（电力系统及其自动化专业论文）轻型直流输电在城市电网中的应用研究.pdf

华北电力大学硕学位论文 摘要 随着城市负荷持续快速增长和对供电安全可靠要求的不断提高，使得向城市供 绘大量优璜可靠毫能蔼糕蓍越来越大的困难鞠挑战。然而照着大功率全控型电压源 换流器( v s c ) 和高压交联聚乙烯电缆( x l p e ) 的出现，研究高压直流输电，特别是 轻型直流输电向城市供电具有重要意义。本论文首先论证了轻型直流输电在我国城 市电嬲中应用的可行性，其次剩孀a h p 和t o p s i s 法对轻型直流输电在城市电网巾 的应用进行综合评估与比较，算例结果表明该评估方法的客观有效性，最后利用 p s s 愿仿真分析轻型直流输电在改善系统暂态稳定性、抑捌系统低频振荡以及为系 统提供无功电压支撑改善电压稳定性等方面对城市电网的作用，为以后轻型直流输 电在城市电网中的实际应用提供了良好的参考价值。 关键词：城市电网，轻型直流输电，层次分析法，理想近似法 a 懿s 零r a c t w i t hc o n t i n u o u s l ya n dr a p i d l yi n c r e a s i n go fe i t yl o a da n dm u c hh i g h e rr e q u e s tf o r s e c u r i 够a n dr e l i a b i l i t yo fc i 锣p o w e rs y s t e m ，t h ee i t yp o w e rs y s t e ms u p p l y i n gl a r g e a m o u n to fh i g hq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yp o w e rt ot h ec i t yi sc o n f r o n t e dw i t hm o r ea n d m o r eg r e a td i f f i c u l t ya n dc h a l l e n g e 。h o w e v e r , a st h ea p p e a r a n c ea n da p p l i c a t i o no ft h e v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ( v s c ) w i t hh i g h p o w e ra n df u l l yc o n t r o l l e dc h a r a c t e r i s t i ca n d t h eh i g hv o l t a g ec r o s s l i n k e dp o l y e t h y l e n ee x t r u d e d ( x l p e ) c a b l e ，i ti sm o r ei m p o r t a n t t h a tw es t u d yo nt h eh i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ( h v d c ) ，e s p e c i a l l yt h eh v d cl i g h t s u p p l y i n gp o w e rt ot h ee i t y t h i st h e s i sf i r s td e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h eh v d c l i g h ta p p l i e dt oe i t yp o w e rs y s t e mi no u rc o u u t r y , t h e nm a k e su s eo ft h ea h pa n d t o p s i sm e t h o dt os y n t h e t i c a l l ye v a l u a t ea n dc o m p a r et h eh v d cl i g h ta p p l i e dt oe i t y p o w e rs y s t e m ，a n dg i v e st h ee x a m p l et op r o v et h ea v a i l a b i l i t yo ft h i se v a l u a t em e t h o df o r t h eh v d cl i g h ta p p l i e dt oc i t yp o w e rs y s t e m ，f i n a l l ym a k e su s eo fp s s et os i m u l a t e a n da n a l y z e ，i ti sp r o v e dt h a tt h eh v d cl i g h th a sg r e a ti m p a c to nt h ee i t yp o w e rs y s t e m t oi m p r o v es y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t y , r e s t r a i ns y