柔性直流輸電在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

1、 2016 Year Spring Term Course examination（Reading Report、Research Report）考核科目Examination Subjects: 直流輸電技術(shù)學(xué)生所在院（系）School/Department: 電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院學(xué)生所在學(xué)科Discipline: 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)生姓名Students Name: 金昱學(xué)生學(xué)號(hào)Student No.: 15S006048考核結(jié)果Examination Result:閱卷人Examiner 直流輸電技術(shù)課程報(bào)告柔性直流輸電在城市配電網(wǎng)中的應(yīng)用（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 金昱 15S006048）

2、1 城市配電網(wǎng)輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀隨著我國(guó)電力系統(tǒng)整體配置的不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)城鄉(xiāng)配電網(wǎng)建設(shè)日益重視，如何科學(xué)地設(shè)置城市配電網(wǎng)的規(guī)劃顯得尤為重要。在傳統(tǒng)的電力建設(shè)中，我國(guó)總是將發(fā)電擺在第一位，輸送配電擺在第二位，認(rèn)為只要有充足的電能資源就可以做好電力系統(tǒng)的建設(shè)。但是，輸送配電也在無(wú)形中影響著城市供電的能力和供電的可靠性。因此，合理適當(dāng)?shù)某鞘信潆娋W(wǎng)規(guī)劃在逐漸彰顯著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為電網(wǎng)建設(shè)的改造提供了合理性、科學(xué)性的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。1.1 我國(guó)配電網(wǎng)技術(shù)背景及現(xiàn)狀如今，我國(guó)有意識(shí)地改變?cè)鹊摹爸匕l(fā)電、輕輸送配電”的現(xiàn)狀，并取得了一定的成果，使得整體上配電網(wǎng)的設(shè)置都趨向了正規(guī)、合理。但是由于我國(guó)在配電網(wǎng)規(guī)劃上

3、發(fā)展較晚，依舊存在一些不合理的因素：(1)基礎(chǔ)差、底子薄?；A(chǔ)差、底子薄是我國(guó)配電網(wǎng)建設(shè)的真實(shí)寫照。在過(guò)去的電網(wǎng)建設(shè)中，由于缺乏早期的勘測(cè)、考察和規(guī)劃，導(dǎo)致我國(guó)配電網(wǎng)的設(shè)置分布不合理，供電線路較長(zhǎng)，損壞較嚴(yán)重。一些城市出現(xiàn)了市中心電源豐富，周邊村落電源稀少的現(xiàn)狀，這種情況致使一些周邊農(nóng)村長(zhǎng)期處于沒(méi)有電用的狀態(tài)。(2)電路結(jié)構(gòu)不合理，轉(zhuǎn)換復(fù)雜、不靈活。我國(guó)在電網(wǎng)建設(shè)中呈現(xiàn)出電路復(fù)雜、互相交錯(cuò)、難以移動(dòng)等現(xiàn)象。近電遠(yuǎn)送、電網(wǎng)接線復(fù)雜、迂回供電、專用線路占有主線路過(guò)多等不合理的安排也為之后重新建設(shè)新電路結(jié)構(gòu)帶來(lái)了極大的不便，也增大了電路維修的困難。1.1 直流輸電供電與交流輸電的優(yōu)劣勢(shì)交流電的優(yōu)點(diǎn)主

4、要表現(xiàn)在發(fā)電和配電方面：利用建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的交流發(fā)電機(jī)可以很經(jīng)濟(jì)方便地把機(jī)械能（水流能、風(fēng)能）、化學(xué)能（石油、天然氣）等其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能；交流電源和交流變電站與同功率的直流電源和直流換流站相比，造價(jià)大為低廉；交流電可以方便地通過(guò)變壓器升壓和降壓，這給配送電能帶來(lái)極大的方便這是交流電與直流電相比所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 直流電的優(yōu)點(diǎn)主要在輸電方面： (1)輸送相同功率時(shí)，直流輸電所用線材僅為交流輸電的23l2 。直流輸電采用兩線制，以大地或海水作回線，與采用三線制三相交流輸電相比，在輸電線載面積相同和電流密度相同的條件下，即使不考慮趨膚效應(yīng)，也可以輸送相同的電功率，而輸電線和絕緣材料可

