高压直流输电技术（精选十篇）
高压直流输电技术 篇1
自1882年法国以其2KV的直流发电机56KM的传输里程开创了直流输电的先河, 直流输电技术的应用和不断进步就一直伴随着人类历史前行。可控汞弧换流器的研制并成功运行为直流输电技术提供了发展契机, 最具代表性的就是瑞典在1954年投入商业运行的世界上第一个直流输电工程——哥特兰直流输电工程, 其电缆线路全长96Km, 输电容量为20MW, 送电电压为±100KV, 换流阀为汞弧阀, 于1970年更换为可控硅整流阀, 并将送电电压升至±150KV。随着可控硅技术的成熟发展, 1972年, 基于可控硅阀的新一代高压直流输电系统在加拿大伊尔河流域的背靠背直流工程中正式运行使用, 该工程的建成投产, 标志着直流工程的整流技术出现了新的飞跃, 告别了汞弧换流阀, 步入了大规模采用可控硅整流阀的新里程。自此, 直流输电工程项目在全世界范围内蓬勃发展, 投产总容量逐年快速递增。
我国的高压直流输电起步相对较晚, 直到1987年, 我国首个自主建成的工业实验性直流输电工程在舟山正式运行, 全部的设备均由国内制造。随后陆续建成的葛南工程、天广工程、三常工程、三广工程、三沪工程、贵广Ⅱ回工程等, 使得我国的直流输电技术逐步赶上世界先进水平, 如今, 我国已拥有世界上最先进的直流输电技术, 截止到2008年已投运了10余项工程, 并且各区域的高压直流输电工程也在不断上马, 标志着高压直流输电将会成为我国电网的重要组成部分, 在未来具有广阔的发展前景。
除此之外, 为了适应我国国民经济和电力需求的快速增长, 国家电网公司于2004年底明确提出了加快建设以百万伏级交流和±800k V级直流系统特高压电网为核心的坚强国家电网的战略目标。最具代表性的是我国自主研发、设计和建设的世界上首条电压等级最高、输电距离最远、输送容量最大、技术最先进的具有自主知识产权的“向家坝—上海±800k V高压直流输电示范工程”, 于2011年7月8日正式投入运行。这一工程是迄今为止, 世界上电压等级最高、输送容量最大、送电距离最远、技术最先进的特高压直流输电工程。而正在建设当中的预计2013年年底双极低端投运的哈密南——郑州直流输电工程, 以其2210KM的线路长度、±800KV的送电电压将是另一个记录创造者。
2 高压直流输电的优势
之所以高压直流输电能够在全球范围内蓬勃发展, 除了归功于整流技术的不断进步以及大功率整流器件的出现之外, 更重要的是高压直流输电有着交流输电不可比拟的优势。
⑴低耗材。传统的三相交流线路需要三根导线, 并且线路走廊宽, 而直流输电线路只需正、负两极导线, 其杆塔的结构简单, 线路走廊窄, 此外, 一条同电压的直流输电线路输送容量约为交流输电线路的2倍, 直流输电的线路走廊, 其传输效率约为交流线路的2倍甚至更多一点。
⑵远距离、大容量。直流输电并不存在交流输电的功角稳定问题, 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。这是直流输电传输功率的重要特点, 也是它的一大优势。直流输电的输送容量由换流阀电流允许值决定, 输送容量和距离不受两端的交流系统同步运行的限制, 有利于远距离大容量输电。
⑶易互联。对于交流输电系统, 并网中的各个系统必须同步运行, 否则可能在设备中形成强大的循环电流而损坏设备, 或者停电事故。而直流输电两端的交流系统不需要同步运行, 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期联络, 提高两侧交流系统互为备用以及事故紧急支援的能力, 从而提高交流系统的稳定性和供电的经济性。
⑷调节快速、准确。直流输电采用的换流器是基于电力电子器件构成的电能控制电路, 通过晶闸管阀等电力电子器件换流器能够迅速、方便的调节直流线路的电流、电压和功率, 从而可以方便、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。当交流系统发生故障或受到扰动时, 利用直流输电的调节作用, 能有效地提高交流系统的稳定性。
3 高压直流输电的缺点
虽然直流输电解决了很多交流输电存在的难题, 但是直流输电本身所固有的缺点也限制了直流输电的应用范围。
⑴换流器在运行时会产生交流谐波和直流谐波, 若处理不当将其引入交流系统会给交流电网带来很多问题。为了降低谐波的影响需在交流侧和直流侧加装滤波器组, 这样无形中就增加了换流站的占地面积和运行成本。
⑵晶闸管式换流器在直流电传输过程中会吸收大量的无功功率, 高达有功功率的60%, 这就需要加装无功功率补偿装置来进行控制, 从而增加了换流站的成本和控制的复杂性。
4 结论
《高压直流输电系统》开题报告 篇2
一、毕业设计(论文)课题来源、类型 本毕业设计的课题来源为导师给定，课题类型为研究类。
二、选题的目的及意义 本毕业设计的主要任务是高压直流输电系统谐波电流的分析与研究。我国能源和负荷的地理分布极不均衡，决定了我国要解决21世纪上半叶的电力供应问题，就必须在大力开发水电和火电的同时，建设全国能源传输通道，实现长距离大容量的“西电东送”和“北电南送”，从而实现全国联网，充分发挥电网的水火互补调剂及区域负荷错峰作用。目前，我国已经建成了多条直流输电线路，包括早期建成的舟山试验工程和葛卜直流输电工程，以及近年新建的天广、三常、三广和贵广直流输电工程等。我国正在建设和规划建设中的还有灵宝背靠背、三峡一上海、云南水电送广东、四川水电送华中、华东以及西南水电送江西、福建，广东一海南联网等直流输电工程。我国的直流输电技术必将在此过程中有长足的发展。直流输电因其输电容量大，控制响应速度快，自身没有同步运行的稳定性问题，远距离、大容量送电优势明显，已成为我国重要的远距离、大容量送电和区域联网方式。高压直流输电中的谐波问题也日益突出，谐波的存在使
得系统电能质量下降。其不但会严重影响电力系统自身的安全运行，而且还影响输变电设备的正常运行和干扰周围的通信系统。为此，我国于1993年对电网中的谐波制定了相应的国家标准。谐波对电力系统和其他用电设备可能带来非常严重的影响和危害。如果交、直流系统的谐波分量过大，会使系统电压波形发生畸变，降低电能的质量。谐波电压和谐波电流对电力系统的影响一般有以下几点：
1．会在电网中引起局部的并联或串联谐振，加大了谐波分量；
2．由谐振导致的局部过电压，加速电力设备绝缘老化，缩短使用寿命，增加建设投资；
3．增加电网中发电机和电容器的附加损耗；
4．影响换流器控制的稳定性；
5．干扰邻近的通信设备，使电话线路产生杂音，降低通信质量。
6.干扰仪表和电能计量，造成较大误差;
7.对继电保护或自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动
8．谐波的存在对电网的经济运行也有一定程度的影响。即使是在谐波分量没有超标的情况下，谐波也会造成大量有功功率和无功功率的损耗。虽然它的相对值并不大，但是绝对数量也是非常可观的。高压直流输电的换流器是一个高度非线性的谐波源，高
压直流输电系统运行时会在交、直流系统中产生丰富的谐波，包括特征谐波及非特征谐波，因而进行谐波治理之前需要了解高压直流输电系统中谐波的次数及含量。这也正是本课题的研究意义所在。
三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势 由于电力系统日益复杂化以及电能质量要求日益提高，高压直流输电系统谐波检测研究也在向纵深发展，主要发展趋势有：
(1)谐波检测对象研究从以稳态谐波检测研究为主转向非稳态谐披(波动谐波、快速变化谐波)检测。目前，对稳态谐波检测的研究已经比较深入，其中的FFT检测方法及其实现技术已经比较成熟。
(2)谐波检测方法研究将以改善FFT为主转向探索新的有效方法。由于DFT、FFT受使用条件的限制，对小波变换、瞬时无功功率理论、d-q旋转坐标变换、NN遗传算法等开展深入研究是一种必然选择，这些新的谐波检测方法被广泛应用是一种发展趋势。
(3)谐波检测实现技术研究将以模拟电路技术和不可编程数字电路技术为主转向追求高精度、高速度和高可靠性、高实时性、高鲁棒性的可编程器件技术”。
(4)谐波理论研究从以传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论。传统的谐波理论很少关注不同次谐波之间产生的畸变
功率问题以及非稳态谐波问题，已经不能完全适应电力系统复杂化的客观实际，探索适用于复杂化系统的通用谐波理论以及新的谐波评定方法，不仅是谐波理论自身发展的需要，更是解决电力系统谐波问题的客观需求。
四、本课题主要研究内容 本课题主要研究内容为：
了解国内外高压直流输电系统及其谐波问题的研究状况及研究方法。
学习快速傅里叶变换理论，深入研究分析FFT理论用于分析高压直流输电系统谐波的可行性和可能遇到的问题。
利用Matlab编写基于FFT谐波检测算法，验证该算法程序的正确性和有效性。
利用Matlab搭建 Simulink 仿真模型产生比较符合实际的高压直流输电系统电流波形并进行抽样采集。
高压直流输电技术 篇3