s t e ml o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o na n d p r o v i d et h er e a c t i v ev o l t a g es u p p o r t i n ge f f e c ti no r d e rt oi m p r o v es y s t e mv o l t a g e s t a b i l i t y , w h i c hg i v e sv e r yg o o dr e f e r e n c ev a l u ef o rt h eh v d cl i g h tu s e di nt h ec i t y s y s t e mi nt h ef u t u r e y a nj i n g x i n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i z a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n h u a k e yw o r d s ：e i t yp o w e rs y s t e m ，h v d cl i g h t ，a h p , t o p s i s 华北电力大学硕士学位论文 声明户明 本入郑重声明：诧楚掰提交的硕士学位论文轻型壹流输电在城市电网中的应 用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文巾 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了暖确的说雳并表示7 谢意。 学位论文作者签名：i 玺量篮霸 关于学位论文使用授权的说明 本入完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阕；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 华北电力大学 旗士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 城市电网是城市范围内为城市供电的各级电压电网的总称，它包括送电网、高 鹾配电网、中压配电网和低压配电网，连同为其提供电源的变电所和网内的发电厂。 酲前每个城市的供电企业，其运营范围通常是包括该城市范围内的各级配电网和向 配电网提供电源的输电网，所以经常也统称为供电系统和供电网。城市电网是电力 系统的重要组成部分，又是其主要负荷孛心，具有用嗽量大、负荷密度赢、安全珂 靠和供电质量要求高等特点。城市电网还是城市现代化建设的重要基础设施之一。 为此，城市电网的各项建设和改造项目必须与城市发展规划摆嚣配合，同步实施， 并与环境协调【l 】。 随蓿城市化进程的不断推进和社会经济的高速发展，城市负荷不仅持续快速增 长，并且对供电可靠性以及电能质量的要求越来越高，因此，肉城市受薇中心供绘 大量优质可靠电能将面临越来越大的闲难和挑战。第一，随着城市发展建设的日趋 成熟，从环境保护以及土地资源的限制考虑，不仅制约了大容量电源的建设，而且 造成向城市供电的线路走廊越来越拥挤，甚至出现缺少必要线路走廊的供电瓶颈； 第二，由于增加城市供电能力的投资成本越来越高，人们对于健康和居往环境的要 求增高，因此需要采取合逶的供电方式以节约资金、减少电网建设运行对城市屠住 环境的影响；第三，随着城市供电容量的增加，系统的短路电流增大，这对于开关 设备以及其他网络元件豹安全运行选残极大的威胁：还青，城市负荷对予供电可靠 性以及电能质量的要求越来越高，这就需要向城市负荷中心供电应该满足运行灵 活、可控性高的要求，以满足各种运行情况的需求。 近年来，国际上曾发生过多起城市电网停电事故，如1 9 8 7 年法国泡送崩溃搴 敞、1 9 9 6 年美国话部系统停电事故，2 0 0 3 年美国纽约和加拿大东部、伦敦、意大 剩等电网相继停电事蔽等，其中许多事故都是基l 于局郝故障积运行方式变化后继邀 保护和自动装置动作不正确而引发的电压崩溃，导敛大面积停电事故，造成了巨大 的经济损失和社会影响。借鉴国内外发生的电网安全事故的经验教训，高度重视和 防范由予负荷中心电源支撑弱、无功电压支撑能力不足等导致的事故范嘲扩大，甚 至电压崩溃等系统安全和稳定问题，具有重要的社会和经济意义。 随蔫电力半导体技术，尤其是绝缘撩双檄晶体管( m b t ) 的快速发展，在h v d c 中采用以全控型器件为基础的电压源换流器( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r , v s c ) 的条件 华北电力大学硕t 学位论文 已经具备。1 9 9 0 年，m e g i l l 大学的b o o n t e e ko o i 等蓠先提出了利用p w m 控制的 v s c 进行直流输电的概念。在此基础上，a b b 公司把v s c 与i g b t 相结合，提出 了轻型高压直流输电( h v d cl i g h t ) 的概念。由于轻型赢流输电电缆采用挤压聚合体 电缆，同样的输电走廊壹流输电的输电能力楚交流的l 。