【《高压直流输电技术的发展历程及应用分析》2800字】

高压直流输电技术的发展历程及应用分析目录TOC\o"1-3"\h\u18048高压直流输电技术的发展历程及应用分析 181311.1传统高压直流输电 1127201.2柔性高压直流输电 2240601.3混合直流输电 3自从20世纪50年代世界上第一个直流输电工程投入运行至今，高压直流输电技术已经获得了突飞猛进的发展。基于换流器所采用电力电子元件和控制方式的革新变化，高压直流输电的发展阶段总体上可分为以不可控元件为换流元件的传统高压直流输电阶段和以全控型器件为换流元件的柔性直流输电阶段。1.1传统高压直流输电传统高压直流输电也称为电网换相换流器型高压直流输电（LineCommutatedConverterBasedHighVoltageDirectCurrent，LCC-HVDC）。最早在上个世纪三四十年代，气吹电弧整流器、闸流管和引燃管被一些施工技术人员作为换流元件使用，基于这种换流器建设成功了一系列实验工程。直到人们研制成功了电压等级高、容量大的可控汞弧整流器，工程领域中的高压直流输电才得以落地应用。1954年，世界上首个直流输电工程成功投运，汞弧阀作为换流元件一直被使用到20世纪70年代。随着半导体技术和高压大功率晶闸管的发明，晶闸管换流阀由于不存在逆弧问题，且制造、运维和检修等环节较为简便，开始替代汞弧阀作为新一代换流阀元件。加拿大在1972年的伊尔河背靠背直流工程中首次使用晶闸管换流方式投入运行，自此之后，直流工程均采用晶闸管换流阀，直流输电技术得到了极大的发展，在远距离输电、电网互联和海底电缆输电等方面均发挥了重大作用。但传统晶闸管换流阀不具备自关断能力，当关断角过小时，反向电压作用的时间不足以使载流子复合以建立P-N结阻挡层，使晶闸管无法恢复正向阻断能力，当正向电压再次作用时，晶闸管将再次导通，引起换相失败。这一特性要求受端系统能够提供足够的换相电压，即在受端系统为大容量交流系统的情况下逆变侧换流站才能将直流电转换为交流电输送给受端交流系统，因此LCC-HVDC不能接入无源系统和弱电系统。LCC-HVDC采用滞后运行的方式，存在触发延迟角和关断角，需要吸收约占直流传输功率40%~60%的无功，故为换流站增设的无功补偿装置必不可少。LCC-HVDC正常运行由于其电力电子元件的非线性特性会产生谐波，对于交流侧而言相当于一个谐波电流源，对于直流侧而言相当于一个谐波电压源，导致交流系统波形产生畸变。这些固有缺陷限制了LCC-HVDC的发展[9]。1.2柔性高压直流输电随着绝缘栅双极晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）的发明，工业驱动装置上开始使用IGBT作为开关器件的电压源换流器（VoltageSourcedConverter，VSC）。1997年，世界上第一个电压源换流器直流输电工程—赫尔斯扬实验性工程（容量3MW，电压等级±10kV）投入使用，该工程采用IGBT作为换流阀元件，采用脉宽调制技术（PulseWidthModulation，PWM）对换流阀的开关进行控制。新一代直流输电技术随着该工程的成功应用而诞生，该技术被国际大电网会议（CIGRE）和美国电气与电子工程师学会（IEEE）命名为“VSC-HVDC”，也称为“电压源换流器型高压直流输电”。2006年，我国将这种新型输电技术名为“柔性直流输电”[10]。VSC-HVDC由于采用了具有双向可控导通和关断的能力IGBT器件，克服了传统直流输电的一些固有缺陷，表1-1中列出了两种输电方式各自的优缺点。