柔性直流輸電

　　與基于自然換相技術(shù)的電流源型換流器的傳統(tǒng)直流輸電不同，柔性直流輸電(VSC-HVDC)是一種以電壓源換流器(VSC)、可控關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制(PWM技術(shù))為基礎(chǔ)的新型直流輸電技術(shù)。這種輸電技術(shù)能夠瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的獨(dú)立解耦控制、能向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、換流站間無(wú)需通訊、且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。另外，該輸電技術(shù)能同時(shí)向系統(tǒng)提供有功功率和無(wú)功功率的緊急支援，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力等方面具有優(yōu)勢(shì)。下面詳細(xì)介紹柔性直流輸電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其基本工作原理。

　　如下圖所示為柔性直流輸電系統(tǒng)單線原理圖，兩端的換流站均采用VSC結(jié)構(gòu)，它由換流站、換流變壓器、換向電抗器、交流濾波器、直流電容器等部分組成。

圖示：柔性直流輸電系統(tǒng)原理示意圖

　　1、 換流變壓器：換流變壓器為電壓源換流器提供合適的工作電壓，保證電壓源換流器輸出最大的有功功率和無(wú)功功率。

　　2、交流濾波器：因換流器輸出的交流電壓中可能會(huì)有一定量的高次諧波，通常應(yīng)在換流母線處安裝適當(dāng)數(shù)量的交流濾波器，由于需要濾除的都是高次諧波，所以其體積和容量都較小，這也是柔性直流輸電系統(tǒng)的一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　3、 換向電抗器：是交流系統(tǒng)和電壓源換流器之間進(jìn)行功率傳輸?shù)募~帶，它在很大程度上決定了換流器的功率輸送能力以及有功功率與無(wú)功功率的控制，同時(shí)也起到濾波的作用。

　　4、 電壓源換流器VSC：VSC的使用是柔性直流輸電區(qū)別于常規(guī)直流輸電的關(guān)鍵部分，在橋臂中用可控電力電子管（IGBT、IGCT）取代了以往的晶閘管，使整個(gè)變流系統(tǒng)更加可控。

　　5、直流電容器：電壓源換流器直流側(cè)儲(chǔ)能元件，為換流器提供直流電壓；同時(shí)可緩沖系統(tǒng)故障時(shí)引起的直流側(cè)電壓波動(dòng)，減少直流側(cè)電壓紋波并為受端站提供直流電壓支撐。

　　與基于晶閘管的傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)不同，柔性直流輸電采用電壓源型換流器VSC和PWM技術(shù)，其基本工作原理如下圖所示。由調(diào)制波與三角載波比較產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，使VSC上下橋臂的開關(guān)管高頻開通和關(guān)斷，則橋臂中點(diǎn)電壓uc在兩個(gè)固定電壓+Ud和-Ud之間快速切換，uc再經(jīng)過(guò)電抗器濾波后則為網(wǎng)側(cè)的交流電壓us。

圖示：VSC單相示意圖

圖示：VSC正弦脈寬調(diào)制原理及輸出波形

　　進(jìn)一步分析，在假設(shè)換流電抗器無(wú)損耗且忽略諧波分量時(shí)，換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無(wú)功功率Q分別為：

　　…………(1)

　　…………(2)

　　式中：UC為換流器輸出電壓的基波分量；US為交流母線電壓基波分量；δ為UC和US之間的相角差；X1為換流電抗器的電抗。

　　圖示：VSC HVDC換流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基波向量圖

　　由式1、式2可以得到上圖所示的換流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基波相量圖。由圖可知，有功功率的傳輸主要取決于δ，無(wú)功功率的傳輸主要取決于UC。因此通過(guò)對(duì)δ的控制就可以控制直流電流的方向及輸送有功功率的大小，通過(guò)控制UC就可以控制VSC發(fā)出或者吸收的無(wú)功功率。從系統(tǒng)角度來(lái)看，VSC可以看成是一個(gè)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，幾乎可以瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。

　　1. 正常運(yùn)行時(shí)，VSC HVDC可以同時(shí)而且獨(dú)立地控制有功功率和無(wú)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(dú)控制有功功率或無(wú)功功率。此外，VSC HVDC不僅不需要交流側(cè)提供無(wú)功功率而且能夠起到STATCOM的作用，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線電壓。這意味著故障時(shí)，如果VSC HVDC容量允許，那么系統(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(wú)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(wú)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(wú)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(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電成為可能。

　　3. 潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，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(gè)特點(diǎn)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(shí)潮流控制不便、串聯(lián)連接時(shí)又影響可靠性的缺點(diǎn)。

　　4. 由于VSC HVDC交流側(cè)電流可以被控制，所以不會(huì)增加系統(tǒng)的短路功率。這意味著增加新的VSC HVDC線路后，交流系統(tǒng)的保護(hù)整定基本不需改變。

　　5. 模塊化設(shè)計(jì)使VSC的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大大縮短。同時(shí)，VSC HVDC采用PWM技術(shù)，開關(guān)頻率相對(duì)較高，經(jīng)過(guò)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(jiǎn)化了換流站的結(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約同容量下傳統(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)，可以使輸送容量提高約50%。

　　6. 換流站間的通訊不是必需的，每個(gè)站可以獨(dú)立控制，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。而且VSC HVDC在電網(wǎng)故障后快速恢復(fù)控制能力良好。