5、節(jié)約13。如果考慮到趨膚效應(yīng)和各種損耗（絕緣材料的介質(zhì)損耗、磁感應(yīng)的渦流損耗、架空線的電暈損耗等），輸送同樣功率交流電所用導(dǎo)線截面積大于或等于直流輸電所用導(dǎo)線的截面積的1.33倍。因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半。同時(shí)，直流輸電桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電簡(jiǎn)單，線路走廊占地面積也少。(2)在電纜輸電線路中，直流輸電沒(méi)有電容電流產(chǎn)生，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。在一些特殊場(chǎng)合，必須用電纜輸電。例如高壓輸電線經(jīng)過(guò)大城市時(shí)，采用地下電纜；輸電線經(jīng)過(guò)海峽時(shí)，要用海底電纜。由于電纜芯線與大地之間構(gòu)成同軸電容器，在交流高壓輸線路中，空載電容電流極為可觀一條200kV的電纜，每千

6、米的電容約為0.2F，每千米需供給充電功率約3×103kw，在每千米輸電線路上，每年就要耗電2.6×107kw·h。而在直流輸電中，由于電壓波動(dòng)很小，基本上沒(méi)有電容電流加在電纜上。(3)直流輸電時(shí)，其兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行，而交流輸電必須同步運(yùn)行。交流遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，電流的相位在交流輸電系統(tǒng)的兩端會(huì)產(chǎn)生顯著的相位差；并網(wǎng)的各系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定統(tǒng)一為50HZ，但實(shí)際上常產(chǎn)生波動(dòng)。這兩種因素引起交流系統(tǒng)不能同步運(yùn)行，需要用復(fù)雜龐大的補(bǔ)償系統(tǒng)和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)加以調(diào)整，否則就可能在設(shè)備中形成強(qiáng)大的循環(huán)電流損壞設(shè)備，或造成不同步運(yùn)行的停電事故。在技術(shù)不發(fā)達(dá)的國(guó)家里，

7、交流輸電距離一般不超過(guò)300km而直流輸電線路互連時(shí)，它兩端的交流電網(wǎng)可以用各自的頻率和相位運(yùn)行，不需進(jìn)行同步調(diào)整。(4)直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小。兩個(gè)交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當(dāng)一側(cè)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，另一側(cè)要向故障一側(cè)輸送短路電流。因此使兩側(cè)系統(tǒng)原有開(kāi)關(guān)切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開(kāi)關(guān)。而直流輸電中，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，直流輸電線路上基本上不向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送短路電流，故障側(cè)交流系統(tǒng)的短路電流與沒(méi)有互連時(shí)一樣。因此不必更換兩側(cè)原有開(kāi)關(guān)及載流設(shè)備。在直流輸電線路中，各級(jí)是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒(méi)有影響。所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障

8、極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能。但在交流輸電線路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線停電。2城市直流輸電技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析2.1直流輸電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析從經(jīng)濟(jì)方面考慮，直流輸電有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)線路造價(jià)低。對(duì)于架空輸電線，交流用三根導(dǎo)線，而直流一般用兩根采用大地或海水作回路時(shí)只要一根，能節(jié)省大量的線路建設(shè)費(fèi)用。對(duì)于電纜，由于絕緣介質(zhì)的直流強(qiáng)度遠(yuǎn)高于交流強(qiáng)度，如通常的油浸紙電纜，直流的允許工作電壓約為交流的3倍，直流電纜的投資少得多。(2)直流架空線路投資省。直流輸電一般采用雙極中性點(diǎn)接地方式，直流線路僅需兩根導(dǎo)線，三相交流線路則需三根導(dǎo)線，但兩者輸送的功率幾乎相等，因此可減輕桿塔的荷重，

9、減少線路走廊的寬度和占地面積。在輸送相同功率和距離的條件下，直流架空線路的投資一般為交流架空線路投資的三分之二。 (3)換流站比變電站投資大。換流站的設(shè)備比交流變電站復(fù)雜，它除了必須有換流變壓器外，還要有目前價(jià)格比較昂貴的可控硅換流器，以及換流器的其它附屬設(shè)備，因此換流站的投資高于同等容量和相應(yīng)電壓的交流變電站。(4)年電能損失小。直流架空輸電線只用兩根，導(dǎo)線電阻損耗比交流輸電?。粵](méi)有感抗和容抗的無(wú)功損耗；沒(méi)有集膚效應(yīng)，導(dǎo)線的截面利用充分。另外，直流架空線路的“空間電荷效應(yīng)”使其電暈損耗和無(wú)線電干擾都比交流線路小。所以，直流架空輸電線路在線路建設(shè)初投資和年運(yùn)行費(fèi)用上均較交流經(jīng)濟(jì)。&#

