柔性输电技术简介

柔性输电技术简介一、柔性交流输电1.1 交流柔性输电的概念交流柔性输电（Flexible Alternative Current Transmission Systems），是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。它是应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原来基本不可控的电网变得可以全面控制，从而大大提高电力系统的灵活性和稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。自己理解：交流柔性输电，之所以称之为柔性（灵活）输电，是因为相对于早期的输电网来说，它更多的应用可控的电力电子元件来控制电网的运行，改善电能质量。因为电力电子元件的可控性而且开关速度快，就使得控制更加灵活，同时在解决电网问题时更具有实时性和易操作性。1.2 交流柔性输电的优势能在较大范围有效地控制潮流；线路的输送能力可增大至接近导线的热极限。备用发电机组容量可从典型的18%减少到15%，甚至更少；电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩大；易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。自己理解：得益于电力电子器件的灵活控制性，以及微处理微电子技术的发展应用，使得在控制电网功率流动方面更加灵活，可以实时有效的进行控制。由可控的电力电子器件组成的补偿装置，可以更加有效的对电路中有功，无功以及谐波进行补偿，使得在线路中的无功损耗减小，减小了线路的热损耗。因为可控的调节，使得线路电能的功率因数接近于1，所以发电机组全部用于发送有功功率，就可以在同等有功要求的条件下，减小发电机组的容量。由于开关器件的快速动作性和实时可控性，就能够有效及时的控制线路故障的扩散。因为电力电子设备组成的补偿装置，可以连续的调节电网阻抗，从而减小电力系统的震荡。1.3 交流柔性输电的主要设备及原理用于输电系统的FACTS装置包括： SVC（静止无功补偿器）、STATCOM（静态同步补偿器）、 TCSC（晶闸管可控串补）、 TSSC（晶闸管开关串联电容器）、UPFC（统一潮流控制器）、TCPST（可控移相器）等。柔性输电装置按其在系统中的联接方式可分为串联型、并联型和综合型。 SVC和STATCOM是并联型； TCSC和TSSC是串联型； UPFC 和TCPST是综合型。其中串联补偿装置，如 TCSC、TSSC等，能使输电线路的阻抗变小，从而相当于缩短了输电线路的长度，因此是提高系统输送容量和增强暂态稳定性的重要手段；而并联补偿装置如STATCOM，通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电压恒定，因此是抑制系统电压波动、闪变、不对称和提高系统稳定性的有力工具；UPFC综合了串、并联补偿的功能，能对线路电压、阻抗和相位进行控制，从而实现控制潮流、阻尼振荡和提高输电能力等多种功能 。各种设备的基本功能：图1 各种设备的基本功能根据上述设备分类，结合图1的描述，可以清楚的理解串联、并联以及串并联设备的基本作用。 自己理解：串联设备就相当于串入了一个可调阻抗（多为容性），可以是有源和无源的，从而进行线路阻抗的调节，如果是有源的话还可以进行电压补偿，同时调节电压的相角，以实现线路无功的补偿。并联设备相当于并入了一个可调的感性或容性阻抗，同时也是有源或无源的，对线路电流的大小和相位进行调节。串并联补偿结合了上述两种的优势。1.可控串联补偿器（TCSC）美国电科院曾经提出在串联电容上并联一组晶闸管控的电阻电感，这种装置以他的名字命名为GNH，这就是可控串补的前期形式。上世纪90年代晶闸管控电抗器式的静止补偿器已经相当成熟，他调节电抗的作用既迅速又精确，用他调节电容电抗，既可以克服次同步谐振的问题，又可以增进系统稳定，提高输电容量。对于可控串补的研究，在90年代有了很大的进展，并且取得较多的实用性的成果。图2为TCSC的等效电路。图2 可控串联补偿器由图2中可以看出，TCSC是在传统的串联电容补偿的同时，在电容两端并联上电感量可以通过晶闸管的导通和关断的感性阻抗。这样做的目的是通过这个并联直路来调节TCSC整体的阻抗，从而起到线路阻抗补偿的作用。可以可控的减小线路的感性阻抗，从而增大线路传输的效率。2.静止无功补偿装置SVCSVC主要由电容器组或者滤波器组与空心电抗器并联构成。