xiàn)三相短路故障時(shí)，柔性直流輸電系統(tǒng)仍具備一定的有功功率傳輸能力。因此，在柔性直流型輸電的控制系統(tǒng)中，我們利用合理有效的控制來提高系統(tǒng)在出現(xiàn)故障情況時(shí)不間斷運(yùn)行能力。