10、160;(5)運(yùn)行費(fèi)用較省。根據(jù)國(guó)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，線路和站內(nèi)設(shè)備的年折舊維護(hù)費(fèi)用占工程建設(shè)費(fèi)用的百分?jǐn)?shù)，交流與直流大體相近。但直流輸電電能損耗在導(dǎo)線截面相同、輸送有功功率相等的條件下，是交流輸電的三分之二。2.1直流輸電技術(shù)可行性分析直流輸電在技術(shù)方面有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的非同期互聯(lián)，而交流電力系統(tǒng)中所有的同步發(fā)電機(jī)都保持同步運(yùn)行。直流輸電的輸送容量和距離不受同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制，還可連接兩個(gè)不同頻率的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非同期聯(lián)網(wǎng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(2)限制短路電流。如用交流輸電線連接兩個(gè)交流系統(tǒng)，短路容量增大，甚至需要更換斷路器或增設(shè)限流裝置。然而用直流輸電線路連接兩個(gè)交

11、流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的“定電流控制”將快速把短路電流限制在額定功率附近，短路容量不因互聯(lián)而增大。(3)調(diào)節(jié)快速，運(yùn)行可靠。直流輸電通過(guò)可控硅換流器能快速調(diào)整有功功率，實(shí)現(xiàn)“潮流翻轉(zhuǎn)”(功率流動(dòng)方向的改變)，在正常時(shí)能保證穩(wěn)定輸出，在事故情況下，可實(shí)現(xiàn)健全系統(tǒng)對(duì)故障系統(tǒng)的緊急支援，也能實(shí)現(xiàn)振蕩阻尼和次同步振蕩的抑制。在交直流線路并列運(yùn)行時(shí)，如果交流線路發(fā)生短路，可短暫增大直流輸送功率以減少發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速，提高系統(tǒng)的可靠性。 (4)沒(méi)有電容充電電流。直流線路穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)電容電流，沿線電壓分布平穩(wěn)，無(wú)空、輕載時(shí)交流長(zhǎng)線受端及中部發(fā)生電壓異常升高的現(xiàn)象，也不需要并聯(lián)電抗補(bǔ)償。(5)節(jié)省線路走廊。按同電壓500

12、kV考慮，一條直流輸電線路的走廊約40m，一條交流線路走廊約50m，而前者輸送容量約為后者2倍，即直流傳輸效率約為交流2倍。3 城市直流配電網(wǎng)中的主要研究?jī)?nèi)容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，VSC-HVDC是一種以電壓源換流器、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VSC-HVDC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其基本工作原理。 3.

13、1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖1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、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器等部分組成。下面就各組成部分的結(jié)構(gòu)和作用作簡(jiǎn)單介紹。圖1 柔性直流輸電單線原理圖 電壓源型換流器VSC：電壓源型換流器的橋臂是由大功率的可控關(guān)斷型電力電子器件（如IGBT、IGCT）和反并聯(lián)二極管組成。隨著大功率電力電子器件的發(fā)展，目前IGBT的耐受電壓達(dá)到6.5kV、通斷電流最大達(dá)到3kA，IGCT目前能承受的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓達(dá)到6kV，最大可控關(guān)斷電流達(dá)36kA。目前，擁有柔性直流輸電系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)行實(shí)際工程業(yè)績(jī)的，世

14、界上只有ABB公司。兩電平換流器是用于輕型直流輸電系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中它有六個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由IGBT和與之反并聯(lián)的二極管組成。圖2(b)所示為中點(diǎn)鉗位型三電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在高壓大功率情況下，為提高換流器容量和系統(tǒng)的電壓等級(jí)，每個(gè)橋臂由多個(gè)IGBT及其相并聯(lián)的二極管相互串聯(lián)來(lái)獲得，其串聯(lián)的個(gè)數(shù)由換流器的額定功率、電壓等級(jí)和電力電子開(kāi)關(guān)器件的通電能力與耐壓強(qiáng)度決定。3.2 基本工作原理 如前所述，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和PWM技術(shù)，其基本工作原理如圖2和圖3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

