新型直流输电技术--HVDC LIGHT的应用与展望

0 引言

随着世界经济的飞速发展，科学技术的日新月异，世界各国的能源相对匮乏和环境污染严重等问题备受瞩目。新型的、清洁的、可再生的能源发电已成为电力系统未来的发展方向，风能、太阳能等新型能源发电已在世界范围内逐步扩展，其主要特点之一是分散化与小型化。地理条件与发电规模的制约使得利用现有交流输电技术将这些“孤岛”电源与电网连接经济性差、环保压力大。另外，钻探平台、岛屿、矿区等远距离负荷目前多采用污染性大的柴油发电机供电，若采用交流输电技术供电也有同样问题。用电负荷的不断增加要求电网规模与传输容量保持持续发展，然而增加输电走廊也面临越来越多的经济与环保限制，尤其在城市负荷中心，增加传统的架空交流输电线几乎不可能。为此，需要一种经济、灵活、高质量的输电方式解决上述问题[1]。随着近年来国外轻型直流输电技术的快速发展并应用于实际工程，人们对轻型直流输电技术的巨大经济与环保效益日渐关注。

本文介绍了轻型直流输电技术的基本结构和工作原理，通过与传统高压直流输电技术的比较，阐述了轻型直流输电的技术特点和应用情况，对其应用前景进行了具体的分析和展望。

1 轻型直流输电简介

20 世纪90 年代末随着大功率GTO 和大功率IGBT的商业化应用，轻型直流输电技术逐渐发展起来。轻型直流输电技术是一种基于电压源变流器(VSC)和脉宽调制(PWM)技术的新型直流输电技术。轻型直流输电技术的发展主要是缘于电压源变流器(VSC)和用于高压直流输电的交联聚乙烯(XLPE)电缆这两项基本技术的进步。

1.1 电压源型变流器

HVDC Light 采用电压源型变流器(VSC)，变流器的桥臂由大功率可关断型器件(如：GTO、IGBT或IGCT)和反并联的二极管组成，如图1(a)所示。变流器中可关断器件上并联的反向二极管，除了作为主回路外，还可以起到保护和续流的作用[2]。为了获得所需能量，一般需将多个器件串联连接构成一个阀,如图1(b)所示。GTO阀可以承受较高的电压和允许通过较大的电流，但IGBT阀的优势在于触发控制电路功率小、简单。这是因为前者是电流型控制器件，后者是电压型控制器件。因此选择IGBT 将比GTO更为合理。就现今的技术条件下，IGBT 阀的阻断电压可达150 kV，基于这种阀的VSC能承担有效值高达1 kA的交流线电流，对应单个VSC的设计容量约为150 MV·A。这样，一个双极性系统可以很容易达到300 MV·A。

轻型直流输电基于PWM的控制方法，能够独立控制有功功率和无功功率，并能限制产生的低次谐波，提高电能质量。由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制(SPWM)式VSC变流器的单相电路如图2所示。

如图3 所示，其工作原理是：工频正弦波控制信号uC 经与三角波载波信号uT比较产生触发信号ui。

当V1 被触发导通后，输出电压uo=Ud / 2;当V2被触发导通后，uo=-Ud / 2，由于V1和V2不同时触发导通，所以uo只有±Ud / 2两种数值。经变流电抗器和滤波

器滤除uo中的高次谐波分量后，在交流母线上可得到与uC波形相同的工频正弦波电压us。其中，uT决定开关的动作频率，uC决定输出电压uo的相位和幅值。

改变uC的相位，即改变uo与us的相位关系，可改变有功功率的大小和方向;改变uC的幅值，即改变uo与us的数值关系，可改变无功功率的大小和极性(感性或容性)。因此，VSC变流器可单独调节有功功率和无功功率[3-5]。

忽略谐波分量时，变流器所吸收的有功功率和无功功率分别为

1.2 XLPE电缆

交联聚乙烯(XLPE)电缆技术的革新对轻型直流输电技术的发展有着重要的推动作用。以往应用于直流输电的电缆主要有：纸绝缘电缆、浸渍憎水(MIND)电缆以及低压充油(LPOF)电缆。纸绝缘电缆由于抗弯强度差，不适合于架空应用;MIND电缆在导体运行温度上有限制;LPOF 电缆需要辅助设备维持油压，安装困难，且需要考虑油溢出所造成的环境问题[6]。而XLPE 电缆尽管已经应用于交流输电中许多年了，但是由于其在绝缘中存在的空间电荷导致不可控的局部高电场以及与温度有关的电阻系数引起的应力分布不均等问题，挤压式电缆在直流输电中一直得不到很好的应用。以上这些局限都使轻型直流输电的应用受到制约。

随着以挤压式聚合物为绝缘的新型XLPE 直流电缆的出现，以上的问题都得到了解决[7]。由于采取绝缘层三层挤压，即：导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层同时挤压，其具有坚固的结构，易于用作架空电缆、地下电缆，甚至工作在条件恶劣的海底。而直流电缆由于没有充电电流，因此具有比交流电缆更长的使用寿命，也更适合于输电。图4 为ABB 公司研制的新型的XLPE 直流输电电缆[8][9]。这种电缆重量轻、传输功率密度大，一对典型的95 mm2 的铝电缆在直流电压100 kV时能够传输30 MW的功率，其重量为1 kg/m，绝缘厚度为5.5 mm。

上一页 1 2 下一页