VSC—HVDC输电系统的特点与应用

唐博+王鹏

摘要：轻型直流输电系统是基于VSC技术的新型直流输电技术。介绍轻型直流输电基本原理，对比轻型直流输电技术与传统直流输电技术在结构和功能方面的区别，阐述轻型直流输电的优点，并对其应用进行总结和展望，以期为轻型直流输电技术在我国的应用和发展提供一定参考。

关键词：输电技术；轻型直流输电；换流器；电压源型换流站

中图分类号：TM721.1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0047-03

直流输电系统的换流站经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变化。基于技术上的可行性和需要，近年来国外发展了轻型直流输电（HVDC Light）技术，并用于实际工程。其核心是采用可关断元件构成VSC进行直流输电。这种新型输电系统设计容量从几兆瓦到几百兆瓦，可以向无源网络供电，整个电站按照模块化设计，占地面积仅为同等容量下传统直流输电电站的20%。从运行实际来看，该工程电力输送非常稳定，换流站能够满足噪声水平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面的技术要求。

1 轻型直流输电简介

轻型直流输电采用可关断电力电子器件构成电压源型换流站（Voltage Sourced Converters，VSC）进行直流传输（如图1所示），而传统直流输电采用相控换流器（Phase Commutated Converters，PCC）技术。随着大功率电力电子器件的发展，如IGBT电压达到6.5 kV，电流最大达到3 kA，IGCT（Integrated GateCommutated Thyristor）目前能承受的断态重复峰值电压（Repetitive peak off-state yoltage）达到6.0 kV、最大可控关断电流（Max. controllable turn-offcurrent）达到3～6 kA，用可关断器件构成换流站来进行直流传输。

2 轻型直流输电的特点

轻型直流输电是在电压源换流器（VSC）技术和门极可关断晶闸管（GTO）及绝缘栅双极晶体管（IGBT）等全控型功率器件基础上发展起来的，由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制（SPWM）式VSC单相电路如图2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utri比较产生触发信号ui（如图3所示）。

当2+被触发导通后，输出电压uo=Ud/2；当2-被触发导通后，uo=Ud/2，由于2+和2-不同时触发导通，所以uo只有两种数值。经换流电抗器和滤波器滤除uo中的高次谐波分量后，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，utri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换流器可单独调节有功功率和无功功率。

有功功率的计算公式为：

P=sinδ （1）

无功功率的计算公式为：

Q= （2）

式中：Uo，Us分别为VSC输出电压uo和母线电压基频分量的有效值；d为uo与us的相位差；X为换流电抗器的电抗。

轻型直流输电系统采用新型的3层聚合材料挤压的单极性电缆（如图4所示）作为中间直流传输线路。导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层3层同时挤压成绝缘层，中间导体一般为铝材单芯导体，不同于传统纸或者油绝缘电缆。这种新型电缆具有高强度、环保和方便掩埋的特点，适于深海等恶劣环境。一对95 mm2的铝电缆在直流电压100 kV时能够传输30 MW的功率，其密度为1 kg/m、绝缘厚度为5.5 mm，可以方便地植入地中。与交流传输相比，直流传输电压唯一的限制是线损，可以通过选择较大截面的导体来降低损耗，并用轻型直流输电电缆来进行传输。

轻型直流输电电站采用模块化设计，所有装置在生产工厂经过试验检验后运送到电站当地。装置占地较小，一个功率为20 MW、直流电压低于±30 kV的电站面积不超过250 m2，一个250～300 MW的电站占地30 m×40 m×20 m（宽×长×高）。电站主要设备包括换流站阀、小型空心电抗器及滤波装置、冷却设备和控制设备。

轻型直流输电系统在运行时，一侧换流站控制电压，构成常电压控制，另一侧换流站控制有功功率，常电压控制方式使两侧有功功率自动平衡；另外，换流站也可以控制交流电压，将变压器一次电压稳定在某一预定值，同时也可以对风力发电站电压闪变进行控制。

3 轻型直流输电与传统直流输电比较

从结构上来讲，两者的区别为：1） 传统直流输电系统通过换流变压器同电网连接；而轻型直流输电系统则通过小型电抗器与电网相连，只有在直流电压同电网电压不相匹配时才加变压器。2） 传统的直流输电需要电容器或者调相机等进行无功补偿；而轻型直流输电系统则不需要，只需要尺寸很小的滤波器。3） 传统直流输电在直流侧采用平波电抗器抑制直流电流变化时的上升速度，减少直流线路中电压和电流的谐波分量；而轻型直流输电采用VSC技术，在直流侧采用电容器滤波。