摘要：文章简单介绍了直流输电系统的发展历史和技术优势，描述了基于计算机技术的高压直流输电系统的教学培训系统的工作原理、实现方法、技术特点，指出在当前直流输电发展迅速的时代教学培训系统将会发挥积极的作用。
关键词：高压直流输电；计算机技术；教学培训；仿真
一 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，这次试验虽然线路功耗高达78%，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。接下来由于高效率的交流发电机和电动机的发明，以及变压器可以对交流电方便的升压和降压，交流输电开始占据主导地位。1972 年，加拿大伊尔河（Eel River）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。
二 技术特点
直流输电与交流输电相比，其优点和特点明显：
1）输送容量大，输送功率的大小和方向可以快速控制和调节；
2）直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限制；
3）直流架空线路的走廊宽度约为交流线路的一半，可以充分利用线路走廊的资源；
三 对于教学系统的需求
近年来我国高压直流输电领域发展迅速，已建设多个端对端高压直流输电工程和背靠背高压直流输电工程，每个新的工程建设中都需要招聘一批新员工，因此，即使是已经在换流站工作了一段时间的员工，也需要再进一步进行一些非日常操作的教育和培训。
四 系统软件组成
整个系统的软件包括一次设备仿真部分、二次设备仿真部分、运行人员监控系统，分别针对换流站中的一次设备、二次设备、监控设备。其中运行人员监控系统和换流站实际使用的系统相同，这样对于换流站运行人员而言，其面对的系统和实际系统相同，从而达到教学和培训目的。一次和二次设备同样使用计算机技术实现，其中一次设备部分使用三维虚拟显示技术实现整个换流站一次设备的模型，学员可以在场景中“巡视”，实地“观看”到设备的动作和运行情况。
五 系统功能及其实现
整个教学培训系统的主要功能包括四个方面，分别是教学功能、练习功能、自动评分功能、考核功能，这四个方面基本包括了一个完成的教学培训过程的全部，每个教学培训过程一般从教员的示范开始，即教学功能，示范后由学员依据所学内容自由练习，经过一段时间的练习后参加统一考核，便于教员了解学员的学习情况，以及判断学员是否已经掌握了教学内容，在此过程中，自动评分系统一直作用于联系模式和考核模式下。
1）练习功能的实现方法
练习功能是在系统的练习模式下实现的，在此模式下运行时，每两个学员为1组，即1个整流站学员，1个逆变站学员，下面以学员A和学员B代替，在其中1个学员站上启动数据模型，在此模式下，学员A和学员B的操作，会经过本机的数据服务传递到数据模型中，经过数据模型处理后其结果传递到学员A和学员B的数据服务，再反应到学员A和学员B的操作界面上。
2）教学功能的实现方法
教学功能是在系统的教学功能下实现的，在此模式下运行时，两个教员站之间按照学员练习模式组成一个完整的端对端直流输电系统，其中一个作为整流站，另外一个作为逆变站，在其中1个教员站上启动数据模型，该模型模拟整个端对端直流输电系统，教员站1和教员站2上都启动数据服务和操作界面，所有整流站的学员站启动操作界面，并连接到教员站1的数据服务上，所有逆变站的学员站启动操作界面，并连接到教员站2的数据服务上。
3）自动评分系统的实现方法
自动评分系统主要包括三个方面，和一般的考试基本相同，即出题、答案和评卷，在其中使用计算机辅助操作，使该过程更加自动化，简化教员的劳动量，降低工作强度。首先是题库的维护，包括题目的获取、添加、修改和删除，然后是答案的自动生成系统，用来给图库中的题目生成標准答案，最后是自动评分部分，该部分依据上一步骤中的标准答案和该学员的操作记录来评判学员对于该题目的完成情况，并给出评价。
出题部分：所有的试题都以一个操作任务的形式保存在数据库中，所有教员站和学员站可以访问此数据库得到试题的列表，每个试题的表现形式都是一个以字符串表示的试题题目。在学员站获得试题列表后，只能选择题目来获得操作任务，不能对试题进行其他操作，在教员站上，可以操作数据库进行试题的获取、修改、添加和删除，操作方式就是基本的数据库操作，答案自动生成：在教员站上，选取一个题目后，可以为此题目生成答案，生成答案时不需要手动添加内容，只需要按照试题要求完成试题要求的操作任务即可，操作过程会记录下来生成操作列表，作为答案写入数据库中。所有的试题都使用字符串来表示和描述，所有操作也都以字符串来描述，在生成答案的过程中，教员的所有操作都生成一个用来描述的字符串，待操作完成后，所有操作记录即这些字符串列表被写入到数据库中作为标准答案。在这个系统中，所有的试题和答案都是自描述的，不需要手动填写，系统本身并不需要了解试题或者答案所代表的内容和含义，只是以字符串的方式把试题和答案保存到数据库中。
自动评分过程：在学员站上，选取一个题目后，学员开始答题，所有操作过程被记录下来，此部分和教员生成答案的过程一致，当操作完成后，所有记录的操作过程上传至服务器，供自动评分系统使用。在本方法中，由于所有的操作记录为计算机自动生成，所以相同的操作在教员生成答案时和学员答题时生成的描述操作的字符串完全相同，在自动评分时，通过字符串比较，会把学员的操作记录和教员操作记录生成的答案进行对比。
操作正确的判断依据：两者操作项目和操作顺序完全一致，则判定此次操作为正确操作；操作项目缺失的判断依据：在教员操作时生成的答案中存在的操作序列，在学员的操作序列中没有，则认为缺少了对应的操作项目，则在评分记录中含有操作项目缺失；操作顺序错误的判断依据：两者的操作项目一致，但是学员的操作顺序和教员的操作顺序不一致，则认为器操作顺序有误；进行了额外操作的判断依据：在学员操作时生成的操作序列中存在，在教员操作时生成的答案中未存在，则认为进行了额外的操作，则在评分记录中含有操作了未允许操作设备。
3）考核功能的实现方法
教学功能是在系统的考核功能下实现的，在此模式下运行时，运行方式和练习模式时相同，其结构和数据流程都没有变化，差异在于在此模式下，所有学员机的初始状态都是教员机确定的。
六结束语
在当前电网不断扩展、直流输电工程逐渐增多、大区联网势在必行、智能电网飞速发展的今天，对于直流输电领域的专业运行和检修人才的需要会越来越多，而在实际运行过程中并不能掌握直流输电领域的全部知识，很多对于异常情况、突发情况的演练也无法进行，因此直流输电教学培训系统的应用会更加广泛，并且会发挥更大的作用。
参考文献：
高压直流输电技术 篇4
基于电压源换流器VSC(Voltage Source Converter)和脉宽调制技术PWM(Pulse Width Modulation)的电压源换流器型高压直流输电VSC-HVDC(Voltage Source Converter HVDC)技术是当今世界电力电子技术应用领域的制高点,能有效提高电能质量并确保电网安全稳定运行,是智能电网发展中具有代表性的关键技术之一。自1997年世界上首个VSC-HVDC试验工程成功投运以来,凭借其独特的技术优势,VSC-HVDC在电网互联、新能源并网和城市电网供电等方面得到了广泛应用[1]。
目前,用于HVDC的VSC基本为两电平或三电平的换流器。然而,从动态特性和谐波影响等方面考虑,采用多电平拓扑的VSC更具有优势,这是因为基于两电平、三电平的VSC-HVDC自身存在电压等级低、损耗较大等不足,在一定程度上限制了其在HVDC工程中的进一步应用[2]。以在风电场的应用为例,已有研究表明,尽管VSC-HVDC性能优良、运行灵活,但因其损耗较高、换流器容量限制等缺陷,使得其在较大型风电场并网中的应用并非最优方案,传统的HVDC效果占优[3]。常见的多电平换流器有中性点箝位型、级联型和模块化多电平型。在VSC输出电平数较多时,中性点箝位型所需的悬浮电容将急剧增加,给系统控制及设备装配带来较大的困难;级联型需要的独立直流电源较多,不易实现四象限运行,此外,该拓扑中没有公共的直流正、负极母线,无法用于HVDC场合[4,5,6]。
正是由于这些原因,一种新型的模块化多电平换流器MMC(Modular Multilevel Converter)得到了越来越多的关注和研究[7,8,9]。与VSC-HVDC相比,基于MMC的HVDC(MMC-HVDC)系统在减少开关损耗、容量升级、电磁兼容、故障管理等方面具有明显的优势。目前,世界上只有2项投入运行的MMC-HVDC实际工程:美国旧金山市(San Francisco)的TBC(Trans Bay Cable)工程和我国上海的南汇风电场示范工程。2010年11月,世界上首个MMC-HVDC工程———TBC工程在美国旧金山市北部投入运行[10],上海南汇风电场示范工程是我国第一个MMC-HVDC工程,已于2011年7月25日正式投入运行[11]。由于MMC-HVDC技术尚处于起步阶段,其基础理论研究和工程应用等相关问题仍需要作进一步的探讨。本文在扼要阐述MMC-HVDC工作原理的基础上,分析了MMC-HVDC的技术特点,并对比了其与VSC-HVDC系统之间的区别,对其目前在国内外的最新研究进展和工程应用状况作了综述和评价,最后指出了MMC-HVDC的关键问题和可能的研究方向。
