新型直流輸電技術(shù)--HVDC LIGHT的應(yīng)用與展望

0 引言

隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的日新月異，世界各國的能源相對匱乏和環(huán)境污染嚴(yán)重等問題備受矚目。新型的、清潔的、可再生的能源發(fā)電已成為電力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，風(fēng)能、太陽能等新型能源發(fā)電已在世界范圍內(nèi)逐步擴展，其主要特點之一是分散化與小型化。地理條件與發(fā)電規(guī)模的制約使得利用現(xiàn)有交流輸電技術(shù)將這些“孤島”電源與電網(wǎng)連接經(jīng)濟性差、環(huán)保壓力大。另外，鉆探平臺、島嶼、礦區(qū)等遠距離負荷目前多采用污染性大的柴油發(fā)電機供電，若采用交流輸電技術(shù)供電也有同樣問題。用電負荷的不斷增加要求電網(wǎng)規(guī)模與傳輸容量保持持續(xù)發(fā)展，然而增加輸電走廊也面臨越來越多的經(jīng)濟與環(huán)保限制，尤其在城市負荷中心，增加傳統(tǒng)的架空交流輸電線幾乎不可能。為此，需要一種經(jīng)濟、靈活、高質(zhì)量的輸電方式解決上述問題[1]。隨著近年來國外輕型直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展并應(yīng)用于實際工程，人們對輕型直流輸電技術(shù)的巨大經(jīng)濟與環(huán)保效益日漸關(guān)注。

本文介紹了輕型直流輸電技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，通過與傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)的比較，闡述了輕型直流輸電的技術(shù)特點和應(yīng)用情況，對其應(yīng)用前景進行了具體的分析和展望。

1 輕型直流輸電簡介

20 世紀(jì)90 年代末隨著大功率GTO 和大功率IGBT的商業(yè)化應(yīng)用，輕型直流輸電技術(shù)逐漸發(fā)展起來。輕型直流輸電技術(shù)是一種基于電壓源變流器(VSC)和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的新型直流輸電技術(shù)。輕型直流輸電技術(shù)的發(fā)展主要是緣于電壓源變流器(VSC)和用于高壓直流輸電的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜這兩項基本技術(shù)的進步。

1.1 電壓源型變流器

HVDC Light 采用電壓源型變流器(VSC)，變流器的橋臂由大功率可關(guān)斷型器件(如：GTO、IGBT或IGCT)和反并聯(lián)的二極管組成，如圖1(a)所示。變流器中可關(guān)斷器件上并聯(lián)的反向二極管，除了作為主回路外，還可以起到保護和續(xù)流的作用[2]。為了獲得所需能量，一般需將多個器件串聯(lián)連接構(gòu)成一個閥,如圖1(b)所示。GTO閥可以承受較高的電壓和允許通過較大的電流，但IGBT閥的優(yōu)勢在于觸發(fā)控制電路功率小、簡單。這是因為前者是電流型控制器件，后者是電壓型控制器件。因此選擇IGBT 將比GTO更為合理。就現(xiàn)今的技術(shù)條件下，IGBT 閥的阻斷電壓可達150 kV，基于這種閥的VSC能承擔(dān)有效值高達1 kA的交流線電流，對應(yīng)單個VSC的設(shè)計容量約為150 MV·A。這樣，一個雙極性系統(tǒng)可以很容易達到300 MV·A。

輕型直流輸電基于PWM的控制方法，能夠獨立控制有功功率和無功功率，并能限制產(chǎn)生的低次諧波，提高電能質(zhì)量。由高頻開關(guān)器件IGBT構(gòu)成的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)式VSC變流器的單相電路如圖2所示。

如圖3 所示，其工作原理是：工頻正弦波控制信號uC 經(jīng)與三角波載波信號uT比較產(chǎn)生觸發(fā)信號ui。

當(dāng)V1 被觸發(fā)導(dǎo)通后，輸出電壓uo=Ud / 2;當(dāng)V2被觸發(fā)導(dǎo)通后，uo=-Ud / 2，由于V1和V2不同時觸發(fā)導(dǎo)通，所以uo只有±Ud / 2兩種數(shù)值。經(jīng)變流電抗器和濾波

器濾除uo中的高次諧波分量后，在交流母線上可得到與uC波形相同的工頻正弦波電壓us。其中，uT決定開關(guān)的動作頻率，uC決定輸出電壓uo的相位和幅值。

改變uC的相位，即改變uo與us的相位關(guān)系，可改變有功功率的大小和方向;改變uC的幅值，即改變uo與us的數(shù)值關(guān)系，可改變無功功率的大小和極性(感性或容性)。因此，VSC變流器可單獨調(diào)節(jié)有功功率和無功功率[3-5]。

忽略諧波分量時，變流器所吸收的有功功率和無功功率分別為

1.2 XLPE電纜

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜技術(shù)的革新對輕型直流輸電技術(shù)的發(fā)展有著重要的推動作用。以往應(yīng)用于直流輸電的電纜主要有：紙絕緣電纜、浸漬憎水(MIND)電纜以及低壓充油(LPOF)電纜。紙絕緣電纜由于抗彎強度差，不適合于架空應(yīng)用;MIND電纜在導(dǎo)體運行溫度上有限制;LPOF 電纜需要輔助設(shè)備維持油壓，安裝困難，且需要考慮油溢出所造成的環(huán)境問題[6]。而XLPE 電纜盡管已經(jīng)應(yīng)用于交流輸電中許多年了，但是由于其在絕緣中存在的空間電荷導(dǎo)致不可控的局部高電場以及與溫度有關(guān)的電阻系數(shù)引起的應(yīng)力分布不均等問題，擠壓式電纜在直流輸電中一直得不到很好的應(yīng)用。以上這些局限都使輕型直流輸電的應(yīng)用受到制約。

隨著以擠壓式聚合物為絕緣的新型XLPE 直流電纜的出現(xiàn)，以上的問題都得到了解決[7]。由于采取絕緣層三層擠壓，即：導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層和絕緣屏蔽層同時擠壓，其具有堅固的結(jié)構(gòu)，易于用作架空電纜、地下電纜，甚至工作在條件惡劣的海底。而直流電纜由于沒有充電電流，因此具有比交流電纜更長的使用壽命，也更適合于輸電。圖4 為ABB 公司研制的新型的XLPE 直流輸電電纜[8][9]。這種電纜重量輕、傳輸功率密度大，一對典型的95 mm2 的鋁電纜在直流電壓100 kV時能夠傳輸30 MW的功率，其重量為1 kg/m，絕緣厚度為5.5 mm。

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