15、開(kāi)關(guān)管高頻開(kāi)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2 圖34 城市直流配電網(wǎng)實(shí)施過(guò)程中的問(wèn)題由于城市電網(wǎng)的用電負(fù)荷增長(zhǎng)十分迅猛，而城市負(fù)荷中心主力電廠建設(shè)不足，大量的電能需要由500kV和220kV線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，導(dǎo)致城市電網(wǎng)供電能力不足、供電可靠性差、短路電流過(guò)大、電壓支撐較弱等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著城市電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.1供電能力不足且供電可靠性差 隨著我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及城市用地面積的擴(kuò)大，城市用電量和負(fù)荷增長(zhǎng)迅速，并且中心城區(qū)的負(fù)荷密度逐年增大，現(xiàn)有的供電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)城市負(fù)荷

16、發(fā)展的要求。城市用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)給城市電網(wǎng)帶來(lái)了巨大壓力，使得城市內(nèi)的變電站和電力線路等設(shè)備負(fù)載率偏高，甚至曾出現(xiàn)過(guò)滿負(fù)荷或過(guò)負(fù)荷情況，這不但對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行不利，也無(wú)法滿足用電負(fù)荷繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，更加限制了城市電網(wǎng)的供電容量和供電可靠性。4.2城市電網(wǎng)短路電流過(guò)大 隨著城市負(fù)荷以及負(fù)荷密度不斷增大，城市電網(wǎng)發(fā)展迅速，省會(huì)城市和沿海大城市已經(jīng)基本建成了500kV和220 kV的超高壓外環(huán)網(wǎng)或C形網(wǎng)，110220kV高壓變電所已經(jīng)廣泛深入市區(qū)負(fù)荷中心，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展完善，電網(wǎng)聯(lián)系緊密，在增強(qiáng)城市電網(wǎng)供電能力、提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平的同時(shí)，但同時(shí)又造成系統(tǒng)阻抗不斷下降，各級(jí)

17、電壓的短路電流逐年增大短路電流水平越來(lái)越高，不少城網(wǎng)已出現(xiàn)短路容量超過(guò)城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則中短路容量的限制，甚至超過(guò)了斷路器的開(kāi)斷能力。比如，目前北京、上海、廣州等大城市的某些500kV和220kV變電站短路電流水平已經(jīng)超過(guò)50kA，甚至有的已超過(guò)63kA，而且隨著城市負(fù)荷的進(jìn)一步增長(zhǎng)，更會(huì)加劇短路電流超標(biāo)問(wèn)題，因此，短路電流超標(biāo)問(wèn)題不僅制約了城市電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性，而且對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了極大的威脅。4.3城市負(fù)荷中心缺乏足夠的電壓支撐 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，電力需求保持著強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭，特別是城市負(fù)荷需求增長(zhǎng)更加迅猛。但是，在城市負(fù)荷中心因受土地資源、水資源、輸電走廊、環(huán)

18、境保護(hù)和高額投資等因素，限制了建立新電源的可能性，造成了大功率遠(yuǎn)距離、跨越大功角、大電壓降落輸電的現(xiàn)狀，再加上電力市場(chǎng)下的新的系統(tǒng)運(yùn)行方式，未來(lái)的系統(tǒng)不得不在接近其物理極限下運(yùn)行。4.4缺乏靈活的調(diào)節(jié)手段且抗擾動(dòng)能力差由于交流系統(tǒng)的潮流分布取決于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、發(fā)電機(jī)與負(fù)荷的運(yùn)行方式，雖然利用傳統(tǒng)的潮流調(diào)節(jié)手段和通過(guò)調(diào)度員的合理調(diào)度可以達(dá)到調(diào)節(jié)潮流目的，但是遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，使得目前城市電網(wǎng)的可控性依然較差，容易出現(xiàn)功率分布和走向不當(dāng)，從而引起以下幾方面的問(wèn)題：部分線路和設(shè)備過(guò)載，部分線路和設(shè)備輕載，并且容易引發(fā)穩(wěn)定性問(wèn)題；系統(tǒng)的有功功率損耗增加，系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性較差；容易形成功率繞送或功率倒流；系統(tǒng)功率分布不當(dāng)，導(dǎo)致電壓質(zhì)量不滿足要求；導(dǎo)致局部地方的短路水平過(guò)高，威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。5 可行的