空心电抗器与晶闸管串联 通过控制晶闸管的触发角可以控制流过空心电抗器的电流 闸管串联，通过控制晶闸管的触发角可以控制流过空心电抗器的电流。 SVC系统可以被看成是一个动态的无功源，电容器组通过断路器的分合可以投入或者退出，空心电抗器的电流大小通过控制晶闸管的开通角度进行连续调节 两者相结合就可以使系统由提供感性无功到提供容性无功连续变化 调节。两者相结合就可以使系统由提供感性无功到提供容性无功连续变化。由于TCR工作时会产生少量谐波，因此SVC系统内会配置滤波器避免谐波流出系统。图3为SVC的等效电路。图3静态无功补偿装置。静态无功补偿装置是一种典型的并联补偿装置，它通过晶闸管SCR大功率开关器件的有效控制，快速灵活的给输电线路并入感性或容性负载，从而达到对电网电流的补偿。例如容性可以补偿超前90的电流，电感可以补偿滞后90的电流。利用电容和电感的特性，就可以对线路中的电流相位进行补偿，从而达到了功率因数的调节。3.静止无功发生器STATCOMSVG采用可关断电力电子器件（如IGBT）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流。迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。作为有源形补偿装置，不仅可以跟踪冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分，其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成工作中，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，因此，整个装置相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实时高功率因数运行。图4为STATCOM的等效电路。图4静止无功发生器STATCOM称为静止无功发生器(Advanced Static Var Generator，ASVG)其功能与SVC基本相同但是运行范围更宽、调节速度更快。SVC的控制元件为晶闸管。晶闸管是半控型器件，只能在流过其电流过零时关断。 STATCOM是用全控型器件实现的，其控制元件为全控型元件GTO。理想的GTO开关持性为：当它有正向电压且在门极加正向控制电流时，即时开通。在导通状态下同态电阻为零。当在门极加负向控制电流时GTO即时关断。它在关断状态下的电阻为无穷大。显见，GTO与普通晶闸管的关键区别是其关断时刻是由门极控制而并不要求流过其电流过零。SVC是通过调整其中的电感接入系统时间的长短来改变自身的等值电抗，STATCOM则是通过调整其交流输出电压的幅值与相位。图5为他的工作原理图。 图5 STATCOM的工作原理由图中可以看出，该电路可以调节输出电压的幅值和相位，从而起到了对电路电流的幅值和相位灵活可调的目的。4.可控高压电抗器CSR可控电抗器是一种可调节系统无功功率、抑制工频过电压和潜供电流、提高系统稳定性的无功补偿装置，可控高抗能够在最大程度上保持电压的稳定性，保证系统在工频过电压情况下的安全性，而且能够减少系统的网损，对电网的弱阻尼动态稳定也有一定的改善作用，提高了电网的输送能力，同时也是一种调节系统无功的灵活手段。图6为CSR的等效电路。图6可控高压电抗器结合图6可知，通过调节控制绕组输入的直流电流，改变磁路饱和程度,从而改变可控电抗器的电抗值。 从而改变可控电抗器的电抗值。来实现控制其阻抗的目的。5.统一潮流控制器UPSC统一潮流控制器综合许多FACTS装置的灵活控制手段，对线路的三大参数（电压、阻抗、相角）进行统一的控制，以达到潮流控制的目的。控制器可 （电压、阻抗、相角）进行统 的控制，以达到潮流控制的目的。控制器可以平滑地从一种功能状态转换到另一种功能状态，比如从移相器转换到串联补偿。UPFC还具有无功平衡能力。图7为UPSC的等效电路。 图7 统一潮流控制器图8 UPFC等值电路由图7中可以看出，UPFC装置是由两个共用直流侧电容的电压源换流器组成。换流器1通过变压器并联接入系统，换流器2通过变压器串联接入系统。UPFC的等值电路图如图8所示，其中换流器1可等效为并联电流源Iq和Ip，Iq 为注入系统的无功电流，Ip 为注入系统的有功电流，换流器1具有两个作用：一是通过调节Iq来控制接入点的电压，二是通过调节Ip使装置与系统总的有功功率交换量为零，从而维持直流侧电容两端的电压恒定。换流器2向系统提供一个幅值和相角可变的串联电压源Uij以控制线路上通过的有功功率Pj和无功功率Qj。