5 倍，焉且可以利用现有可 行的输电走廊进行地下铺设，以减少电磁辐射影响并达到美观的效果；换流站采用 模块化紧凑型设诗，便于安装移动以及节约紧缺的土地资源；控制采用灵活快速的 控制方式，可以实现有功无功大小方向的独立控制，不增加系统的短路容量，维持 甄联的交流系统电压和频率的稳定，在故障恢复过程中为负荷快速恢复提供支援。 因此，我们可以考虑把轻型直流输电弓l 入用电密集的城市电网，利用它的快速 可控性等特点，解决城市供电中存在的供电困难、成本高以及潮流难以控制等问题， 维持城市电网酶安全可靠经济运行。本论文主要针对轻型直滚输电在我匿城市电溺 应用的可行性、综合评估与比较以及对城市电网交流系统影响等问题进行研究，为 以后轻型矗流输电在城市电网的实际应用提供一定的参考价值。 1 2 国内外研究动态 城市电网发展已经进入新的发展时期，这既是新的机遇又是新的挑战。加快城 市电网发展和保证安全可靠供电是近期紧迫的任务，也是一项长期而艰巨的任务。 毯前城市电网的供电方式依然采用高压交流供电，特别是大城市或者中小城市中心 区域采用地下电缆供电，高压交流电缆供电在一定程度上解决了城市供电中架空线 走廊缺乏、电力设施与城市景观不黧谐等闷题，但依然受到供电距离、无功消耗较 大等问题的限制。人们曾经尝试将高压直流引入城市电网中来向大城市等负荷集中 地区供电，而且提出了一些供电方案，例如：1 9 4 0 年桷林未完成的高压盥漉试验忑 程，1 9 6 0 年伦敦市区的高压直流供电工程和1 9 7 0 年的美国芝加哥高压直流供电方 案研究等【2 】。然而，通过对这几个城市直流供电方案的研究，表明换流站费用太高， 郎使考虑包挺快速控制有功帮不增加短路电流等高压矗流技术弱有特点，电缆部分 节省的赞用也不足以抵偿换流站所增加的高额投资费用。 但是，到2 0 世纪9 0 年代，蘧蓍大功率全控型器件组成的电趣源换流器( v s c ) 、 高压交联聚乙烯( x l p e ) 电缆的出现以及换流站造价的降低，使得重新研究高鹱直 流输电，特别是轻型直流输电向大城市供电成为可能。由于轻型直流输电中利用电 压源换流器v s c 的自换向特性其奇诸多优点，使它受刹广泛的关注。 目前国内外针对轻型直流输电的研究较多，在国外，许多公司如a b b ，s i e m e n s m i t s u b l i s h i 等都将它纳入了公司的重点研究谤翔中，许多学者也对它展开了研究。 在国内，t 我国电力科技工作者一直关注h v d cl i g h t 技术的发展，并开展了一些初 2 华北电力大学硕士学位论文 步昀研究工作【3 7 】。由予罄内轻型h v d c 技术研究比较晚，蠢翦还属于起步阶段。 虽然在实际的工程串露有多个轻型蛊流输宅琵投入泰韭运行，僵基本土都是用于与 风魄场亘联、交流系统的互联等，直接在城市电网巾的应用还没肖。而且这些文献 基搴上都是讨论轻型蠢滚输毫翡特点【8 1 4 】鞫模型戮及控镪策媾【1 5 一l 寒l ，讨论在城 市电网中应用的有关问题研究不多。 文献 1 9 1 1 2 0 1 1 2 1 扶轻型壹流输毫斡优点拳发，定矬遗讨论了较型奁流输电在城 市电网运用的可行性，健对予轻型直流输奄在城市电网巾应褥的可行往闯题研究不 够充分，缺芝从经济性方薅的定量分橱。文献【2 2 】【2 3 l 【2 4 磷墨利用经济手段对比分析 了轻型盍流输毫萼其它手段措施对城市电鬻嚣某一方覆影秀进行了藿诧分析，文献 【2 2 仅从控制改善潮流方面将轻型直流输电与利用f a c t s 装鼗的投资进行了对比分 橱，文献【2 3 】仅扶减小短路电流方谣将轻塑奁流输毫与穰震羧流装置戆投资进簿了 对比分析，而文献【2 4 】从设备投资方面将轻塑蛊流输电与交流输电进行了对比分析。 这些对手轻型直流输电的量化分辑不够全蕊，不足馘体现轻型壹滚输电的真正优势 所在。文献f 2 5 】【2 翻【2 7 】【2 s 】【2 9 】【3 翻分析了轻型壹滚输毫在改善电麓矮鬟、提供无功 支持以及对系统稳定性的影响进褥了仿真分析，文献【2 5 】介缨了轻型赢流输电在改 善耄压矮量方面辫采取麓控铡臻施，文献 2 键介绥了轻型直流输毫在耄力市场条律 下提供辅助服务方面的作用，文献f 2 7 】【2 8 】 2 9 】【3 0 】分析了轻型直流输电在低频振荡、 功热稳定、次尾步振荡方赫赫俸甓，健它们并没蠢深入分析这瓣影响的原因，没有 得瓣一些结论性瓣控铡规律。 因此有必要对轻型直流输电在城市电网中的应用从全方筒进行深入细致的可 行缝分辑，对轻型壹流输邀在城市邀爨中魏应用进行谔镳与魄较，然瑟再对轻型壹 流输电对交流系统影响等问题进行研究，为轻型直流输电在城市电网的应用提供 定豹参考价值。 1 3 本文主要工作 本课题的研究内容主要包括： l 。轻型直流输电在城市趣瞬巾越耀懿碍行牲分椭 l ，献壹流输逛的发震过程出发，对院嚣种换流器v s c 藕c c s 的主要特性，滔 述总结轻型巍流输电的基本原理和主要特点，对轻型蹇流输电进行全方短的概述； 翁分析霹嚣翔城市供电露竣采爱靛三静供逝矗式：交流邀缆供电( h v a c ) 、 传统高雎或流供电( h v d cc s c ) 和轻型直流供电方式( h v d cl i g h t ) 的优缺点， 并扶赞输容量、璐搴撰耗、无功补偿、短路容量靼对原有系统熬影响等方蜒对这三 种供电方式进行了对沈分析； 3 华北电力大学硕d = 学位论文 3 ，总结城市电网目前存在供电能力不是、供电可靠性差、短路电流过大和电 噩支撑较弱等方面的问题，分析未来城市电网发展过程中面临建设难度增大、电力 供应要求增高等新挑战，再加上未来新能源接入系统和电力市场化改革的冲击，研 究轻型直流输电是否可以勰决西前城市电霹存在的问题，并满足未来城市电霹发展 的要求，充分论证轻型直流输电在我国城市电网中应用的可行性。 