轻型直流输电—一种新一代的HVDC技术
文俊，张一工，韩民晓，肖湘宁
（华北电力大学，北京102206）
摘要：文章在阐明基于相控换流器（PCC）技术的传统高压直流（HVDC）输电技术特点及其不足后，介绍了基于电压源换流器（VSC）技术和全控型电力电子器件的直流输电即轻型直流输电的工作原理、技术特点及其应用前景，指出轻型直流输电技术将在更多的应用领域发挥积极的作用。
关键词：轻型直流输电；高压直流输电；电压源换流器；相控换流器
1引言
人类对电的认识和应用以及电力科学的发展首先是从直流电开始的。1882年，法国物理学家M·得彼列茨进行了历史上第一次直流输电试验，将1.5kW、1.5-2kV的直流电通过电报线路驱动57km外的水泵旋转[6][9]，这次试验虽然线路功耗高达78[15]，几乎没有使用价值，但它标志着高电压、远距离大容量输电的崭新开始。这次试验由于具备发电、输电和用电设备，所以也被认为是世界上第一个电力系统[9]。1954年，第一座高压直流（HVDC）输电工程投入工业化运行，它是从瑞典本土至果特兰（Gotland）岛之间的一条20MW、100kV海底电缆直流输电线，线路全长96km。1972年，加拿大伊尔河（EelRiver）HVDC输电工程正式投入使用，这座20MW、2×80kV背靠背式HVDC输电工程以首次全部采用晶闸管阀而著称于世。到目前为止，全世界共有70多个HVDC输电工程[11]，其中，大部分电压等级超过400kV，输送功率大于1000MW或线路长度大于600km。
19世纪80-90年代，人类掌握了三相交流电路原理，不久运行效率更高的交流电机和变压器问世。1888年，俄国科学家发明了三相交流系统。当时由于交流电在发电、输电、配电和用电方面比直流电更方便、经济且可靠性更高，所以应用范围逐步扩大。20世纪50年代初出现超高压交流输电后，交流电的应用领域进一步扩大。
2基于PCC技术的HVDC输电原理及特点
传统HVDC输电的核心是相控换流器（PCC）技术，其原理是：以交流母线线电压过零点为基准，一定时延后触发导通相应阀，通过同一半桥上两个同时导通的阀与交流系统形成短时的两相短路，当短路电流使先导通阀上流过的电流小于阀的维持电流时，阀关断，直流电流经新导通阀继续流通。通过顺序发出的触发脉冲，形成一定顺序的阀的通与断，从而实现交流电与直流电的相互转换。
由于采用了半控型电力电子器件——晶闸管，所以基于PCC技术的HVDC输电在以下方面具有交流输电无可比拟的优点：
（1）可实现不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同步联络，提高了两侧交流系统互为备用以及事故时紧急支援的能力，从而提高了系统的稳定性和供电的经济性。
如日本新信侬背靠背HVDC输电工程将额定频率为50Hz和60Hz的两个交流系统进行联网；我国潘家口抽水蓄能电站采用背靠背HVDC输电方式使50Hz交流系统与站内3台可逆式抽水蓄能机组实现互联，蓄能机组的频率在36-50Hz范围内变化[14]，可使机组运行在最佳效率区。
（2）特别适合高电压、远距离大容量输电
HVDC输电不改变功角关系，因此不会由于静态稳定或暂态稳定性能变差而降低输送容量。此外，当架空线路超过700km或电缆线路超过40km时，采用HVDC输电比采用交流输电更经济[8]。
（3）尤其适合大区电网间的互联
大区电网互联是为了实现资源共享以及故障后的紧急支援，要求线路上的潮流变化迅速并能双向传送，只有采用电力电子器件的HVDC输电才能得以实现。
（4）很适合电缆供电
同型号的电缆在直流下的耐压能力几乎是交流的3倍，例如交流35kV电缆可用于直流100kV左右电压。当处于同一电压时，2根芯线的直流电缆的传输功率密度约为3根芯线交流电缆的3倍。
（5）线路功耗小、对环境的危害小
在电压等级相同、输送功率相等时，直流输电线路较交流线路小，有功损耗减少三分之一，没有无功损耗，而交流输电的无功损耗很大。直流输电的空间电荷效应使直流架空线路产生的电晕损耗和无线电干扰均较小，更容易满足环保要求。
（6）调节更快速、更准确
换流站采用的是晶闸管功率器件，可方便、快速、灵活、准确地实现有功潮流的增减和双向传送，向交流系统提供功率、频率及电压支持。现代HVDC输电工程的典型方式为双极双桥接线方式，我国葛上HVDC输电工程即为这种接线方式，见图1。晶闸管的单向导电性使PCC技术只能控制阀的开通而不能控制阀的关断，关断必须借助于交流母线电压的过零使阀电流减小至阀的维持电流以下才能使阀自然关断。因此基于PCC技术的HVDC输电具有以下不足：
