电力电子技术在高压直流输电上的应用

田叶+詹悦+刘远

摘 要：高压直流输电技术是电力电子技术在电力系统中重要的应用领域。相对于高压交流输电，高压/特高压直流输电具有输送距离远、输送容量大、损耗低的特点。我国能源资源与用电需求在地理分布上不均衡，能源输送距离和规模逐年增加，对电力传输优化提出了迫切的需求。本文就电力电子技术在高压直流输电上的应用进行了介绍。

关键词：电力电子技术，高压输电，应用

1 概述

随着电子电力技术的不断发展，以灵活交流输电（flexible AC transmissionsystem，FACTS）技术、高压直流输电（high voltageDC，HVDC）技术、定制电力（custom power）技术和能量转换技术为代表的先进电力电子技术越来越广泛地应用到我国电网中，它是建设统一智能电网的重要基础和手段。加强先进电力电子技术的科技进步，是保证我国电网长远发展的重要战略任务。

2 电力电子技术与电力系统

20世纪50年代，伴随小体积、低耗能晶闸管和电力二极管的出现，电力电子技术开始应用在电力系统。在晶闸管的基础上，发展产生的硅整流可控装置，实现了电力系统发展的重大跨越，电力系统正式进入到有电力电子技术构成的变流器控制时代，逐步取代了老式贡弧整流器。

随着我国经济的进一步发展，电力系统也发挥着更为重要的作用，在电力系统的应用规模逐步扩大的同时，能源的大量燃烧消耗也给自然环境的带来更大的破坏，因此未来的发展对可持续化的要求越来越高，有效、高效、合理的利用电力能源至关重要。

3 电力电子技术与电力输送

电力电子技术在输电环节的应用常用的输电方式有直流输电技术与柔性交流输电技术两种.无论是哪种输电技术.在输电的过程中都或多或少地利用了电力电子技术。直流输电与交流输电各有各的优缺点.直流输电因其极具稳定性、便于控制等特点。经常用于远距离的输电。在我国对于电力电子技术有了一定的研究基础之后.就用晶阀管换流阀代替了原来在直流输电中运用的汞弧阀换流器.简化了直流输电的设备器件.解决了在输电过程中耗费资金巨大的问题。

4 高压直流输电技术

直流的高压输电采纳了如下途径：交流电从电厂发出，经过换流器后，整流可得输出的直流电。在这之后，受电端接纳了输入进来的直流电，逆变器可变换原先的直流电而后输送交流电。针对于较大容量、异步联网及距离较长的用户送电，都可选取如上的输电途径。架空输电借助于直流电路，这类电路减低了总成本，缩减损耗且确保了稳定。在额定频率下，电缆输电采纳了互联性的新式电网，更能便于海底及地下特定的输电。在扩建及增容时，分级构建的电力体系也更便利了潮流控制。

5 直流输电技术新发展

5.1 多端HVDC

HVDC系统可分为两端HVDC系统和多端HVDC系统两大类。背靠背HVDC系统是两端HVDC系统的一个特例，即其直流输电线长度为零，主要用于系统间的非同步联网。多端HVDC是由2个以上换流站通过直流线路相互联结所组成的HVDC系统。严格来讲，多端HVDC并不是一个新的概念，其基本原理早在20世纪60年代中期就已被阐述，但直到现在，绝大多数的HVDC工程均为只有一个整流站和一个逆变站的两端HVDC系统，真正的多端HVDC系统世界上只有意大利-撒丁岛（Italy-Sardinia，三端）和魁北克-新英格兰（Quebec-NewEngland，五端）两个。阻碍多端HVDC发展的主要原因是其控制保护技术复杂和高压直流断路器制造困难。

5.2 LTT的应用

目前大多数HVDC系统换流器的基本组成元件为ETT（电触发晶闸管）。这种换流器是在低电位将触发脉冲转换为光脉冲，通过光导纤维传送到高电位，再在高电位将光脉冲转换为电脉冲，然后送到每个晶闸管的控制极对其进行控制。这种触发方式比较复杂，故障率较高。由LTT 组成的换流器可直接用光脉冲对晶閘管实施控制，不需在高电位再将光脉冲转换为电脉冲，从而使触发系统得到简化，故障率降低。

5.3 轻型HVDC

大功率电力电子器件，例如IGBT，IGCT的发展使得电压源型（VSC HVDC）技术成为可能，ABB在世界上首先提出了HVDC Light技术，并已经得到实际应用，目前在瑞典、法国、挪威等多国建立了HVDC Light工程。西门子的HVDCplus（plus=Power link universal systems）也是类似技术，另外还有名称为Self-Commutated Converter（自励式换流站）。这种自励式换流站技术分为两种：电压源型自励式换流装置；电流源型自励式换流装置。 第一种交流输出电压为方波，第二种输出电流为方波，电流源型不同于电压源型的特点在于潮流反向时电压极性必须改变。

5.4 电容换相换流器（CCC）

针对传统直流输电缺陷，如消耗无功过大缺点，发展了人工换相技术，使换流站工作在α，γ≤0情况下，有效克服这一缺点。实现人工换相方案很多，传统做法有串连电容器换相技术（CCC-Capacitor Commutated Converter），最新的发展有采用可控串联电容器的换流器技术（CSCC-Capacitor Series Commutated Converter）。

CCC/CSCC基本思想是用串连的电容器来补偿换流器的无功消耗。与传统直流输电相比，CCC/CSCC具有如下技术特点：

1. 提高换流器功率因数。主要是因为由于采用串联电容器，只要选择了合适的电容器，CCC/CSCC能够保证很高的功率因数，同时也具有很高的换相可靠性；

2. 降低甩负荷时的过电压。CCC/CSCC所需的无功功率主要由串联电容补偿，而串联电容所产生的无功可以随负载增减，从而有效降低甩负荷时产生的过电压；

3. 能够有效地降低受端交流系统故障时逆变器换相失败的可能性；

4. 提高HVDC运行稳定性。主要是由于CCC/CSCC直流电压随直流电流下降的斜率要比传统PCC技术小的多，所以，它的最大传输功率要比传统直流输电大的多，提供比传统直流输电大的稳定裕度；

6 存在的问题及解决办法

电力电子技术在电力系统中的应用已经取得了较大进展，但是现阶段还没有健全的大规模应用电力电子装置的可靠性、经济性评估体系。如何评价大规模应用电力电子装置时的电网适应性与电力电子装置带来的经济效益成为一个亟待解决的问题。安全使用电力电子技术是智能电网的重要课题，由于大量采用电力电子换流技术，所以在系统中发生了谐波不稳定和同步电机自激扭振或次同步谐振问题，这是电力电子和HVDC系统的关键问题之一，国内也已开始了相关的研究工作。

7 总结

智能电网是一个互动系统，对于系统变化、用户需求和环境变更的要求，电网要有最佳的反应和适应能力，而电力电子技术是使电网迅速反应并采取相应措施的有力手段。当前，我国电网中的先进电力电子技术通过多种形式的自主创新，已在HVDC、FACTS等相关产业中形成培育点，在提高电网输配电能力、改善电网电能质量、降低故障损失及缩短故障后恢复时间方面取得了一些成果。未来智能电网的建设发展，势必对先进电力电子技术的进一步发展提出新的需求[1]。

参考文献：

[1] 张文亮，汤广福，查鲲鹏，贺之渊.先进电力电子技术在智能电网中的应用[J].中国电机工程学报，2010，30（2）：1-7endprint