2 轻型壹流输电在城市电嬲中斑耀的综合评估与比较 1 ) 介绍a h p 和t o p s i s 评估方法的基本原理以及优缺点，然后综合应用这两 种评估方法用于城市电网供电方式的评估，即运用a h p 法确定评价指标的权重， 运用t o p s i s 法进行评价指标值的规范仡和评价值豹排序； 2 ) 提出应用a h p 和t o p s i s 综合评估方法对城市电网供电方式进行综合评估 麓评 砉指标，却经济性、可实施性以及对系统的支持效益三个评馋准则黧建设投资、 节约线路迮廊等十一个评估指标，并介绍利用该方法进行综合评估的具体步骤和流 程，从而完成轻型直流输电在城市电网应用的综合评馈与比较； 3 ) 在计算评估指标属性值的基础上，借助工具软件m a t l a b 编程，结合实例详 细分析了综合评估的步骤和计算过程，得出轻型直流输电是最佳的供电方式，最后 对评嵇结果进行了综合分析。算例结果表明，该方法麓够很磐的考虑各种必要的定 性和定景因素，体现专家的决策意图，选择结果客观全面，对于工程实践具有良好 豹指导性。 3 研究轻型赢流输电对城市电网的影响 1 ) 详细介绍仿真软件p s s e 及p s s e 中的轻型直流输电模型； 2 ) 应焉p s s e 软件进行时域仿真，分辑轻型壹流输电在改善系统骜态稳定性、 抑制系统低频振荡以及为系统提供无功电压支撑改善电压稳定性等方面对城市电 网的作用，为以蘑轻型直流输电在城带电网巾麴实际应用提供了良荮的参考价值。 4 华j 艺电为大学硬二t 学位论文 第二章轻型壹流输电在城市电网中应用的可行性 2 1 轻型直流输电概述 2 1 1 奁流输电技术的发震过程 3 1 3 2 】 虽然掰史上第一个实用静电力系统采焉鲞流输电，但由于在电力王业发震初 魏，壹流输电与交流输电耦比存在禳多劣势，翔灵活变孤麓力莲、电压低、损耗大、 联网能力差、供电范弱小、输电和用电设备复杂、维护基大和成本高等，导致直流 输电斡发展较慢。在很长一段酵翊蠹，童流输电都处于劣势，焉交流输电发展迅速， 占据了电力工业的主导地位。但是随蓿电力系统的不断发展壮大，电网联系日趋复 杂，交流系统也暴露了一些其固有的特点，特剃是交流远距离输电受到同步运行稳 定性的限制，直流输电技术蓬新为人们重新重视，麸丽接动直流输电技术的快速发 展。由于电力系统的发输配趣各个环节绝大部分均为交流电，要采用直流输电，就 必须要解决换流阕题，因此，壹流输电技术的发展主要体现在换流器箨豹发震变化 上。根据换流器件的不同可以看出直流输电技术的发展过程。 董。可控汞弧阉换流器 2 0 世纪5 0 年代，可控汞弧阀( m e r c u r ya r ev a l v e ) 换流器的研制成功并投入送 行，为发展商电压、太功率誊流输电开辟了道路。1 9 5 4 年，世界上第一个壤汞弧 鲻换滚器的商监诧矗流输毫系统瑞典犬陵到哥特兰岛( g o t l a n d ) 静盔流输电王 程的成功投入运行，标志蕃h v d c 输电的诞生。2 0 世纪5 0 7 0 年代是h v d c 的泶 弧阕换流器换流时期。在此期闻，世界上共有1 2 顼汞弧溺换流的i - i v d c 王程投入 运行，总容量约为5 0 0 0 m w 。但是由于汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障 攀高、可靠性较差、运行维护不便等麟素，宅禳抉被掰兴的磊匿管阀换漉技术所代 替。到2 0 世纪束鬻，全超雾依然采震汞孤阕换滚的h v d c 工程尚存4 个。 2 晶匝管换流器 童予晶匝誊换流器克服了汞弧阕易发生逆戮、控制复杂、寇动时闻长等缺点， 而且制造、维修和维护也都比汞弧阀方便，因此，随着高压大容量的可掇硅元件组 成的晶匝管换流器的池现，逐渐代替汞弧阀，并将h v d c 输电带入一个掰的发展时 期，弹所谓的晶匝管换流时麓。1 9 7 0 年，瑞典蓄先采用可控硅换流器叠加在原有汞 弧阀换流器上，对斟特兰岛照瀛输电系统进行了扩建增容，增容部分的巍流电压为 5 9 w 、电浚必2 0 0 a 、送电功率隽1 0 m w ，扩建成为1 5 0 k v 、3 0 m w 的壹流输电系 统。1 9 7 2 年投入的加拿大伊尔河非同步联络站( 8 0 k v 、3 2 0 m w ) 是世界上第一个全部 华北电力大学硕士学位论文 采用晶匝管换流器的奁流输电工程。1 9 7 6 年以霜，邀界上建成豹蜜流输电工程几乎 全部采耀可控硅换流器，苞括爵前世界上容量最大、电压等级最高的巴西i t a i p u h v d c 输电工程( 1 9 8 7 年投运，6 0 0 k v ，6 3 0 0 m w ，传输距离约为8 0 0 k i n ) 。晶匝 管换流嚣的应用，使直流输电有了较快的发展。1 9 6 0 1 9 7 5 年闻，直流输电容量的 年平均增长速度仅4 5 0 m w ，而1 9 7 6 1 9 8 0 年间，年平均增长速度达1 5 0 0 m w 。 