1 MMC-HVDC的基本结构和工作原理
与采用相控换流器技术的传统HVDC或采用VSC技术的VSC-HVDC系统相比,MMC-HVDC系统最大的不同之处在于其采用MMC技术进行直流功率的传输。图1为MMC-HVDC系统的单线图,该系统由两端背靠背换流站及直流线路组成,送端和受端换流器均采用MMC拓扑,2个换流器具有相同的结构,分别对应图1中的MMC1和MMC2。2个MMC通过三相变压器与交流系统连接,变压器用等值电感XT表示,交流系统由等值电源Us a和等值电感Lsa表示,换流站损耗用req表示,直流侧电压用Ud表示。每个MMC的同步控制信号由对应的变压器低压侧母线获得。
图2为MMC1和MMC2对应的主拓扑电路图,该拓扑是半桥类型[12]。
由图2可知,每个MMC有6个桥臂,每个桥臂由n个规格一样的子模块SM(Sub-Module)和1个电抗L串联组成。基于模块化设计和实际生产的需要,图2 MMC中各SM的额定值相同,桥臂中的各个电抗L值也相同。当某一个输出的电压有偶(奇)数个冗余量时,称之为偶(奇)冗余。
图3为单个SM结构图。SM由2个IGBT(对应图3中VT1、VT 2)和1个直流储存电容C组成,VD1、VD2为反并联二极管,UC为SM电容电压,USM为稳态运行时SM的输出电压。SM的开关状态如表1所示。状态1表示VT1和VT 2均关闭,此时一般为MMC的非正常工作状态,如直流侧发生短路故障等;状态2和状态3为正常工作状态,对应于MMC的稳定运行,此时USM有UC或0共2种电平输出可能。从交流侧看,每相上、下桥臂所有SM串联在一起,通过适当控制SM的开断输出近似正弦的电平,从而合成所期望的输出电压,该输出电压是所有SM输出电平的代数和。因此,通过灵活调节各相桥臂中SM的数量,可在交流和直流侧输出所期望的电压和功率等级。
2 MMC-HVDC的技术特点
MMC-HVDC是基于传统HVDC发展而来的,是VSC-HVDC中的一种,其兼具HVDC系统和VSC-HVDC系统的优点[1,6]。
a.直流线路无电抗,不存在交流输电的同步运行稳定问题,因而输送功率和距离不受系统稳定性限制;可用于交流系统之间的非同步联网;输电线路少,工程造价低,损耗小。
b.可以向无源网络供电。MMC-HVDC可以工作在无源逆变方式而无需外加的换向电压,避免了传统HVDC换相失败的发生,适合用于向远距离的孤立负荷输电。
c.可同时对有功和无功分别进行独立控制,控制方式更为方便灵活。
d.潮流反转易于实现。在功率反送时,可以通过改变直流电流方向来改变潮流的流向,既有利于潮流的控制,又有利于较高可靠性的多端直流系统的构成,克服了传统多端HVDC系统并联时潮流控制不方便、串联时可靠性低的缺陷。
e.不需要交流侧无功功率的支持,反而在故障发生时可以动态补偿系统所需的无功功率,从而起到STATCOM的作用,利于提高系统的电压和功角稳定性。
f.换流站的通信不是必需的,因而更加有利于无人值守的实现。
同VSC-HVDC系统相比,MMC-HVDC基于MMC拓扑构成换流站,结构高度模块化,开关频率较低,容量升级更为容易,在以下几个方面具有明显的优势[6,13,14,15,16,17,18,19,20,21]。
a.MMC-HVDC的换流站解决了VSC-HVDC结构中IGBT器件直接串联所带来的静态、动态均压问题,并且MMC-HVDC输出波形平滑、品质较好,近似于标准的正弦电压,具有较低的谐波含量,有利于提高系统的经济性,并且对交流变压器的配置要求和冲击均较低,允许采用标准的交流变压器。
b.MMC-HVDC采用模块化结构设计,模块之间相互独立,不需同时导通,从而降低了桥臂电压和电流的变化率;并且较多的电平数使单个器件的开关频率相对较低(仅为150 Hz左右),这为MMC在较大容量场合中的应用创造了有利条件。
c.具有较强的故障管理能力。由于MMC-HVDC的SM冗余特性,使得故障的SM可由冗余的SM替换,并且在系统发生严重故障时,可将冲击电流限制在较低的上升水平,提高了系统运行的可靠性。
d.MMC-HVDC可通过增减MMC拓扑中的SM数量来满足更高电压和容量等级的需求,易于容量的进一步升级。
e.MMC-HVDC的结构模块化程度高,可充分利用标准化的电容器等电力电子器件,利于集成化、减少成本和提高系统的可靠性,使MMC-HVDC的设计更为简单,生产、安装和调试等周期大幅缩短。
f.在直流侧无需安装高压电容器组。
此外,MMC-HVDC拓扑中的电抗器L具有以下几个功能[20,21]。
a.因MMC的三相桥臂并联在正、负母线之间,若稳态运行时各相桥臂所产生的直流电压不相等,将导致各相间能量分配的失衡,使得桥臂之间产生环流,而各相桥臂通过L直接串接,可有效抑制此环流,将其限定在较低的水平,并可以采用合适的控制方式对其加以管理。
b.L串联在上、下桥臂之间,可以有效降低MMC内部或外部故障所带来的不良影响,比如在一些较严重的直流母线短路故障情况下,L可有效抑制交流冲击电流,使得直流侧每微秒电流上升率仅在数十安培的范围之内,从而使IGBT在较低的过电流水平下关断,有利于提高系统的可靠性。
c.部分接口电抗来自于加装的电抗器L[20]。
总之,相比于VSC-HVDC,MMC-HVDC的技术更有优势,表2为2种系统的主要性能比较。
3 MMC-HVDC在国内外的研究与应用
对VSC-HVDC技术的命名,目前还没有统一的标准,CIGRE和IEEE称其为电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC),西门子公司称之为HVDC Plus,ABB公司称之为轻型直流输电(HVDC Light),我国的科研人员将该技术命名为柔性直流输电(HVDC Flexible)[6,22]。为简便起见,本文对以MMC拓扑为基础构成的VSC-HVDC,均以MMC-HVDC称之。
MMC拓扑自2001年提出以来,其在HVDC场合的研究和应用获得了广泛的关注。目前,国内外的研究工作主要集中在MMC-HVDC的建模仿真、调制、控制、故障状态下的系统行为等方面,虽然国外开展得较早,但是国内无论在理论研究或工程实践方面均不落后,浙江大学、中国电力科学研究院、清华大学等单位已经开展了这方面的相关研究,并取得了一系列的成果。
文献[23]建立了MMC-HVDC的简化等效模型,并分析了矢量控制在MMC-HVDC中的应用。文献[24]建立了适合于电磁暂态程序的MMC-HVDC等效精确模型。文献[25]建立了MMC-HVDC的开关函数模型。文献[26]将最近电平逼近用于MMC-HVDC的调制。文献[27]将平衡控制的重点放在电容电压越限的SM上,提出一种适合MMC-HVDC的电容电压优化平衡控制策略,对电容电压未越限的SM,采取一定的优化策略以降低开关器件的开关频率。文献[28]研究了MMC-HVDC系统的内部环流抑制原理,指出通过适当增大桥臂电抗的数值,可以将内部环流限制在某一范围之内。文献[29]对多端MMC-HVDC系统进行了分析。
3.1 国外的MMC-HVDC工程应用
TCB工程的设计容量为400 MW,额定电压为±200 k V,单个桥臂由200个子模块构成,其输电线穿越旧金山—圣巴勃罗—萨斯湾的海底,全长约85 km,由海底电缆连接旧金山换流站与匹兹堡(Pittsburgh)换流站,将水力、地热和风能发出的电力从匹兹堡输送至旧金山,隶属于美国加州独立系统运营商(CAISO),由西门子公司负责承建,工程费用为5.05亿美元,于2010年11月实现联网运行,可供应旧金山40%的电力。图4为TCB示意图(图中波特雷罗(Potrero)和匹兹堡变电站隶属于美国太平洋天然气和电力公司(PG&E))[10,30,31]。
TCB工程的目的在于缓解已有输电走廊紧张的压力,2004年CAISO通过预算得出,旧金山市北部半岛在2010年以后,需要额外的电力输送才能确保该地区电力系统运行的可靠性,因而需要建设新的电力输送通道。在经过漫长的利益权衡进程后,2005年9月CAISO最终选择了MMC-HVDC作为解决旧金山北部半岛电力传输的解决方案,相对于传统的HVDC、VSC-HVDC系统,MMC-HVDC胜出的原因在于其卓越的性能优势。
由图4可知,TCB主要的输电线路为海底直流电缆,包括2条电力传输电缆和1条通信电缆,由于采用挤压式技术,大幅降低了该电缆在海底铺设的难度,同时亦降低了对环境的影响。图5为TCB工程所采用的电缆结构图,其类型为交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆,直径为0.254 m。
由于TCB工程的换流站位于城市中心,因而在设计和施工时,采用了地下电缆来进行传输,使得TCB工程在环境、外观方面的不利影响都降到了最小,并且电站占地面积也大幅减小,将所用的空间降到了最低限度,同时所用的电力元件及建筑充分考虑了旧金山位于地壳强烈活动的地震带因素,TCB工程的旧金山、匹兹堡2个换流站的实物图如图6(a)、(b)所示,其与传统的HVDC性能指标的比较如表3所示。