总之，换流器1，2可独立地发出或吸收无功功率，正常运行时不发出或吸收有功功率，直流侧电容起能量储存和功率传输的作用。目前，世界上正式投运的统一潮流控制器仅有美国制造的一台，1998年安装在美国AEP电网的Big sandy到Inez的一条138KV线路的Inez变电站内，与不使用UPFC相比，线路的输电能力提高了100MW,电网功率损耗减少了24MW，他的先进性和巨大的商业价值决定了它的发展价值。 在国内不断有科研单位和高校人员对UPFC的实现进行探索性的研究，提出了各种数学模型和调整策略，但实际装置却未见详细报道。 我国的水力资源和煤炭资源主要分布在西南和西北部，而用电负荷主要在东南，对于我国的巨大的电力系统而言，如何快速将一个电网的电力切换到另一个电网；对于多条支路组成二端供电网和多端供电网而言，如何快速将一条支路的电力转移到另一条支路，或如何快速提高某条支路的电路电力输送能力的同时，快速控制网络或支路潮流，并使系统在动静态过程中满足稳定性的要求，在这方面了UPFC的研究具有特殊的意义，具有广阔的发展前景。通过以上对交流柔性输电的分析可知，通过灵活可控的电力电子器件的应用，可以快速的调节电力传输过程中的一系列问题，从而提高电能质量，提高电能传输效率，增加电网稳定性，还可以节约能源。这对电力系统的可靠，环保运行有巨大的作用，同时在用户端用电更加稳定可靠，可以在一定程度上减小由于电能质量问题到来的经济损失甚至是人员伤亡。 二、柔性直流输电技术简介柔性直流输电是以全控型电力电子器件、电压源换流器和新型调制技术为突出标志的新一代直流输电技术，具有无需无功补偿和电网支撑换相、占地面积和环境影响小等特点。2.1 柔性直流输电技术发展历程随着科学技术的发展，到目前为止，电力传输经历了直流、交流和交直流混合输电三个阶段。早期的输电工程是从直流输电系统开始的，但是由于不能直接给直流电升压，使得输电距离受到较大的限制，不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。19世纪80年代末发明了三相交流发电机和变压器，交流输电就普遍地代替了直流输电，并得到迅速发展，逐渐形成现代交流电网的雏形。大功率换流器的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，因此直流输电重新受到人们的重视。直流输电相比交流输电在某些方面具有一定优势，国内已有多个大区之间通过直流输电系统实现非同步联网：未来几年，南方电网将建成世界上最大的多馈入直流系统；东北电网也有多条直流输电线路正在建设或纳入规划。交直流混合输电是现代电网的主要发展趋势。20世纪90年代以后，随着电力电子技术的发展，特别是具有可关断能力的新型半导体器件的出现，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）等，这些新型全控型器件取代传统半控型晶闸管应用于HVDC中，从而促进了HVDC输电技术的重大变革。2.2 柔性直流输电技术概述2.2.1 换流器件的发展变化虽然历史上第一个实用的电力系统采用直流输电，但由于在电力工业发展初期，直流输电与交流输电相比存在很多劣势，如灵活变压能力差、电压低、损耗大、联网能力差、供电范围小、输电和用电设备复杂、维护量大和成本高等，导致直流输电的发展较慢。在很长一段时间内，直流输电都处于劣势，而交流输电发展迅速，占据了电力工业的主导地位。但是随着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，特别是交流远距离输电受到同步运行稳定性的限制，直流输电技术重新为人们重新重视，从而推动直流输电技术的快速发展。2.2.2 柔性直流输电技术基本原理其系统原理如图2.1所示。图2.1 柔性直流输电系统原理示意图其中两个电压源换流器VSC1和VSC2分别用作整流器和逆变器，主要部件包括全控换流桥、直流侧电容器；全控换流桥的每个桥臂均由多个绝缘栅双极晶体管IGBT或门极可关断晶体管GTO等可关断器件组成，可以满足一定技术条件下的容量需求；直流侧电容为换流器提供电压支撑，直流电压的稳定是整个换流器可靠工作的保证；交流侧换流变压器和换流电抗器起到VSC与交流系统间能量交换纽带和滤波作用；交流侧滤波器的作用是滤除交流侧谐波。由于柔性直流输电一般采用地下或海底电缆，对周围环境产生的影响很小。