虽然我国的宣流输电工鞋起步较晚，毽发展异常迅速，从1 9 8 7 年我豳第一个 直流输电工程舟山直流输电工程开始，剜2 0 0 4 年底已有7 项壹流输电工程投 入运行，还有多项直流工程正在实施或计划建设，如三峡懿上海送电的第二个h v p c 王程，薅北华= | 艺h v d cb 2 b 互联酶灵宝工程，强南水电向华南、华中、广东输送 的h v d c 王程等。 3 。新型半导体换流元件构成的换流器 目前，h v d c 巾应用最广泛的仍然是基于晶匝管的换流器，但是随着新型电力 电子器件的出现，特别是碍关断器件的发展，其电压等级不断提高，容燕不断增大， 露且具有高频开关特性，给h v d c 技术注入新翡活力。其中“轻壅壹流输电( h v d c l i g h t ) 被认为是h v d c 发展史上的一次重大技术突破。它一改传统的采用的c s c 的作法，丽是采用i g b t 等可关断器件构成的v s c ，从丽给h v d c 技术带来了诸多 新特点。 1 9 9 7 年，世界上第一个采用i g b t 组成黪电压源型换流器鳇h v d cl i g h t 王鼗 性试验王程在瑞典投入运行，输送功率帮电疆必3 m w 翻生1 0 k v ，输送距离为1 0 k m ， 标志羞直流输电技术开始了瓶的发展。第一个商业化h v d cl i g h ti 程，即瑞典 g o t l a n d 地下电缆送电工程，于1 9 9 9 年投运，甩于连接g o t l a n d 岛上风力发电厂和 v i s b y 市电网，输送功率和电压为5 0 m w 。目前已投运最大容量的h v d cl i g h t 输电 项西是- 3 ：2 0 0 2 年投运的连按康漫狄格和缀约长岛的永下电缆输电工程，输送容量 和电压达3 3 0 m w 鞠1 5 0 k v ，输电距离为4 0 k m 。 总的来说，直流发电稠输电技术在电力工业诞生时经过短暂的辉煌( 1 9 世纪 鼬年代) 后，交流电迅速取代它砥成为占据绝对优势的发电、输电和供电技术；盏 到2 0 世纪中期，随着大容量、高电压汞弧阀换流器，特别是随后的电力电子变换 技术的发展，高篷直流输电技术从新获得重视。由于它在远距离输电的成本霹一些 特殊的环境( 背靠背、地下、海下) 中其有明显的优势而得到应用，从而形成了当前 电力王业中h v a c 输电占圭导地位、毯v d c 输逛作为有益於充的格局。 2 1 2 换流器c s c 和v s c 对比 换滚站是h v d c 输电系统的孩心部分，两换流器是换流滔中最核心的部分，而 且正是由换流器的发展变化来推动直流输电技术发展的。根据直流侧的电压或电流 6 华北电力大学硕士学位论文 极性是诲改变，换滚器可以分为强种基本类鍪：电流源换流器( c s c ) 秘趣压源换 流器( v s c ) 。c s c 的直流侧电流极性不变，功率方向随着直流电压方向的改变而 改变，而v s c 的煎流侧电压极性不变，功率方向随着直流电流方向的改变而改变。 两辩换流器静结构魏匿2 - l 所示： k 图蚤 i 电流源换流器 额定电流 懂宠毫压 四圈垂+ 电压源换流器 闰2 1电流源换流器与电联源换流器的结构图 在2 世纪5 0 - 9 0 年代，h v d c 系统凡乎只耀电流源换流器。葳5 0 年代晕鬻 到7 0 年代中期，传统的电流源换流器都采用汞弧阀；而自此之后，晶瞪管阀作为 h v d c 系统麴基本开关器件。 2 0 世纪9 0 年代以后，方面由于新的太功率自换稽器件( 如g t o 和i g b t ) 的出现，另一方瓤由于数字信号处理器( d s p ) 的强大计算能力使得产生合适的触 发模式成凳可麓，导致电隧源换蕊器在经济上其备了竞争力。 现代h v d c 系统既可以采用传统的电流源换流器作为换流器单元，也可以采用 电歪源换漉器捧魏换滚萃嚣。由于它翻嚣结构秘采焉的换流元件不霹，两种换流嚣 的特性也不一样，其特性对比如表2 。l 所示： 袭2 - 1 掰种换流器的特性比较 换流器类型 电流源换流器( c s c )电雎源换流器( v s c ) 全控型器粹( 翔：g t o 、i g b t 等) 元器件构成半控型器件( 如：晶匝管) 与二极管反并联 1 ) 作为恒定邀滚源 i ) 作为恒定电压源2 ) 需要电感元件作为其储能元 交流系统铡 2 ) 需要电容器作为其储能元件 件 3 ) 需要大型交漉滤波器霞消除谐3 ) 哭需要小型交流滤波器以清 的作用 波 除较高频率的谐波 4 ) 箍要无功补偿以提高功率裂数 4 不需要无功季 i 偿，因为该换流 器髓够在铗何象限运行 ? 