TCB工程不涉及任何电能的生产,仅用于电力的传输,该工程的投入对原电力系统的网络升级做出了贡献,减小了系统损耗,极大缓解了对旧金山市发电量的需求,并且因具有电压支撑能力,该工程的投运增强了整个旧金山湾区电力系统的稳定性与可靠性。大型城市(如旧金山市等)规模的快速发展,市中心负荷需求增长加快,空中输电走廊已没有太大的拓展余地,这给城市输配电网的增容改造带来极大的困难,使得城市电网安全稳定运行的压力越来越大,MMC-HVDC将在城市供电中发挥着越来越重要的作用。
3.2 国内的MMC-HVDC工程应用
我国MMC-HVDC技术的研究进程如表4所示。上海南汇风电场MMC-HVDC示范工程是我国自行组织的第一条MMC-HVDC工程,其采用一条直流线路替代原有的交流线路,将南汇风电场换流站通过直流电缆(长约8 km)连接到书柔换流站,之后书柔站经3.6 km交流线路接入到大治35 k V交流系统[6],工程容量为18 MV·A,额定电压为±30 k V,直流额定电流为300 A,其换流器拓扑为MMC结构(49电平),该工程是推动我国智能电网建设的重要标志性成果之一。
2011年4月13日上午9时,上海南汇MMC-HVDC示范工程顺利完成全部672个子模块及阀基控制器的生产、试验、包装任务。2011年7月25日,上海南汇风电场柔性直流输电工程投入正式运行,实现了我国MMC-HVDC工程零的突破。目前,我国规划中的柔性直流输电项目中的大治柔性直流输电工程采用的也是MMC拓扑[32,33]。
4 MMC-HVDC的关键技术及研究展望
4.1 MMC-HVDC的主电路拓扑
换流器的主电路拓扑结构是HVDC技术的一个重要方面,它与实际工程的容量和电压等级、IGBT串联数目、开关频率、损耗、开关调制方式和系统可控性等因素密切相关[22]。MMC技术的难点在于二次系统,即综合考虑子模块电容均压、内部换流的抑制等[15]。
目前,对MMC拓扑的相关研究主要集中在MMC的建模[34,35]、调制策略[36,37]、均压控制[38,39]、MMC启动(子模块的预充电)[40]、内部环流[41]、MMC的阀试验[42]等。此外,文献[43]和文献[44]分别分析了MMC中电抗和电容参数的计算方法。文献[45]分析了基于MMC的HVDC系统的拓扑结构。文献[18]分析了MMC-HVDC输出电压的电平数选取原则。
虽然MMC具有许多技术上的优点,但是该拓扑自身也有缺陷,例如同样的直流电压等级,其开关器件的数量大约为两电平的2倍,影响了其经济性。并且由于MMC的电平数较多,增加了其调制和控制的复杂度,这直接影响着MMC-HVDC系统的安全运行与稳定;MMC储能电容的分布式布置,使得子模块电容电压的均衡成为难点;MMC各桥臂之间的环流所引起的暂态不平衡与扰动等。
目前的MMC分析模型精度不高,影响了MMC-HVDC的调制和控制性能,亟待建立合适的数字仿真研究手段,研究MMC-HVDC系统一、二次设备的适用数学模型;此外,计及调制性能和谐波特性等影响,改进MMC的调制策略、提出更为适用的SM均压方法等问题,有待于进一步的研究。
4.2 MMC-HVDC的控制系统设计
作为VSC-HVDC的一种,MMC-HVDC的优点之一在于它具有强大的控制能力,其外特性与VSC-HVDC类似,系统控制、运行方式与VSC-HVDC也基本一致。文献[46-47]对MMC-HVDC系统的静态和动态行为进行了分析。文献[48-49]分析了MMC-HVDC的系统级控制。MMC-HVDC的控制系统可分为3个层次,从高到低依次为系统级控制、换流器控制和阀控制,各层因控制对象的不同而具有各自的功用,其功能原理的详细描述可参阅文献[6]。本文在此仅着重分析MMC-HVDC最为核心的部件MMC的控制,其典型控制结构包含中央控制器、微机监控单元和换流器单元3个部分,如图7所示[16,50]。
中央控制器中的调制器用于实现MMC中子模块电容的均压,电压选择器和状态输出控制器用于决定MMC电平的最优输出状态,并调制下一PWM周期的运行次序。PWM脉冲发生器用于计算触发控制中产生的延迟时间。故障处理模块用于分析不同类型的故障,当发生过电流等严重故障时,该模块将自动启用安全运行模式,并发出与系统隔离的命令;当发生一些可矫正的非严重故障,如数据传输故障等,该模块不产生与系统隔离的命令,而是对此类故障源进行定位与储存,以便在之后的定期维修中将故障清除,这提高了MMC的利用率及可维护性。
微机监控单元对整个系统进行监控,反馈控制模块通过参考定值设定模块的定值,实时向中央控制器传送数据。由于MMC中SM的数量较多,对SM电容电压的监测和排序需要占用较多的时间,数据传输量大,因而需要使用可编程逻辑门阵列(FPGA)或数字信号处理(DSP)加以处理实现。
换流器单元由规格相同的n个SM和桥臂电流测量模块构成,通过双工光纤电缆与中央控制器通信,各个SM接收中央控制器周期性的光电触发信号,同时反馈自身的电容和电压状态。光纤电缆隔离了换流器中的低压部分与高压部分,减小了相互之间的影响。数据传输和IGBT器件的门极驱动电路所需功率由相应的SM存储电容提供。
目前,无论是理论上的分析,还是工程上的实践,VSC-HVDC的控制均有很多有效的实用方法,然而,由于MMC的自身拓扑特点,使得VSC-HVDC的控制方法无法直接用于MMC-HVDC中,如何将适合于VSC-HVDC的方法移植到MMC-HVDC系统的控制中,分析MMC-HVDC系统对整个电网电能质量的影响及控制手段,值得进一步研究。此外,需要进一步探讨由多个MMC连接构成的多端直流系统的运行特性、控制方式等。
4.3 MMC-HVDC的故障保护
VSC-HVDC系统的保护配置在一定程度上决定于VSC主拓扑的电路设计和控制。对于VSC-HVDC系统中的大部分元件,保护要求与传统的HVDC基本相同[22],而MMC-HVDC拥有更强的故障保护能力,例如:当某一SM发生故障时,可由同一桥臂的冗余SM代替故障的SM,该替换过程无需机械开关,并且不影响换流系统的正常工作;当系统发生直流母线侧短路等较严重的故障时,可限制冲击电流在一个较低的水平,并且直流母线短路电流不会对电容进行放电,使得故障恢复较快;此外,桥臂电流工作于连续模式,当直流母线发生短路故障时,MMC中的电抗器也可以限制故障电流,起到保护作用。
文献[51]针对故障情况下的可靠性问题,对VSC-HVDC和MMC-HVDC的性能进行了对比分析。文献[52]针对基于7电平MMC换流器的两端背靠背MMC-HVDC系统,分析了其动态行为。文献[53]将交流系统与换流站交换功率的数学关系纳入换流站的功率圆图中,应用图解法分析了交流电网强度对MMC-HVDC系统稳态特性的影响,同时分析了接入强、弱交流电网的直流系统在不同控制方式下控制对象设定值改变时的暂态特性。文献[54]针对MMC-HVDC系统,将直流双极短路故障分为闭锁前和闭锁后2个阶段,对SM过电流的应力进行了分析,为MMC-HVDC输电系统换流器主参数的设计、试验及性能评价提供了一定的理论依据。文献[55]在交流侧系统电压发生不对称故障时,对MMC-HVDC的控制进行了研究,针对故障系统中存在零序电流通路的特点,提出了故障时的系统正负零序控制器。
从国内外研究现状来看,目前的研究主要着重于对MMC-HVDC控制系统设计及故障的仿真分析,需要进一步研究适合实际工程应用的MMC-HVDC系统的保护策略。我国上海南汇MMC-HVDC风电场换流站的调试完成,标志着继ABB、SIEMENS之后,我国也掌握了MMC-HVDC的核心控制保护技术,并成功将其应用于实际工程中。
4.4 MMC-HVDC的接地
VSC-HVDC换流站及其主要部分,例如直流电容器、滤波器和换流变压器绕组的接地都会影响换流器的性能并且增加VSC阀的负荷电流。通过对中性点接地系统在正常、异常工况下的环流及其对直流输电系统运行、各个主设备及其控制保护功能影响进行理论分析和仿真研究,可以提出相应的对策,确保系统安全可靠运行[22]。
同VSC-HVDC系统相比,MMC-HVDC系统的接地有较大的区别。由于直流侧无需安装高压电容器组,使得MMC-HVDC系统的接地比较困难。文献[30]指出接地支路可以安装在变压器二次侧与换流器的交流侧之间,接地支路结构采用星形电抗器,为本站提供地电位参考点。为了使换流器在不输送有功功率、直流线路开路的情况下,两端换流器可以独立地发出或吸收无功,两端的换流站应同时安装接地支路[2]。
4.5 MMC-HVDC的谐波和损耗
进行VSC-HVDC系统交直流侧的谐波理论计算、仿真分析和优化设计,可以为交直流侧滤波系统、PWM控制的设计及其优化,噪音和无线电干扰的降低,提供相应的理论基础[22]。VSC-HVDC系统的谐波水平和特性一般由换流器的拓扑、系统结线方式和控制策略等决定,由于MMC-HVDC系统的开关频率很低,其谐波处在一个较低的水平,在很多情况下无需使用交流滤波器。文献[36,56]分析了MMC-HVDC的电压谐波畸变。文献[57]研究了MMC的谐波补偿问题。