（1）不能向小容量交流系统及不含旋转电机的负荷供电
如果受端系统短路容量不足，不能提供足够的换相电流，就不能保证可靠换相，逆变器容易发生换相失败故障。如果受端系统为不含旋转电机的负荷，逆变器因无法换相而不能对交流系统供电。
（2）换流器产生的谐波次数低、容量大
双极双桥换流站产生最低次数为11次、13次的谐波电流，其容量分别约占基波容量的9和7.7，加重了滤波的负担。
（3）换流器吸收较多的无功功率
正常稳态运行时，整流器和逆变器分别吸收占所输送直流功率30～50和40～60的无功功率[6，7]，暂态运行时换流器吸收的无功功率更多。
（4）换流站投资大、占地面积大
为满足谐波标准和换流器的无功需要，换流站装设有大量的无功补偿装置和滤波设备，加大了换流站的投资及占地面积，无功补偿装置和滤波设备的投资约占换流站总投资的15，占地面积约为全站总面积的三分之一[12]。
因此基于PCC技术的传统HVDC输电虽是一门成熟的技术，但在与交流输电的竞争中处于不利地位，其应用领域局限在220kV及以上电压等级的远距离大容量输电、海底电缆输电及不同额定频率或相同额定频率交流系统间的非同步互联等方面。
3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，换流器的单相电路如图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，见图3。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±Ud/2两种数值。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：
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。
到目前为止，世界上已建或在建的轻型直流输电工程有[2][4]：
（1）赫尔斯扬（Hellsjon）试验工程：1997年3月10日投运，为历史上第一个试验性轻型直流输电工程。这条输送容量3MW，电压±10kV，长10km的线路是利用一条暂时没用的交流50kV线路使Hellsjon与瑞典中部的Grangesberg交流系统通过直流互连，其接线原理见图4。多年运行情况表明该工程运行良好，为轻型直流输电建设积累了许多宝贵的经验。（2）果特兰（Gotland）工程:瑞典，50MW，±80kV，70km长，建设目的是将Gotland岛上的风力发电站发出的电力送至负荷中心。1999年6月投运。运行测试数据表明该工程各项指标均达到了设计要求[20]。
Directlink工程:澳大利亚，180MW，65km长，建设目的是使Queensland和NewSouthWales两个交流电网实现非同步运行，1999年12月投运。
（3）Tiaereborg示范工程：丹麦，7.2MW，±9kV，4.3km长，建设目的是将位于西部Tiaereborg的风力发电站与交流主网相联，2000年8月投运。
（4）EaglePass工程:美国和墨西哥，36MW，±15.9kV，采用背靠背方式,建设目的是使美国一侧的德克萨斯(Texas)州电网与墨西哥电网实现非同步互联。
（5）Cross-Sound联络工程：美国，330MW，±150kV，40km长，建设目的是通过海底电缆使位于NewMavend的Connecticut电网与纽约长岛电网联网。2000年8月开工，预计2002年5月投运。
（6）Murraylink工程：澳大利亚，200MW，±150kV，180km，建设目的是使南部电网与Victoria州电网互联。预计2002年4月投运，该工程将是世界上最长的地下电缆输电项目。
基于VSC技术的HVDC输电在技术和经济上均比基于PCC技术的HVDC输电有了很大改进，轻型直流输电的特点主要表现在以下几个方面：
（1）VSC换流器为无源逆变，对受端系统没有要求，故可用于向小容量系统或不含旋转电机的系统供电。
（2）VSC换流器产生的谐波大为减弱，对无功功率的需要也大大减少，因此只需在交流母线上安装一组高通滤波[1][2][3]下一页