华北电力大学硕十学位论文 1 ) 作为恒定电流源1 ) 作为恒定电压源 2 ) 需要电感元件作为其储能元件以维2 1 需要电容元件作为其储能元件 直流系统测 持直流电流恒定3 1 储能电容元件起到直流滤波器的 3 ) 需要直流滤波器以消除谐波 作用，不需要额外滤波装詈 的作用 4 ) 直流侧故障时可通过控制作用来限4 ) 直流侧故障时会产生问题，因为已 制换流器提供的故障电流，劳可遥过采充电的电容器在故障对会囊故障点 用大的平波电抗器来使其减小放电 1 ) 电网自换相或电路( 串联电容 器) 强追换相 1 ) 自换相 2 1 交流线电压或电容器电压起动2 ) 门极驱动 开关方式 3 以电瘸频率开关，帮每周波只3 ) 高频开关，印每周波发多今脉i 孛 发生一个脉冲 4 ) 开关功耗较高 4 ) 开关功耗较低 1 ) 单换流器的容量为0 一5 0 0 m w1 ) 单换流器的容量为0 - - 一，2 0 0 m w 额定值范围 2 ) 电压可到6 0 0 k v 2 ) 电压可到1 5 0 k v 2 1 3 轻型直流输电的基本原理 轻型直流输电技术是2 q 世纪购年代牙始发展的一种薪型赢渡输电技术，核心 是采用以全控型器件( 如g t o 和i g b t 等) 组成的电压源换流器( v s c ) 进行换流。 这种换流器功能强、体积小，可减少换流站的设备、简化换流站的结构，故称之为 轻型直流输电，其系统原理如图2 2 所示。轻型直流输电技术是在大功率全控塑器 件组成的电压源换流器( v s c ) 和用于高压直流输电的交联聚乙烯( x l p e ) 电缆出现 之后，采用脉宽调制( p w m ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制技术两发展起来的。 _ j 一碎一釜 j 叫j 一j 1 铲：书，1 0 嚣一 虬 ， ， 李 - l 碎叫好= m卒叫(卞叫 一(i 卒一(h ( 图2 2 轻型直流输电原理图 轻裂直流输电由于采用全控型器件组成电压源换流器，可以随意开通和关断， 这样可以使得v s c 在一个周波内可以换相多次，再利雕p w m 来控制阀的触发来调 制v s c 输出的电压和电流以获得近似正弦波的输出，并同时控制功率因数。p w m 8 华= | 匕电力大学硕+ 学位论文 技术的疲用使褥瞬时地改变交流输出电压的相位与幅值成为可畿，从丽能实现有功 与无功的单独霸逐逮调节。采用脉宽调制( p w m ) 技术鹃v s c 具有两个控制变量： 调制比嬲( 即v s c 输出电压的基频摆电压幅傻与直流电压的比值) _ 翻相对于v s c 交流母线电压驴。的移相角度艿，其输嬲交流母线电聪的基波分量为： 6 。：笔竖屹么t 一艿+ ( 2 1 ) 0 2 式巾：勘v s c 矗漉侧电压 与p w m 方式相关的直流电压利用率 最交流母线电压u ，的楣角 迸一步分析可知，在假设换流电抗器无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流 电阚之溺传输靛有功功率尹及无功凑率q 分粼为： ，r ， p = 盟s i n 艿 ( 2 2 ) 爿 q ：缕坠喇 ( 2 3 ) 。 蔗 式中：以v s c 输出电压的基波分量 以交流母线电噩的基波分量 万讥和配之间的糯角差 x i 换流电抗器电挽 壶式 0q 0 图2 3 换流器稳态运行时的基波相量图 2 1 4 轻墼直流输电的特点 由于轻型直流输电采用的是全控型的换流器件，与采用半控趔换流器件的传统 的h v d c 相比，轻型直流具有以下技术特点3 。1 4 】： ( 1 ) 轻型直流输电的自换向功麓，可以工作在无源逆变方式，实现向弱交流 网络甚至无源髓络送电： ( 2 ) 轻型童流输电的鸯功和无功在四令象限运行，它的控制量是p w m 的楣 位和调制比，可以网时且相豆独立控制有功和无功功率，控制更加灵活方便； ( 3 ) 轻型直流输电系统潮流翻转时直流电流方向反向，丽直流电压极性保持 不变，该特点有利于构成较高可靠性的并联多端直流统； ( 4 ) 轻型盔流输毫可以不仪不需要交流侧提供无功功率，丽越栽够起到 s t a t c o m ( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 的作用，动态补偿交流母线无功功率， 稳定交流母线电堰； ( 5 ) 轻型轰漉输电盼交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路容量， 这意味着增加新的轻型直流输电线路后，交流系统的保护整定值以及断路器无需更 换。 ( 6 ) 轻型壹流输电通常采用p w m 掇制技术，开关频率较高，可以提高输逝 波形质蹙，减少滤波设备； ( 7 ) 轻型燕流输电设蠡采耀标准模块化设计，继构紧凑、占地瑟积小。更符合 环保和“绿色电力一的需要。 ( 8 ) 轻型壹流输电的一个固有特征是能够提高系统阻尼，因此它不但不会弓l 起发电机组的次同步振荡，而且还会提高发电机组的次阔步振荡阻尼。 2 2 城市电网供电方式分析 随着我困经济豹迅速发展，电力需求嚣益增加，特别是随着城市经济的持续发 展和市民生活水平的不断提高，我国些大城市的市区负荷密度和入均用电量增长 l o 华北电力大学硕叶：学位论义 茏为迅速，城市电阚承受的负荷压力越来越大，已接近其功率传输极限；另一方髭， 由于主力电厂多数分布在城市外围，高压架空线引入市区会对环境产生严重的影 响，与城市建设、公共福利事业及旅游业的矛盾日益突出；再加上城市土地资源的 限铡，跨越电气纯铁路、高速公路和立交轿的难度越来越大，使得薪增絮空线输电 走廊的安装和补偿等投资费用越来越高，甚至出现缺少线路走廊的尴尬境地。因此， 未来在市区内采用架空输电线路的可麓性越来越小，妊须通过地下离题、超高压输 电线路向市中心高负荷密度地区实施送电，地下输、交、配电工程的建设将逐渐成 为今后城市电网发展的一个重点。 