采用两电平或三电平的VSC-HVDC的一个致命缺点是功率损耗较大,通常是传统HVDC的2~3倍[2]。而MMC-HVDC由于换流站中的SM数较多,可以利用较低的开关频率而得到较好的输出电压波形,使得IGBT器件的开关损耗和系统总损耗大幅降低。文献[13,37]分析了MMC-HVDC的IGBT器件的损耗,并与VSC-HVDC系统的开关器件损耗进行了对比。
4.6 适合我国国情的MMC-HVDC研究
目前,风能、太阳能等可再生能源已成为各国新能源利用的研究热点,我国风能和光伏发电等可再生资源十分丰富,但是大规模、分散性的可再生能源所固有的间歇性、不确定性等问题,对电能质量造成了较大影响,对电网的安全稳定运行提出了更高的要求,而VSC-HVDC是解决以上问题的一个重要手段。
作为VSC-HVDC系统的一种,上海南汇MMC-HVDC示范工程是推进我国可再生能源并网的重要节点,目前,该工程已投入运行近一年,通过将南汇风电场发出的电能可靠地并入上海电网,有效地解决了风电场对电网的频率、电压调整以及动态稳定等方面带来的问题。该工程与传统HVDC相比,具有控制灵活、提高系统稳定性、增加系统动态无功储备、改善电能质量、节约建设用地等技术优势,并且有助于消除交流系统中的谐波污染、电压间断以及波形闪变等问题,而谐波污染、电压波形闪变等恰恰是风电、光伏发电带给电网的一大难题。
因此,基于我国直流输电的发展水平和规划,充分调研国外MMC-HVDC技术的研究成果和实践,结合上海南汇风电场并网工程的实际运行经验,研究适合我国电网实际情况的MMC-HVDC相关技术,尽快提高该技术的理论水平并加以推广应用,具有十分迫切而重要的现实意义,其最终将为我国的风电场等可再生能源并网、无源网络供电、城市电网供电、异步交流电网互联等场合的应用研究提供有力的技术支撑。
5 结论
高压直流输电技术 篇5
关键词：柔性直流输电；电压源换流器；输电线路；智能电网；电力事业 文献标识码：A
中图分类号：TM721 文章编号：1009-2374（2015）18-0143-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.072
1 柔性直流输电技术的特点及其研究现状
柔性直流输电是一种新型的直流输电技术，CIGRE和IEEE将之定义为VSC-HVDC，其中VSC为电压源换流器，它在工业驱动装置上的应用十分广泛，HVDC为高压直流输电，它是ABB公司在50多年前研发的一项技术，主要作用是提高远距离输电效率。
1.1 VSC-HVDC的系统结构及其工作原理
从图1中可以清楚地看到，该系统主要是由VSC、滤波器（交流）、电抗器、直流输电线路、电容等元件构成。其中VSC为核心部件，它是由换流桥和直流电容器构成的。
1.1.2 系统运行原理。在VSC-HVDC系统当中，按照其主电路的拓扑结构及开关器件的类型，可采用SPWM（正弦脉宽调制）技术，通过该技术在调制参考波与三角载波进行比较，若是前者的数值比后者大，则会触发上桥臂到导通并关断下桥臂，如果前者的数值小于后者，则会触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。因参考波的幅值及相位可利用脉宽调制技术实现自动调节，故此VSC的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节。
1.2 VSC-HVDC的特点分析
大体上可将VSC-HVDC的特点归纳为以下六个方面：
1.2.1 VSC-HVDC系统中的换流站独立对有功及无功功率进行控制，由此不但实现了有功与无功功率的四象限运行，而且控制非常方便和灵活。
1.2.2 换流站之间无需通讯，各个站能够独立控制运行。
1.2.3 不需要在线路间增设无功补偿装置。
1.2.4 开关频率高、滤波装置的容量较小，无需设置专门的换流变压器。
1.2.5 新型直流电缆的应用使其能够适应多种恶劣的环境。
1.2.6 采用先进的模块化设计，使其本身的体积较小，有效节省了占地面积，且便于安装。
综上，与传统的直流输电系统相比，VSC-HVDC的可控性更高，对线路中潮流的控制更加方便，对扰动的响应速度更快，更适合用于中小功率和远距离输电。
1.3 VSC-HVDC技术的研究现状
VSC-HVDC技术自问世以来便受到了业界的广泛关注，一些专家学者也加大了对其的研究力度。ABB和SIEMENS等多家公司对VSC-HVDC的技术特点及设备研发进行了深入的研究，并承担了一些实际工程的建设。与国外的发达国家相比，我国在VSC-HVDC应用方面的研究起步较晚，但在国家的大力支持下，近几年来在该领域取得了显著的研究成果。有的专家对VSC-HVDC系统的数学模型、控制策略及试验系统进行了研究；有的专家对VSC-HVDC系统的暂态建模进行了研究；有的专家对VSC-HVDC技术在城市电网中应用的可行性进行了研究。诸如此类研究还有很多，限于篇幅在此不一一介绍。
2 柔性直流输电技术的应用前景展望
由于VSC-HVDC技术所具备的诸多优点，使其在风电场并网、海上平台等方面获得了广泛应用。其在未来一段时期的应用方向主要集中在以下三个方面：
2.1 在城市电网增容及直流供电中的应用
近年来，随着我国经济的快速发展，城市化进程逐步加快，这使得城市电网的负荷出现了持续增长的态势，人们对供电可靠性和电能质量的要求也越来越高。由于国内大部分城市的电网均是以交流输电为主，在当前的形势下，电网面临的困难和挑战越来越大，如城市电网电能传输通道资源日渐紧张、供电容量激增导致短路电流超标、土地资源紧缺导致输变电站站址选择困难。由于VSC-HVDC技术所产生的谐波含量要明显少于传统的直流输电，加之其能够对有功和无功功率进行快速控制，将其应用到城市电网当中，必然能够使供电质量获得显著改善。同时VSC-HVDC的电缆为埋地式直流电缆，工程建设中不需要设置输电走廊，既能够满足城市电网的增容目的，又不会对城市市容造成影响。此外，换流站本身的占地面积较小，可大幅度节约土地资源。上述的这些优点，使VSC-HVDC技术在城市电网增容扩建中具备了一定的应用优势，这也成为未来一段时期该技术应用的主流发展方向。
2.2 替代交直流联网
从国内目前的总体情况上看，西部具有能源多、负荷少的特点，将近90%的水电集中在西部地区；东部则具有能源少、负荷多的特点，相关调查数据结果显示，东部七省的电力消费约占全国的40%以上。由上述分析不难看出，我国东西部的能源和负荷严重失衡，正因如此，使得大容量、远距离输电尤为必要，这也是特高压直流输电工程不断增多的主要原因之一。相关研究结果表明，传统的直流输电对接入电网的短路容量要求较高，并且需要额外配置大量的无功补偿装置。与此同时，随着大量特高压直流线路接入电网，使得传统直流输电系统出现了各种新的问题，如换相失败、多条直流并入电网后互相影响等。从理论的角度上讲，VSC-HVDC对接入的交流电网无任何特殊要求，可实现各种形式的交直流联网，由此对电网运行稳定性所产生的影响十分轻微，可忽略不计。从目前VSC-HVDC系统的输送容量上看，其主要受VSC容量和直流电缆耐受电压的限制，由于尚未研发出适用于大电流开断的直流断路器，故此，VSC-HVDC系统的主流侧故障自清除能力相对较差，若是在直流侧发生短路故障，则必须对交流断路器进行切除，并对整个直流系统进行闭锁处理，由此会导致故障恢复时间延长，所以不宜采用架空输电线路，而更适合电缆输电。为了使VSC-HVDC满足实际应用需要，其必须向大容量、长距离方向发展，在这一过程中，应当突破以下技术障碍：（1）改变VSC的材质，可利用碳化硅替代二氧化硅，并对其封装材料的绝缘性和耐热性进行改进，以此来突破容量的限制；（2）加大对大电流直流断路器的研发力度。一旦上述技术障碍得以有效突破，相信在不久的将来，VSC-HVDC势必会替代传统的直流输电系统承担其大容量、远距离输电的任务。
2.3 在孤立负荷供电方面的应用
由于VSC-HVDC能够对无缘网络进行直接供电，且没有最低输送有功功率的限制，故此可将之应用于远方孤立负荷的供电。以南方电网为例，在其区域内存在一些较为偏远的海岛等孤立负荷主网，其交流供电的困难较大，一般都是采用柴油机组就地发电，这种方式不但成本高，而且对环境污染大，不符合节能环保的要求。将VSC-HVDC應用于这些孤立负荷的供电，可使上述问题获得有效解决。
3 结语
综上所述，柔性直流输电是一项极具应用优势的电力技术，它的出现进一步促进了新能源使用的发展，该技术现已成为海上风电唯一的并网方法，不仅如此，它的应用还可以使电压和电流更容易达到电能质量的相关标准。由此可见，柔性直流输电技术的应用前景一片光明。在未来一段时期，应当重点加大对柔性直流输电技术相关方面的研究力度，并对现有的技术进行不断改进和完善，使其能够更好地为电网发展服务，这对于推动我国电力事业的发展具有非常重要的现实意义。
参考文献
[1] 马国鹏，李广凯.向无源网络供电的VSC-HVDC调节特性研究[J].电网技术，2012，（8）.
[2] 姜燕.基于VSC-HVDC并网风电场的暂态电压稳定性研究华北[D].电力大学，2013.
[3] 陈海荣.交流系统故障时VSC-HVDC系统的控制与保护策略研究[D].浙江大学，2012.