在应用场合上，两者的区别为：1） 小岛、钻井平台等远离电网的负载，交流电缆在距离超过50～100 km或者传输功率过大时变得不可行。传统直流输电一方面占地面积大，另一方面控制较为复杂；而轻型直流输电系统可向无源网络供电。2） 传统直流输电往往用于大容量电能传输；而轻型直流输电在小、中容量电能传输成本方面更具有竞争力。3） 轻型直流输电灵活的潮流控制能力使得其可以充当系统中的SVC（Static Var Compensator）或STATCOM（Static Synchronous Compensator），两端换流站可以各自独立地调节交流电压，在系统故障情况下，其控制交流电压的能力对稳定电力系统更有利。4） 传统直流输电系统要求所连接电网短路容量足够大；而轻型直流输电则可以用于短路容量小的系统，甚至是无源网络。

在控制方式上，两者的区别为：1） 传统直流输电靠控制无功补偿器（如电容器）的投切达到无功补偿目的，其控制比较复杂，同时成本较高；而轻型直流输电VSC换流站本身可以自由控制有功和无功功率，甚至可以使功率因数为1，对于VSC而言，这种调节能够快速完成，可以等效为一个无惯性的发电机。2） 轻型直流输电系统通过PWM方式自由控制输出交流电压幅值和频率，可将变压器一次电压稳定在常数值，在系统发生短路故障时通过调节输出电压降低短路电流，这对于提高系统稳定性有一定作用。3） 轻型直流输电系统的站与站之间不需要快速通信联系，每个站可以独立控制。

4 轻型直流输电应用

轻型直流输电采用VSC结构，单个VSC可以通过电网向直流负载供电，或者接发电单元（如光伏发电）到电网；两个VSC可以构成点对点的直流传输；由于VSC的直流电压在系统潮流反转时极性不变，所以多个VSC端子可以构成直流网络，向多个负载供电，或者接多个发电单元。

1） 向远地负载供电，如油田、钻井、遥远山区等远离电网的负荷，采用交流架空线输电往往代价高或者不可能，所以这些地方常用当地发电，最常用的燃料是柴油，不仅造成环境污染，而且燃料运输、维护的代价也很高。而这些负荷通过轻型直流输电技术与电网相连，能够大大降低供电成本、改善环境。

2） 小岛供电，如海上钻井平台等，采用轻型直流输电技术和海底电缆取代当地发电，可降低成本、改善环境，同时大大减小电站占地面积。有些海上大功率负荷，如大功率压缩机，需要调速功能，如果专用一条轻型直流输电线路向该负荷供电，加上Motorformer（一种新型高压电动机），就可以省掉变压器，从而将电动机和轻型直流输电直接相连，实现变频调速。另外，由于PWM控制方式使得轻型直流输电输出电压电流接近正弦，也大大地减小了滤波器和电抗器的尺寸。

3） 连接小规模发电厂到电网，如风能发电、太阳能发电、潮汐发电、小水电厂，以及海上钻井平台的气体涡轮发电等，这些电厂由于地域和环境限制，往往远离电网和主负荷区，如何将这些地域分散、规模较小的电厂用较低成本连接到电网是一个亟待解决的问题。轻型直流输电技术的出现解决了这一问题，其优点之一是允许发电机工作在不同于电网的频率下，甚至允许以变频率方式工作。

4） 城市中心区电力增容。随着城市人口膨胀和城区合理规划，在城区进行电力传输架空线的施工日益困难，此外，交流长距离传输对地有注入电流，需要添加补偿设备，如并联电抗器或者电容器等。轻型直流输电采用地埋式电缆，既不会影响城市市容，也不会有电磁干扰，同时还适合长距离电力传输。

5 结论

新型的、基于VSC技术的轻型直流输电与传统直流输电相比，具有很多优点，其作为一种成本合算的直流输电技术，适合于向远地负载、小岛、海上钻井等孤立网络供电。随着新能源发电和分布式发电技术的发展，轻型直流输电成为一种更合适连接新能源发电电站和电网的方式。

在控制方式上，两者的区别为：1） 传统直流输电靠控制无功补偿器（如电容器）的投切达到无功补偿目的，其控制比较复杂，同时成本较高；而轻型直流输电VSC换流站本身可以自由控制有功和无功功率，甚至可以使功率因数为1，对于VSC而言，这种调节能够快速完成，可以等效为一个无惯性的发电机。2） 轻型直流输电系统通过PWM方式自由控制输出交流电压幅值和频率，可将变压器一次电压稳定在常数值，在系统发生短路故障时通过调节输出电压降低短路电流，这对于提高系统稳定性有一定作用。3） 轻型直流输电系统的站与站之间不需要快速通信联系，每个站可以独立控制。

4 轻型直流输电应用

轻型直流输电采用VSC结构，单个VSC可以通过电网向直流负载供电，或者接发电单元（如光伏发电）到电网；两个VSC可以构成点对点的直流传输；由于VSC的直流电压在系统潮流反转时极性不变，所以多个VSC端子可以构成直流网络，向多个负载供电，或者接多个发电单元。

1） 向远地负载供电，如油田、钻井、遥远山区等远离电网的负荷，采用交流架空线输电往往代价高或者不可能，所以这些地方常用当地发电，最常用的燃料是柴油，不仅造成环境污染，而且燃料运输、维护的代价也很高。而这些负荷通过轻型直流输电技术与电网相连，能够大大降低供电成本、改善环境。