目前向城市供电可戬采用的地下供电方式有三种：交流电缆供电( h v a c ) 、传 统高压直流供电( h v d cc s c ) 和轻型直流供电方式( h v d cl i g h t ) ，分别介绍如 - f ： 2 2 1 交流电缆供电( h v a c ) 目前向城市供电的地下供电方式大多采用高压交流电缆供电，主要设备包括交 流连接网络、变电站、h v a c 电缆和无功补偿装置。 为提高城市电两的供电可靠性，根据电缆产螽的发展潮流帮国外的运行经验， 一般采用固体介质电缆，特别是交联聚乙烯( 简称x l p e ) 电缆。目前，2 3 0k v 及以 下电压等级翡x l p e 电缆愁在英、法、基等发达国家得到广泛使用，显示了优良的 技术、经济性能，如损耗小、容性充电电流小、载流量大、重量轻、安装简便、维 护量小以及耐火、易加装外冷装置等【3 3 】。 然而，在相同的电压等级下，交流电缆的充电电流比架空线高的多，较高的容 性充电电流限制了电缆的最大传输距离和传输容量，而且交流电缆产生的容性无功 功率箍着电压等级弱电缆长度的增加焉增加。因毙，必了增大交流电缆的最大传输 距离和传输容量必须在电缆的两端进行无功补偿。 另一方面，由于电磁感应和互感的作用，使得交流电缆的集肤效应对电缆的电 阻影响很大，造成包括导体损耗、金属套损耗、磁滞损耗和电介质损耗在内的电缆 损耗明显增大，而且由于窑性电流的存在大大降低了电缆的载流能力。 2 2 2 传统高压直流供电( h v d cc s c ) 麸1 9 5 4 年连接哥特兰麓与瑞典大陆之闻的世赛上第一条h v d c 输电线路建成 至今，高压直流输电的换流元件经历了从汞弧阀、晶闸管半控元件阀和g t o 、i g b t 等全控元件阀的变革。目前广泛应用的基于晶闸管的电流源换流器型直流输电技术 ( h v d cc s c ) ，由于晶阑管阕关断不可控，因此需要依靠电网交流线电压或电路的 电容器电压来完成换相。传统高压崴流供电( h v d cc s c ) 的主要元件【3 4 】包括： l l 华北电力大学硕士学位论文 换流器：主要竞成交流直流和壹流，交流的变换，鑫基于罴阐管元绺豹阙撬朝 带负载调节分接头的变压器组成。 平波电抗器：在电流源换流站中，对应每相分别安装一个嵩达1 o h 电感的大 鍪电抗器，主要鬻来减枣塞流线路蕊谐波电压和电流、防止遂变器的换囊失黢、防 止轻载时电流不连续和限制直流线路短路时整流器的峰值电流。 滤波器：交流餐l 秘直流铡都需要安装滤波器。交流滤波器不毽瘸亲吸收换流阑 产生的谐波电流以减少对交流系统的谐波污染，而且还为换流器提供所需的部分无 功功率；直流滤波器用来滤除直流侧的谐波电压以改善直流电雁质量。 无功功率电源：提供抉流器所需趋无功功率激维持无功功率平衡。 直流电缆：构成回路进行有功功率传送。 黄统高压壹流供电h v d cc s c ) 势主要缺点霆容舅造成换耦失效、产生大量 的低次谐波和吸收大量的无功功率。 2 2 。3 轻型童流供电方式( h v d cl i g h t ) 与基于自然换相技术的传统直流输电( 1 重v d cc s c ) 不同，h v d cl i g h t 是一 种潋电压源换流器、可控关断器件帮脉宽调制p w 酝技术，蔻基础的耨型巍流输电技 术。这种输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、熊向无源网络供电、 换流站翘秃需通讯、且易予擒藏多端壹流系统。另外，该输毫技术巍同对彝系统提 供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优 势。轻型直流供电( h v d cl i g h t ) 的主要元件f 3 5 】包括： 按流器：主要宠成交流直流昶直流，交流觞变换，由基于g t o 、i g b t 等全控嚣 件的阀桥和带负载调节分接头的变压器组成。换流变服器的主要作用是通过调节分 接头亲调节二次骥瓣基准电送，透聪获得最大懿有功和无功输送韪秀。换流交莲器 的另一个重要作用是将系统交流电压变换到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧 电压，以确保开关调制度不至于过小，以减小输出电题_ 和电流的谐波量，进两可以 减小交流滤波装嚣翡容量。 换流电抗器：在电压源换流站中，对应缚相分别安装一个换流电抗器。它魁 奄压源换流菇豹一个关蕤部分，是v s c 与交流系统之阕传籍功率靛纽带，决定换流 器的功率输送能力、有功功率与无功功率的擦制；同时，换流电抗器能抑制换流器 输窦的电流和电擐中豹开关频率谐波量，以获褥期望的基波电流秘基波电压。另外， 换流电抗器还能抑翩短路电流。 直流侧电容器：直流侧电容是v s c 的直流侧储能元件，它w 以缓冲桥臂开断的 冲击电流、减，j 、赢流铡的电疆谐波，并秀受端菇提供电压支撑。同簿，虞流铡电容 的大小决定其抑制直流电压波动的能力，也影响控制器的响应性能。 华北电力大学硕士学位论文 交流滤波器；与基于晶阐管的传统直流输电系统不同，电服源型直流输电系统 采用p w m 技术。因此，换流站在较高的开关频率下，其输出的交流电眶和电流中 含有的低次谐波很少，又由于换流电抗器对输出电流具有滤波作用，使得电流的谐 波能较容易符合标准。