高压直流输电技术 篇6
关键词：国际大电网会议,高压直流输电,灵活交流输电,电力电子
0 引言
第44届国际大电网会议(CIGRE)于2012年8月26日至31日在法国巴黎召开。高压直流输电和电力电子技术专委会(SC B4)作为CIGRE的16个技术委员会之一[1],其工作范围覆盖了高压直流输电和电力电子技术研究的各个方面,也包括了所有与电力电子技术相关的电力行业,以及与这些技术有关的经济和环境方面的课题研究[2,3]。由于直流输电和灵活交流输电(FACTS)技术的快速发展和大量工程应用,本次会议中SC B4的研究工作受到了广泛关注,共有300多名来自世界各地的电力专家、学者以及与电力相关的管理人员和政府官员参加,其中中国国家电网公司也派出多名专家出席本次会议,国网智能电网研究院的4位专家在会上针对中国在此领域的最新发展作了8个技术报告并参与讨论,报告数量居有准备发言国家的第3位,内容涉及特高压直流输电技术、柔性直流输电技术、新能源接入技术、直流电网互联技术、标准体系建设等方面。在会上,国网智能电网研究院代表作了题为“中国直流和柔性直流技术发展”的报告,向广大参会代表展示了中国在直流领域的技术现状及战略规划情况。本次会议SC B4就3个方面的主题展开了讨论:(1)高压直流输电和FACTS的新工程和运行经验,包括规划中的新工程、最近已经完成和正在建设的工程,以及电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)、相控换流器高压直流输电(LCC-HVDC)和特高压直流输电工程的运行经验介绍等;(2)高压直流输电和FACTS技术的发展,包括高压直流输电换流站、FACTS装置以及特高压直流输电相关设备的研制和发展等;(3)高压直流输电和FACTS技术的应用,包括直流电网和多端直流系统的研究,FACTS装置如何提高交流系统的性能,如何在交流系统中嵌入高压直流输电系统以提高交流系统的容量和稳定性,如何利用电力电子技术实现大规模可再生能源的并网等。
本次大会中SC B4共录用了24篇论文[4]。这些论文内容涵盖了LCC-HVDC,VSC-HVDC和电力电子技术及其应用的最新发展;1 100kV直流输电设备研制;千兆瓦级VSC-HVDC工程建设;直流电网相关研究等。但有些论文的内容并不局限于某一推荐主题,也讨论了与其他推荐主题相关的内容。
本文将重点对SC B4大会推荐文章以及会议中所讨论的直流输电和电力电子技术的一些热门话题进行介绍。
1 高压直流输电和FACTS最新工程和运行经验
1.1 最新工程介绍
中国的专家介绍了大连跨海VSC-HVDC工程的最新进展。该工程用于从大连北部区域向南部市区供电,工程额定参数为1 000 MW/320kV,计划2013年投入商业运行。该工程将为大连南部地区电网提供可靠电力输送、电压支撑、黑启动等能力。
加拿大的专家介绍了利用VSC-HVDC技术代替LCC-HVDC技术建设第3条Nelson River直流双极输电线路的方案。专家阐述表明,若采用LCC-HVDC方案,由于受端是弱系统,将导致最大无功需求达到1 000Mvar。最后,在仿真软件PSS/E中建模和仿真验证了相关结论。
西班牙和法国的专家介绍了法国和西班牙VSC-HVDC互联工程的特点、采用的原因以及该工程建成后的控制和运行情况。该工程投资700万欧元,计划2014年投入商业运行,将使西班牙和法国之间的功率交换由1 200 MW提高到3 200 MW。
1.2 最近完成和正在建设的工程
ABB专家介绍了瑞典和芬兰之间将新修建的一条直流输电线路,以增加两国之间的电力输送。该工程额定参数为800MW/500kV。另外,专家还介绍对已有的一条直流架空线路进行升级、改造,将使直流电压等级达到500kV。专家还分析了系统之间的相互影响,例如次同步振荡、两站交流滤波器间谐振、直流输电线故障处理等。
有专家提出了适用于电容换相换流器高压直流输电(CCC-HVDC)的一种控制策略,以实现CCC-HVDC接入弱交流系统后能正常工作。通过在Rio Madeira背靠背工程中的仿真,验证了该控制策略的有效性。
Caprivi Link柔性直流联网工程运行在单极模式下,并使用架空线和大地回路进行输电。由于两端交流系统都为弱系统,验证工程控制和保护系统的可行性需要使用工厂系统测试和带电测试等。
美国的Intermountain直流输电工程在1986年投入运行,工程额定参数为1 600 MW/500kV。但由于加州电力供应紧张以及消纳大量风电接入,计划对该工程进行升级和改造。
1.3 电压源换流器、高压直流输电和特高压直流输电工程运行经验
Nelson River直流输电系统由1978年建设的汞弧阀直流系统和1984年建设的晶闸管阀直流系统共同构成。为了增加传输容量和保持系统稳定性,需要对这2条直流系统进行升级,包括更换汞弧阀、改善换流阀冷却系统、购买备用阀变压器、更换晶闸管模块管子等。通过升级改造,将使得系统计划维护停运时间大大减少。
中国国家电网公司介绍了其直流工程的运行经验。目前,中国国家电网公司已有10条在运行的直流工程和3条正在建设的工程。SC B4也对世界范围内运行的直流工程从2009—2010年之间的性能进行了统计,包括其停电频率和时间等。其中换流变压器故障导致的停电是影响系统强迫能量不可用率(forced energy unavailability,FEU)的主要因素。在2009—2010年间,变压器故障导致的停电时间占直流系统平均停电时间的79.0%,其他交流设备导致的停电时间占直流系统平均停电时间的4.1%。
2 高压直流输电和FACTS技术最新进展
2.1 高压直流输电换流站
中国的专家介绍了在中国建设1 100kV特高压直流输电工程的可行性,阐述了主电路绝缘配合的设计,重点介绍了1 100kV直流换流阀的结构。韩国专家对基于模块化多电平换流器的VSC-HVDC系统的电容电压控制问题进行了讨论,提出了几种方法来实现对各个子模块电容电压的平衡控制。
Alstom的专家介绍了多种DC/DC换流器的拓扑结构,以促进未来大型直流电网的建设。另外,还介绍了其在生产厂房建设的24 MW的VSC-HVDC示范工程,工程采用全尺寸样机,主要是为了验证各种模块化多电平拓扑的可行性。
中国的专家介绍了其正在开展的模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)动模仿真平台建设情况。该动模系统将可以实现451电平MMC-HVDC系统的物理和数字混合仿真,通过扩展还可以完成多端直流输电系统和可再生能源并网等相关仿真验证工作。
2.2 FACTS设备
日本的专家介绍了利用新一代电力电子器件SiC研制的100kVA的配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)。该D-STATCOM样机采用三电平H桥子模块构成的多电平换流器拓扑,其电力电子开关采用了1.2kV的SiC J-FET器件,在无滤波器情况下利用器件的高速开断能力得到了理想的电压波形。
2.3 特高压直流输电设备
中国的专家介绍了在1 100kV特高压直流输电设备研发中所遇到的问题和可行的解决办法。相关的研发工作主要集中在高压侧换流阀和穿墙套管的研制。1 100kV高压换流变压器的工作特性通过样机试验进行验证,并将在2012年完成相关型式试验。也有专家提出了在现场进行换流变压器的组装和试验的建议。
3 高压直流输电和FACTS技术最新应用
3.1 直流电网和多端直流系统
电压源换流器技术的最新发展加速了多端高压直流输电系统和直流电网的研究和讨论。本主题总共录用了8篇论文。在过去2年,B4技术委员会已有约7个工作组开展了关于未来直流电网相关技术的研究,还计划新设立7个与直流网络相关的工作组,具体内容涵盖直流系统设计和关键直流设备等。这些论文讨论了高压直流输电与FACTS技术在中国与印度的广阔用武之地,这些国家引入了世界最高的直流电压和最大的容量,而在欧洲,电压源换流器系统被应用于离岸风电场的电力传输。
加拿大专家提出了在多端直流电网中使用直流功率控制器来调节线路输送功率,以增加直流系统的可控性。功率控制器基于双向晶闸管换流器,串联在直流线路中以控制直流电网的功率流动。通过在3端和7端环形VSC-HVDC系统中的仿真,验证了其可行性。
欧洲多名专家组成的研究小组介绍了他们在直流电网技术和运行规范等方面所做的相关工作。他们主要考虑了由电压源换流器组成的辐射状直流电网(即多端直流系统),重点对直流潮流控制、短路电流抑制、故障定位和清除等方面进行了研究。另外,来自法国的专家对多端系统中的控制和保护进行了仿真分析,并在5端环形直流网络中验证了稳态和暂态情况下控制的可行性。有专家介绍了环形直流电网的控制和保护方案,并通过数字仿真验证了5端系统在稳态和动态下的运行特性。
中国的专家介绍了正在规划建设的舟山5端柔性直流海岛联网示范工程的相关情况,该工程将成为世界首个多端柔性直流输电工程。专家详细介绍了该项目已经开展的相关工作,包括系统拓扑选择、控制和保护的协调配合、黑启动等关键问题。
3.2 FACTS设备提高交流系统性能
Alstom的专家介绍了利用D-STATCOM的无功补偿能力满足可再生能源系统接入配电网系统中的并网方法,并在含风电场接入的某配电网中进行了验证。结果表明只需6 Mvar容量的D-STATCOM就能满足当地电网公司的并网导则。
3.3 交、直流混合系统
欧洲专家介绍了利用高压直流输电系统参与交、直流互联系统紧急控制的相关研究工作。该研究基于欧洲含高压直流输电系统的欧洲大陆电网(ENTSO-E)和东欧/前苏联电网(IPS/UPS)交流系统网络进行。由于VSC-HVDC没有换相失败问题,可以为系统提供电压支撑,因此,当系统发生故障或电压跌落时,VSC-HVDC快速动作以维持系统正常运行。
意大利专家介绍了西地中海区域内建设的交、直流混合多端网络,其通过ENTSO-E连接到北非电网。研究人员分析了该多端网络的规划,重点讨论了技术选择、方案设计和系统规划等方面的问题。
3.4 用电力电子技术实现大规模可再生能源并网
中国的专家介绍了中国和英国正在联合开展的提高大规模可再生能源并网能力的柔性输电网络研究情况。该项目由国家自然科学基金委员会和英国工程与自然研究理事会联合资助,西安交通大学、国网智能电网研究院、东北电力大学和英国帝国理工学院等单位联合承担了此项目的研究工作。
欧洲专家介绍了欧洲正在建设的BorWin2和HelWin1这2个大型海上风电场,它们都采用了多电平VSC-HVDC技术将风电场连接到陆上交流电网。专家详细介绍了2个工程的结构设计和电气参数选择。除了模块化多电平换流器,专家还重点介绍了其他相关技术,如将风电场侧变压器并联以增大系统可用性等。
有专家介绍了美国正在建设的含6个背靠背换流站的交、直流互联工程。该工程在前期部分将采用VSC-HVDC技术,而在后期部分将采用LCC-HVDC技术。建设该工程最主要的目标之一,是在互联的3个交流系统间通过灵活的直流功率调整以最大化地利用可再生能源。
4 结语
高压直流输电和电力电子技术的发展及其应用依然是今年CIGRE的热门话题。本次SC B4重点讨论了1 100kV特高压直流输电技术、千兆瓦级VSC-HVDC工程建设、直流电网前期研究、FACTS新技术以及相关工程关键技术等。特别是对于千兆瓦级VSC-HVDC工程建设和大型海上风电场通过直流电网接入陆上交流系统,专家们给予了较多的关注。同时,中国专家介绍的相关最新研究成果也得到了各国学者的高度关注和认可。
参考文献
[1]薛禹胜.2002年国际大电网会议系列报道——CIGRE组织结构的改革[J].电力系统自动化,2002,26(24):7-14.XUE Yusheng.The new organization in CIGRE[J].Automation of Electric Power Systems,2002,26(24):7-14.