假设换流电抗器是无损耗的，在忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q分别为式中：UC为换流器输出电压的基波分量；US为交流母线电压基波分量；为和之间的相角差；XL为换流电抗器和换流变压器的电抗。由式（1）、（2）可以看出，有功功率的传输主要取决于，无功功率的传输主要取决于UC。而UC是由换流器输出的脉宽调制（PWM）电压的脉冲宽度控制的。轻型直流输电技术是在大功率全控型器件组成的电压源换流器（VSC）和用于高压直流输电的交联聚乙烯（XLPE）电缆出现之后，采用脉宽调制控制技术而发展起来的。柔性直流输电技术中的一项核心技术是正弦脉宽调制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM），其控制原理如图2.2所示。图2中A相SPWM的调制参考波UAref与三角载波Utri进行数值比较，当参考波数值大于三角载波，触发A相的上桥臂开关导通，并关断下桥臂开关，反之则触发下桥臂开关导通，并关断上桥臂开关。伴随上下桥臂开关的交替导通与关断，VSC交流出口电压UAo将产生幅值为正负Ud/2的脉冲序列，Ud为VSC的直流侧电压。该脉冲序列中的基频电压分量UAo1与调制参考波相位一致，幅值为Ud/2。因此从调制参考波与出口电压基频分量的关系上看，VSC可视为无相位偏移、增益为Ud/2的线性放大器。由于调制参考波的幅值与相位可通过PWM的脉宽调制比M（VSC交流输出基频相电压幅值与直流电压的比值）以及移相角实现调节，因此VSC交流输出电压基频分量的幅值与相位亦可通过这两个变量进行调节。这样，采用SPWM技术的VSC可以同时独立地控制调制比M和移相角两个物理量。图2.2 VSC-HVDC系统SPWM控制原理图 2.2.3 柔性直流输电技术特点柔性直流输电是采用可控关断型电力电子器件和PWM技术，它与传统直流输电相比，主要有以下技术特点：（1）VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以不需要外加的换相电压，受端系统可以是无源网络，克服了传统的HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。（2）正常运行时，VSC可以同时且独立地控制有功功率和无功功率，控制更加灵活方便。而传统HVDC中控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。（3）VSC不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到STATCOM的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。（4）柔性直流输电系统在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统的HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，克服了传统多端HVDC系统并联连接时潮流控制不便、串联连接时又影响可靠性的缺点。（5）由于VSC交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的柔性直流输电线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。（6）VSC通常采用PWM技术，开关频率相对较高，（7）模块化设计使柔性直流输电的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时，换流站的占地面积仅为同容量下传统直流输电的20%左右。（8）换流站间的通讯不是必需的，其控制结构易于实现无人值守。（9）柔性直流输电具有良好的电网故障后的快速恢复控制能力。（10）在连接两个独立的交流系统的柔性直流输电系统中，一侧交流系统发生故障或扰动时，并不会影响到另一侧交流系统和换流器的工作。2.2.4 柔性直流输电技术应用领域柔性直流输电克服了传统HVDC的固有缺陷，使得直流输电的应用范围得到扩展，为直流输电技术的发展开辟了一个新的方向。其主要应用领域是：（1） 连接分散的小型发电厂。 （2）不同额定频率或相同额定频率的交流系统间的非同步运行。（3）构筑城市直流输配电网。（4）向偏远地区供电。（5）海上供电。（6）提高配电网电能质量。（7）电力市场模式下的应用。通过柔性直流输电的直接连接，可以构筑地区电力供应商之间交换电力的可行的技术平台，增加了运行灵活性和可靠性。