然丽，在没有任何滤波装置的情况下，输出的交流电压中还 含有一定量的高次谐波，且其总的谐波畸变率并不能达到相关的谐波标准。因此， 通常要在换流母线处安装适当数量的交流滤波器( 接地或不接遗) 。 直流电缆：构成回路进行有功功率传送。由a b b 公司研制的输电电缆是采用 新型的三层聚合材料挤压的单极性电缆，它由导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三 层同时挤压成绝缘层；中闻导体一般为铝材单芯导体，它不同予传统纸或者油绝缘 电缆，这种新型电缆具有高强度、环保和方便掩埋等特点，适合用于深海等恶劣环 境。另外，这种薪型电缆重量轻、传输功率密度大，对于一对9 5 m m 2 豹翳电缆在盔 流电压为1 0 0 k v 时能够传输3 0 m w 的功率，其重量为l k g m ，绝缘厚度为5 5 m m ， 可以方便地掩埋入地中。 轻型直流供电( h v d cl i g h t ) 的主要缺点是造价高和换流器损耗大。 2 2 4 三种供电方式的对比 1 高压交流电缆供电( h v a c ) 和高压直流电缆供电的对比 1 ) 传输容量 由于直流电缆具有较高的载流能力( 与交流电缆相比没有集肤效应) 和工作电压 所以与等截面的交流电缆棚比，壹流电缆具有较高的传输能力。 对于相同导体和等截面的交壹流电缆来说，传输容量的关系如下所示： 垒；幺盘廷 ( 2 4 ) s 。l 。4 3 式中： 毛一相同交直流电缆导体特性下直流电缆和交流电缆载流能力的比值，一般取 1 1 毛 1 4 ； 圪，吃，气一依次为直流电缆传输容量、单极对地电压和直流电流； ，吃，气一蔽次为交流电缆传输容量、线电攫和稠电流； 对予耐压水平，交流电缆的绝缘由最大运行电压和冲击过电压决定，而直流电 缆的容许工作电联是交流电缆电压的3 - 5 倍，保守估计假设直流电缆的耐压水平与 交流电缆的峰值电匿裙等，霹 吃= 华 ( 2 - 5 ) j 代入上式得： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 p 华气兢1 一 d， 靠一 一 盈= _ 世一拦2 后，= 1 4 1 4 k , ( 2 - 6 ) s 。l 。, 3 l 也就是说在交童流电缆载流量籀同的条件下，直流电缆熬载流能力是交流电缆 的1 4 l 倍。 又由子直流电缆具有较商的载流能力( 一般是交流电缆的1 1 1 4 倍) ，所以 直流电缆的传输容量的是交流电缆的1 5 2 0 倍。 因此，输送相同的功率直流电缆所用线材仅为交流输电的2 3 - 1 2 ，这样可以 大大降低电力工程造价。 2 ) 功率损耗 在电缆供电线路中，直流电缆没有电容电流产生，恧交流电缆存在较大的电容 电流，引起较大的功率损耗。在导线截面相同、输送有功功率相同的条件下，查流 电缆线路的功率损耗约为交流电缆的2 3 。根据国外对超高压交流和直流线路进行 电晕测试结果表明：在交流与直流导线的表谣电位梯度相同的条件下，双极直流线 路的年平均电晕损耗约为交流线路的5 0 - 6 5 。 但是直流供电方式中换流器的损耗远比交流变电站的损耗大得多，特别是基予 电压源的轻型直流输电由于开关的高频切换导致损耗相对较高。 3 ) 无功补偿 直流电缆基本没有电容电流，电蘧分布平稳，不需要并联电抗补偿。 交流电缆线路存在较大的电容电流，会导致在空载、轻载时线路受端以及中部 发生电鹰异常暑离的现象，需要并联电抗器以维持电压恒定。 但换流器在工作时一般需要消耗无功功率，特别是对于传统高压盥流供电方 式，每端换流站所消耗的无功功率约为直流输送功率的4 0 6 0 ，因此需要较大 的无功补偿装置。 4 ) 同步运行稳定性问题 对予交流供电方式，努须维持供端系统和受端系统的同步运行能力，并且需要 采取一系列措施维持系统的安全稳定运行，如强行励磁、送端切除一部分发电机、 快速切除故障和重合闸等费用较少熬措施一般都先得到采用；必要时还需要增设串 联电容补偿、开关站、电气制动或增加输电线路的回路数，采厢这些措施将增加建 设成本。 两塞流供电方式不存在维持供端系统和受端系统瓣同步运行稳定性润题，甚至 可以实现异频连接，实现供端系统和送端系统的各自调频，互不干扰，这也就不需 要采取维持稳定运行的措施，节省了建设成本。 5 ) 短路容量 对予交流供电方式，当供端或受端系统发生短路时，另一侧要向故障一侧输送 1 4 华北电力大学硕士学位论文 短路毫流，增加了两侧系统的短路容量，有时会造成部分原有断路器不糍满足遮断 容量要求两需要更换设备。 两蛊流供电方式中，辕靠直流系统本身的快速控制手段，能迅速、方便地调节 妻流系统功率，直流线路上基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流，不增加 交流系统的断路容量，因此不必更换两侧原有开关及载流设备，大大节省了建设成 本。 研系统可控性 交流系统的潮流分布取决于网络参数、发电视与受蘅的运行方式，需要值班员 进行调度，但又难予控制；并且随着交流互联系统的扩大，增加了调度的难度，导 致系统的可控性更差。为增强交流系统的可控性，目前普遍采用的是加装昂贵的 f a c t s 装置来控制潮流，这就增加了建设成本。 而直流供电方式可阻依靠直流系统本身的控制手段实现芷常运行时潮流的优 偬调节、