[2]汤广福,贺之渊.2008年国际大电网会议系列报道——高压直流输电和电力电子技术最新进展[J].电力系统自动化,2008,32(22):1-5.TANG Guangfu,HE Zhiyuan.A review of CIGRE’2008on HVDC and power electronics technologies[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(22):1-5.
[3]汤广福,刘泽洪.2010年国际大电网会议系列报道——高压直流输电和电力电子技术[J].电力系统自动化,2011,35(5):1-4.TANG Guangfu,LIU Zehong.A review of CIGRE’2010on HVDC transmission and power electronic technology[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(5):1-4.
直流高压输电问题研究 篇7
关键词：高压,输电线路,电磁环境,电压稳定性,线路保护
1 绪论
1.1 研究背景
电力系统输电方式多种多样, 目前较为常见的有高压交流输电和高压直流输电。两种方式都有广泛的应用, 也各有所长。高压直流输电比传统交流输电方式、高效的输电能力;同时直流输电具有较为简单的高压输电线路。由于只存在正负极, 高压直流输电线路在维护和保养过程中更加简单, 这也在一定程度上减少了工作任务, 增强了安全系数。高压直流输电线路有两条线路, 每条线路可以独立工作互不干扰。高压直流输电具有输送距离长、承载容量大、功率容易控制等多种优点, 因此, 它的主要应用领域在以下几个方面:远距离、非同步电网互联、新能源接入电网、城市中心区域供电。
目前我国直流电的应用规模在世界范围内都处于前列。高压直流输电技术在我国前途光明, 用途广泛, 但是我国在直流技术研究方面并不领先。高压直流输电线路保护的情况对电力系统安全、稳定性影响重大, 关系到国计民生。应当加大线路保护的研发力度。
1.2 问题的引入
1.2.1 电磁环境
输电线路和变电站的生态环境影响主要表现在土地的利用、电晕所引起的通信干扰等方面。由于特高压输电电压高、分裂导线多等特点, 必然导致导线表面电场强度以及输电设备周围的空间电场强度的升高。而特高压输电线路和变电站出现的电晕现象和强电场效应对人体和生态环境是否会带来危害, 长期以来一直受到社会的广泛关注。
1.2.2 电压稳定性
高压直流输电技术极大的提高了电网的经济效益, 同时也带来许多的问题, 其中电压稳定性问题一直是研究中的一个重点, 高压直流输电系统接入弱交流系统被认为是引起电压失稳的主要因素。相比交流系统, 直流系统具有更多的参数和变量, 并且其中应用大量的电力电子器件, 使得交直流系统具有很强的非线性特性, 直流换流器的运行需要大量的无功功率作为支撑, 逆变器吸收的无功功率约占直流传输功率的40%~60%, 这对直流系统的容量提出非常高的要求, 使得系统电压稳定性置于危险的挑战之中。因此通过对高压直流输电对电力系统电压稳定性的研究, 对于具体的工程规划、设计和运行都具有非常重要的理论意义和工程价值。
1.2.3 线路保护
高压直流输电线路具有巨大的经济效应, 因此对高压直流输电线路的保护工作尤为重要。高压直流输电线路分布广阔、地理环境恶劣和气象环境复杂, 是最容易发生故障的电力设备。高压直流输电线路故障后果严重, 不仅对电网本身是一个较大的损失, 对需要电力供应的其他生产活动也会带来不可估量的损失。世界上曾出现过多次高压直流输电线路故障案例, 这些事故均产生了严重的经济后果。
2 问题研究
2.1 高压直流输电过程中的电磁环境
交流输电线路工作时, 导线上的电荷将在空间产生工频电场, 导线内的电流将在空间产生工频磁场。电场一般用电场强度描述。工频电场能在人和物体上感应出电压。在强电场中, 对地绝缘的人接触接地物体, 处于地电位的人接触对地绝缘的物体, 可能会有能感觉到的电流流过人体或出现不火花放电。这是工频电场的短期效应。关于工频电场另外一个问题是, 工频电场是否会产生长期的生态影响。随着电压等级的提高, 尤其发展到特高压阶段, 输电工程的工频电场和磁场的长期生态影响如何, 已经变成人们关注的焦点。而且选择输电线路走廊, 除了考虑电气强度因素外, 输电线路下方的电场强度也是一个重要因素。
空间某点电场强度值与每根导线上电荷的数量以及该点与导线之间的距离有关;导线上的电荷多少, 除与所加电压有关外, 还与导线的几何位置及其尺寸有关。因此, 导线的布置形式、对地距离和相间距离、分裂根数以及双回路时两回路间电压的相序等, 都直接影响线下电场强度的分布和大小。
高压输电线路的电场还会产生生态影响, 主要有短期影响、长期影响两类。短期影响指人在高压输电线路附近短暂停留可能产生的影响;相对的, 长期影响指人在高压输电线路附近长期工作或生活时可能受到的影响。
2.2 高压直流输电过程中的电压稳定性研究
电力系统在给定的运行状态下并在某一时刻受到一定的扰动后, 如果负荷节点处的电压趋于扰动后某一平衡值, 就称系统是“电压稳定”的, 如果电压不断降低 (不断升高) 则电压失稳。
电压稳定根据受到扰动的大小可以分为静态电压稳定 (小扰动电压稳定) 和大扰动电压稳定。静态电压稳定主要是研究系统中负荷缓慢变化的过程中对电压的控制能力, 通常使用的研究方法是在给定平衡点对系统进行线性化。大扰动主要研究例如系统发生故障、切负荷、切机、直流闭锁等情况下对系统电压的控制能力, 需要通过在一个相对长的时间内对系统的动态行为进行分析。
根据研究的方法的不同, 可以把电压稳定分为静态、动态和暂态稳定。静态电压稳定研究中所用的系统模型采用不计及元件动态特性的代数方程表示, 负荷端母线电压随负荷的缓慢增加而缓慢变化, 最后恢复到稳定的水平。动态电压稳定研究负荷缓慢变化过程中系统维持电压在某一稳定值的水平。暂态电压稳定研究系统DAE模型在大扰动下, 节点电压能够恢复到稳定性水平的能力。
2.3 高压直流输电过程中的线路保护
对于长距离直流输电线路, 有些情况下的故障可能会使直流差动保护的机制发生误判。比如, 则分布电容电流较大。为了提高线路的可靠性, 可以适当补偿对该分布电容电流, 从而使得分布电容电流对于直流差动保护的影响大大降低。
新型特高压直流输电线路差动保护方案为了保证线路的可靠稳定和灵敏度要求。
传统直流线路差动任何导致直流电压变化的暂态过程均可导致传统直流差动保护误动。之所以这样是由于传统线路保护没有考虑长距离大容量直流线路故障后的暂态电容电流影响。新型的直流线路电流差动保护应该具有的灵敏度高、动作速度快的优点。
耐故障电阻能力差是目前高压直流输电线路保护遇到的最大问题。总体来看, 当前所采用的高压直流输电线路保护方案存在隐患。在直流线路末端故障或直流。
3 全文总结
本文研究了高压直流输电的问题。首先分析了高压直流输电的技术特点, 优势和广泛应用的原因。随后研究了其输电过程中产生的电磁环境问题, 电压稳定性问题和线路保护等问题。分析了当前解决上述问题的常用方法。
参考文献
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高压直流输电及前景展望 篇8
直流输电系统由整流站、直流线路和逆变站三部分组成。其中, 整流站和逆变站统称为换流站。换流站的主要设备为换流器, 其作用是实现交流电与直流电的相互转换。换流器可分为整流器和逆变器。换流器由一个或多个换流桥串联或并联组成。每个桥臂具有可控的单向导通能力, 所以又称为阀或阀臂。
直流输电系统的工作过程:由交流系统送电端输出交流功率给整流站的交流母线, 经换流变压器送到整流器, 整流器将交流功率变换成直流功率, 然后由直流线路把直流功率输送给逆变站内的逆变器, 逆变器将直流功率变换成交流功率, 再经换流变压器, 把交流功率输送到受电端的交流系统。
通过调节直流输电系统两端的直流电压, 就可以调节直流电流, 进而调节直流线路输送的功率。这样, 在需要时, 可通过调节保持输送的电流或功率不变。
2 直流输电与交流输电的经济性比较
对于给定的输送功率水平, 直流输电架空线路只需正负两极导线, 所需要的走廊较窄, 杆塔结构简单, 导线和绝缘子的成本较低;三相交流架空线路需三根输电导线, 线路走廊较宽, 杆塔结构、导线和绝缘子的成本较高。
为使两者具有可比性, 假设直流和交流线路的导线截面相等, 电流密度也相等, 则每根导线输送的直流电流等于交流电流。假设交直流电路具有相同的对地绝缘水平, 则可近似地认为直流电路对地电压等于交流电路相电压有效值的undefined倍。
直流线路输送的总功率为
Pd=2UdId (1)
交流线路输送的总功率为
P=3UaIacosφ (2)
在交流远距离输电的情况下, 线路的功率因数一般较高。若cosφ=0.95, 则
undefined (3)
式中:Id为直流线路电流;Ud为直流电路电压;Ia为交流电路相电流有效值;Ua为交流线路相电压有效值;φ为交流线路功率因数角。
由式 (3) 可以看出, 在直流和交流输送功率相同的条件下, 直流架空线路的投资和输电损耗都为交流架空线路的2/3。交流输电由于线路电容电流, 引起沿线电压分布不均, 因此需要装设并联电抗器。而在直流输电线路中线路电容不起作用, 线路沿线的电压分布均匀, 不需装设并联电抗器。
直流输电线路的成本和费用比交流输电低, 而换流站的造价和运行费用比交流变电站高。因此, 对同样的输电容量, 输送距离越远, 直流输电比交流输电的经济性能越好。目前, 国外架空线路的等价距离约为600～800 km, 而电缆线路约为20～40 km。我国的架空线路的等价距离为1 000 km。随着技术的发展, 不仅会使直流输电的可靠性有所提高, 而且交直流输电的等价距离会不断缩短。
3 高压直流输电 (HVDC) 的技术特点
直流输电的特点与其两端需要换流以及输送的是直流电这两个基本点有关。其主要特点如下:
1) 直流输电架空线路只需正负两极导线, 杆塔结构简单, 线路走廊窄, 造价低, 损耗小;直流输电的输送能力强, 一回±500 kV的直流线路可输送3 000～3 500 MW, ±800 kV则可输送4 800～6 400 MW;直流线路无电容电流, 沿线的电压分布均匀, 不需装设并联电抗器。
2) 直流电缆线路耐受电压高、输送容量大、输电密度高、损耗小、寿命长, 且输送距离不受电容电流的限制。远距离跨海送电和地下电缆送电大多采用直流电缆线路。
3) 直流输电两端的交流系统无需同步运行, 其输送容量由换流阀电流允许值决定, 输送容量和距离不受两端的交流系统同步运行的限制, 有利于远距离大容量输电。
4 高压直流输电 (HVDC) 的应用
直流输电的应用范围取决于直流输电技术的发展水平和电力工业发展的需要。目前交流输电在大多数情况下投资省、运行灵活方便、技术也比较成熟。但在某些条件下, 直流输电有其独特的优越性。直流输电的应用场合有以下两大类:
1) 技术上交流输电难以实现而只能采用直流输电的场合 (如:不同频率的联网、因稳定问题而难以采用交流、远距离电缆送电等) 。
2) 技术上两种输电方式均能实现, 但直流比交流的技术经济性能好。
目前在电网建设中, 经过严格的技术经济论证, 采用直流输电相对比较有利的场合有以下几种:
①远距离、大容量输电;②电力系统联网;③直流电缆送电;④轻型直流输电的应用。
5 结语
综上所述, 利用高压直流输电进行远距离、大容量输电和全国联网在技术上、经济上及安全性等方面具有独特优势。在电力系统大规模发展但能源日益短缺的今天, 随着电力电子器件、计算机技术的发展, 新材料的出现, 新能源和可再生能源的开发利用, 高压直流输电必将为电力工业的发展发挥更大的作用。
参考文献
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[3]李峰, 李兴源.特高压直流输电的相关综述[J].四川电力技术, 2006 (10) .