2.3 国内外研究及应用动态高压直流（HVDC）输电技术始于20世纪20年代，到1954年，连接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界上第一条高压直流输电线路建成，才进入了商业化时代。多年来，HVDC输电技术的性能有了很大的提高，但在技术上没有发生根本性的变化，采用的是基于晶阐管器件的自然换相技术。20世纪末出现了采用电压源换流器（VSC）技术的柔性直流输电。1990年，利用脉宽调制控制的VSC的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等提出。在此基础上，ABB公司把VSC和聚合物电缆相结合提出了柔性直流输电的概念，并与1997年3月在瑞典中部的赫尔斯杨和格兰斯堡之间进行了首次的HVDC light的工业试验。该试验站的功率为3MW，直流电压等级为10kV，输电距离为10km，分别连接到现有的10kV交流电网中。从此柔性直流输电作为一种新兴的输电技术开始进入大发展的商业应用阶段。 2.3.1国内外研究现状随着1997年第一条柔性直流输电工程的出现，世界范围内关于柔性直流输电的研究一直处于十分活跃的状态。另外，国际大电网会议最近又成立了研究采用VSC-HVDC将风电场接入电网的B4-39工作组。针对实际工程中所遇到的困难，国际上的研究热点包括如何提高柔性直流输电的容量、降低输电损耗、降低造价，如何提高柔性直流输电的安全可靠性，以及对交流电网的支持、与交流电网相互作用等。国内关于柔性直流输电技术的研究开始的比较晚，目前还属于起步阶段。为了促进并形成自有知识产权，2006年5月，由中国电力科学研究院组织国内权威专家在北京召开“柔性（轻型）直流输电系统关键技术研究框架研讨会”，会上，与会专家一致建议国内将该技术统一命名为“柔性直流输电”，对应英文为HVDC Flexible。2007年12月，中国电科院开始了柔性直流输电技术的前期研究及柔性直流输电的基础理论研究。2008年12月24日，国家电网公司“十一五”重大科技项目之一“柔性直流关键技术研究及示范工程前期研究”在北京召开项目合同签约仪式，由此正式启动了我国柔性直流输电技术的科研攻关及上海南汇风电场柔性直流输电系统并网试验示范工程。中国电力科学研究院与上海市电力公司合作于5月27日顺利完成了模块化多电平柔性直流输电换流站控制性能测试，标志着我国电力科研人员已经基本掌握了柔性直流输电核心技术，向柔性直流输电技术工程化应用迈出坚实的一步。2.4 实际工程应用中需开展的研究工作柔性直流输电工程涉及电力系统、材料、控制等学科。由于目前国内相关的工程实践经验还非常少，因此在开展柔性直流输电技术工程应用的研究中，要充分调研国外柔性直流输电技术的研究成果和相关工程经验，并需对以下几方面技术进行重点研究。（1）柔性直流输电的主电路拓扑结构及调制方式。（2）在研究和总结现有电压源型换流器数学模型的基础上，建立柔性直流输电系统的数学模型，针对不同的换流器拓扑结构和系统结线方式，建立相应的电磁暂态仿真模型和机电暂态仿真模型，并对不同仿真模型下所得结果进行对比研究，为系统的主电路拓扑结构、开关调制方式、控制保护策略，系统过电压和绝缘配合等相关课题的研究提供有效的仿真手段。（3）针对柔性直流输电的不同应用领域，对其控制保护策略展开研究。（4）进行柔性直流输电系统交直流侧的谐波理论计算、仿真分析和优化分析，为交直流侧滤波系统、PWM控制的设计及其优化、噪音和无线电干扰的降低提供相应的理论基础。（5）对柔性直流输电系统在正常运行及故障状态下的关键设备的损耗进行分析。 2.4.1城市电网供电方式分析目前向城市供电可以采用的地下供电方式有三种：交流电缆供电（HVAC）、传统高压直流供电（HVDC CSC）和柔性直流供电方式（HVDC Flexible）。1、交流电缆供电（HVAC）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、HVAC电缆和无功补偿装置。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随着电压等级和电缆长度的增加而增加。因此，为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，而且由于容性电流的存在大大降低了电缆的载流能力。2、传统高压直流供电（HVDC CSC）从1954年连接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界上第一条HVDC输