2） 小岛供电，如海上钻井平台等，采用轻型直流输电技术和海底电缆取代当地发电，可降低成本、改善环境，同时大大减小电站占地面积。有些海上大功率负荷，如大功率压缩机，需要调速功能，如果专用一条轻型直流输电线路向该负荷供电，加上Motorformer（一种新型高压电动机），就可以省掉变压器，从而将电动机和轻型直流输电直接相连，实现变频调速。另外，由于PWM控制方式使得轻型直流输电输出电压电流接近正弦，也大大地减小了滤波器和电抗器的尺寸。

3） 连接小规模发电厂到电网，如风能发电、太阳能发电、潮汐发电、小水电厂，以及海上钻井平台的气体涡轮发电等，这些电厂由于地域和环境限制，往往远离电网和主负荷区，如何将这些地域分散、规模较小的电厂用较低成本连接到电网是一个亟待解决的问题。轻型直流输电技术的出现解决了这一问题，其优点之一是允许发电机工作在不同于电网的频率下，甚至允许以变频率方式工作。

4） 城市中心区电力增容。随着城市人口膨胀和城区合理规划，在城区进行电力传输架空线的施工日益困难，此外，交流长距离传输对地有注入电流，需要添加补偿设备，如并联电抗器或者电容器等。轻型直流输电采用地埋式电缆，既不会影响城市市容，也不会有电磁干扰，同时还适合长距离电力传输。

5 结论

新型的、基于VSC技术的轻型直流输电与传统直流输电相比，具有很多优点，其作为一种成本合算的直流输电技术，适合于向远地负载、小岛、海上钻井等孤立网络供电。随着新能源发电和分布式发电技术的发展，轻型直流输电成为一种更合适连接新能源发电电站和电网的方式。

在控制方式上，两者的区别为：1） 传统直流输电靠控制无功补偿器（如电容器）的投切达到无功补偿目的，其控制比较复杂，同时成本较高；而轻型直流输电VSC换流站本身可以自由控制有功和无功功率，甚至可以使功率因数为1，对于VSC而言，这种调节能够快速完成，可以等效为一个无惯性的发电机。2） 轻型直流输电系统通过PWM方式自由控制输出交流电压幅值和频率，可将变压器一次电压稳定在常数值，在系统发生短路故障时通过调节输出电压降低短路电流，这对于提高系统稳定性有一定作用。3） 轻型直流输电系统的站与站之间不需要快速通信联系，每个站可以独立控制。

4 轻型直流输电应用

轻型直流输电采用VSC结构，单个VSC可以通过电网向直流负载供电，或者接发电单元（如光伏发电）到电网；两个VSC可以构成点对点的直流传输；由于VSC的直流电压在系统潮流反转时极性不变，所以多个VSC端子可以构成直流网络，向多个负载供电，或者接多个发电单元。

1） 向远地负载供电，如油田、钻井、遥远山区等远离电网的负荷，采用交流架空线输电往往代价高或者不可能，所以这些地方常用当地发电，最常用的燃料是柴油，不仅造成环境污染，而且燃料运输、维护的代价也很高。而这些负荷通过轻型直流输电技术与电网相连，能够大大降低供电成本、改善环境。

2） 小岛供电，如海上钻井平台等，采用轻型直流输电技术和海底电缆取代当地发电，可降低成本、改善环境，同时大大减小电站占地面积。有些海上大功率负荷，如大功率压缩机，需要调速功能，如果专用一条轻型直流输电线路向该负荷供电，加上Motorformer（一种新型高压电动机），就可以省掉变压器，从而将电动机和轻型直流输电直接相连，实现变频调速。另外，由于PWM控制方式使得轻型直流输电输出电压电流接近正弦，也大大地减小了滤波器和电抗器的尺寸。

3） 连接小规模发电厂到电网，如风能发电、太阳能发电、潮汐发电、小水电厂，以及海上钻井平台的气体涡轮发电等，这些电厂由于地域和环境限制，往往远离电网和主负荷区，如何将这些地域分散、规模较小的电厂用较低成本连接到电网是一个亟待解决的问题。轻型直流输电技术的出现解决了这一问题，其优点之一是允许发电机工作在不同于电网的频率下，甚至允许以变频率方式工作。

4） 城市中心区电力增容。随着城市人口膨胀和城区合理规划，在城区进行电力传输架空线的施工日益困难，此外，交流长距离传输对地有注入电流，需要添加补偿设备，如并联电抗器或者电容器等。轻型直流输电采用地埋式电缆，既不会影响城市市容，也不会有电磁干扰，同时还适合长距离电力传输。

5 结论

新型的、基于VSC技术的轻型直流输电与传统直流输电相比，具有很多优点，其作为一种成本合算的直流输电技术，适合于向远地负载、小岛、海上钻井等孤立网络供电。随着新能源发电和分布式发电技术的发展，轻型直流输电成为一种更合适连接新能源发电电站和电网的方式。