表1-1LCC-HVDC和VSC-HVDC的优缺点对比输电系统LCC-HVDCVSC-HVDC换流元件晶闸管IGBT优点1)线路走廊窄，工程费用低，线路损耗小2)线路传输容量大，送电距离没有限制3)不存在交流输电的稳定问题4)电网间无需同步运行1)能够独立控制有功和无功2)不存在换相失败3)在潮流反转时，不改变极性只改变电流方向4)在故障时提供“黑启动功能”5)换流站占地面积小缺点1)存在换相失败问题2)无法接入无源或者弱电系统3)需要大量无功补偿装置4)谐波成分高1)输送容量小，电压等级较低2)换流站运行损耗大，造价高3)无法通过调节触发角来抑制或消除故障电流从上表可以看出，柔性直流输电技术具备同时对有功和无功进行独立控制、向无源网络供电、动态补偿交流母线无功功率、易于构成多端直流系统等优点。因此，该技术被广泛应用于以下多个方面[11,12]。（1）大规模电网互联和交直流并网：我国能源储备与电力负荷分布存在严重不均衡的问题，因此大容量远距离的高压输电成为必然选择。而柔性直流输电不受两端接入系统的短路容量限制，不存在换相失败的问题，无需增设无功补偿设备，在应用于远距离输电时具有明显的成本优势。（2）可再生能源分布式并网：风力发电和光伏发电等可再生能源发电具有机组多，单机容量较小，受气候影响大，系统波动性和间歇性显著的特点，需要统一将电能并入电网。由于分布式发电使得系统局部波动大，而柔性直流输电能够对有功和无功进行独立控制，本身具备静止同步补偿器的功能，能够提供动态无功支撑，平缓电压波动，改善电能质量，适用于可再生能源分布式并网。（3）孤岛和弱电网供电：在大部分海岛或钻井平台上，电能都是由燃油发电机提供，这种方式不仅效率低下，且会排放大量温室气体。通过铺设海底电缆对孤岛负荷进行柔性直流输电，其占地面积和重量远小于传统直流输电方式，且柔性直流输电具有自换相的能力，可以在无源逆变方式下工作，适用于受端为弱电系统和无源系统的情况。（4）城市供电：要实现城市电网的扩容改建，首先要保证电能质量稳定和满足用电负荷需求。采用柔性直流输电技术供电，可以快速控制有功功率和无功功率，解决电压闪变等问题；能够灵活控制交流侧的电流，进而达到对系统短路容量的控制；还能够提高系统稳定性，并在严重故障时提供“黑启动功能”。另外，柔性直流输电可以使用埋地电缆，不需要占用输电走廊。鉴于柔性直流输电的技术优越性和应用广泛性，近年来，我国已进行了多项柔性直流输电工程建设。2011年于上海投运的南汇柔性直流输电工程，是我国第一个柔性直流输电示范工程，实现了从无到有的突破。自此之后，我国又连续建设成功了南澳±160kV多端柔性直流输电示范工程、浙江舟山±200kV五端柔性直流科技示范工程、厦门柔性直流输电工程等一系列具有世界首创性的柔直工程。此外，为满足2022年冬季奥运会会清洁绿色供电的需求，我国已经于张北地区开工建设了张北柔性直流示范工程，该工程既是世界上首个具有网络特征的的直流输电电网工程，也是世界上运行电压等级最高、传输电能容量最大的VSC-HVDC工程。柔性直流输电技术将成为我国建设“坚强电网”、“智能电网”的重要基石，为我国实现清洁能源大规模并网和远距离能源调度提供坚实的保障。1.3混合直流输电在LCC-HVDC和VSC-HVDC发展的基础上，将两者的长处相结合，混合高压直流（Hybrid-HVDC）输电系统的概念被提出[13]，即在两端或多端直流输电系统中，将不同的结构进行混合（即将LCC和VSC串联、并联）构成混合直流输电系统。典型的混合直流输电系统一端换流器采用LCC，另一端换流器采用VSC，能够实现二者的优势互补[14,15]。整流侧采用VSC的混合直流输电系统适用于可再生能源并网，但对受端电网的强度有要求；逆变侧采用VSC的混合直流输电系统，