高压直流输电技术 篇9
关键词：高压直流输电,直流保护,整定计算,整定预备量
0 引言
高压直流输电系统直流保护装置的工作能力以可靠性、选择性、速动性和灵敏性为衡量指标。这些指标实际上取决于保护装置的软硬件性能、保护原理的有效性和保护定值的合理性[1]。目前的研究大多集中在提高保护原理的有效性方面,如直流保护的动作原理与策略[2,3,4,5,6]、交直流系统的相互作用对直流保护的影响[7,8,9]等;而保护定值的合理性方面存在的问题已导致多起直流保护不正确动作事故[10,11],有必要对直流保护的整定计算展开深入研究。
保护定值的合理性在很大程度上取决于保护整定计算工作的有效开展。直流保护整定计算所需要的故障量极限值,如最大、最小短路电流,由于直流系统所具有的一些特点,难以通过解析化的故障分析算法方便地获得,而不得不依赖于电磁暂态仿真软件以枚举式的方法反复进行仿真计算。由于在设置故障仿真条件时缺乏标准指导而完全依赖于经验,存在着仿真量偏大和可能遗漏故障量极限值等问题,影响了保护定值的合理性,滋生出保护拒动或误动隐患。
针对上述问题,本文参考成熟的交流保护整定经验,提出了直流保护整定预备量(即与保护相关的特征故障量的极限值)的定义,并分析了系统运行方式和故障时刻等因素对整定预备量的影响,进而提出了获取整定预备量的方法:先考虑影响因素的组合,形成完备的故障模式仿真集,再利用时间尺法从特征故障量的仿真波形集中求得极限值。应用预备量的定义和获取方法,本文归纳了直流保护系统涉及到的所有预备量,设计了仿真研究直流保护定值的整定流程,并用仿真实例进行了验证。
1 直流保护整定预备量的定义
交流保护整定计算前,必须确定一类量与值,例如:保护所在线路末端短路时流过保护的最大电流(或零序电流)、本线路保护与相邻线路保护配合时的最大或最小分支系数等[12]。这类量往往受到系统运行方式、故障位置和类型的影响,必须先选择不同的系统运行方式、故障位置和类型,对这类量进行详尽的故障计算,然后根据保护要求从中选择该类量的极限值用于整定计算,如此才能得到正确合理的保护定值。
对于直流保护,在不同的交直流系统运行方式、故障位置和时刻下,故障过程以及与保护相关的特征故障量往往会有较大的差异。因此,直流保护整定计算前,也需要首先在不同的系统运行方式、故障位置和时刻的仿真条件下,仿真得到一组特征故障量波形,然后从中挑选出极限值用于整定计算。对于这类与保护相关的特征故障量和其极限值,可称之为直流保护整定预备量。
2 直流保护整定预备量的影响因素
2.1 交直流系统运行方式
为了保证直流保护装置在各种常见运行方式下都能满足灵敏性和选择性等要求,必须考虑运行方式对直流保护整定预备量的影响。
1)交流系统运行方式
采用电磁暂态仿真软件获取直流保护定值时,由于季节更替、负荷变化和设备检修等,造成交流侧网络结构变化频繁,使得建立全网仿真模型不可行,因此,一般要对交流侧进行等值。目前,工程上在仿真研究特定直流工程的直流保护定值时,常采用等值电源模型[13]。模型一般配有2套参数,分别对应交流系统的最大和最小运行方式。
2)直流系统运行方式
直流系统运行方式是指在运行中可供运行人员选择的稳态运行状态,与接线方式、直流电压方式和控制方式等有关[1]。双极直流工程可能的接线方式有单极大地回线、单极金属回线、双极线并联大地返回和双极运行等。正常情况下均采用双极方式正向输送额定功率,当一极故障停运时,通过改变极、接地极线路、直流线路和转换母线的配置,可转换至其他方式。此外,当绝缘降低或无功控制需要时,可采用降压运行方式,同时还可能伴随降电流。
直流系统运行方式的多样性对保护定值的适应性提出了更高的要求。目前的仿真研究通常重点考虑双极额定功率运行方式和单极大地返回最小功率运行方式,在特殊情况下,例如研究直流线路横差保护时,还需考虑单极金属返回运行方式。
2.2 直流系统故障时刻
换流器网络拓扑随着阀臂通断状态的变化而变化,稳态运行时拓扑变化具有周期性;受扰后,在直流控制保护系统的调节作用下,变化将无序。网络拓扑的时变特性,导致不同时刻发生的直流故障会产生不同的故障过程和特征故障量波形。因此,在仿真获取直流保护整定预备量时,需考虑故障时刻的影响。
实际情况下考虑到故障时刻影响时,可根据故障特征设置典型时刻。以整流侧阀短路故障为例,考虑桥两侧交直流电流差值的变化情况,根据换流桥侧绕组交替发生两相和三相短路的基本故障特征可知:与两相短路相比,三相短路中的差值变化更快。因此,可以根据阀短路后绕组进入三相短路的快慢来选择典型故障时刻。
当然,故障过程还受到直流控制系统的调节作用影响,在面对特定的直流工程时,通过建立实际、详细的控制仿真模型可整体计及控制的影响。因此,一般只考虑系统运行方式和故障时刻2个主要影响直流保护整定预备量的因素。在电磁暂态仿真时,考虑上述影响因素的完备组合便可形成仿真集,仿真集中的元素可称为故障模式。每个故障模式表示了在特定运行方式下、在特定时刻、发生特定故障后的一个独特故障过程。
3 直流保护整定预备量的获取方法
基于以上研究,直流保护整定预备量的获取方法可分为如下步骤。
步骤1:对整定预备量的影响因素进行组合得到完备的故障模式集。组合时,一般需考虑系统运行方式和故障时刻的影响,当保护区内有多个故障位置或多种故障类型时,还必须考虑故障位置或类型的影响。在电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC中,对故障模式集中所有故障模式分别仿真,得到与保护相关的特征故障量的波形集。
实际上,PSCAD的仿真结果以文本格式记录在输出文件Output File中,仿真波形是依照输出文件中对应的数据列绘制而成的。对波形的处理意味着对数据的处理,反之亦然。
步骤2:利用时间尺法,对波形集中的每条波形(数据列)逐条求取满足保护选择性或灵敏性要求的最大值或最小值,并形成集合。
直流保护判据大多基于采样值,但是,计时策略不完全相同,如返回较慢的DISA1模块和返回最快的传统计时模块。为方便介绍时间尺法,下文以传统计时模块为例进行说明,其在保护延时内任一采样点不满足动作判据时就清零计数器。
如图1所示,时间尺是表征时间的、长度对应于保护动作延时Δt的尺子,朝着时间轴正向,沿着与保护相关的故障电气量ΔI波形平行移动。当在时间尺长度之内的所有波形值恰好都能满足保护的选择性或灵敏性要求时,时间尺在纵坐标上的对应值,如图1中的ΔImax,便是所求故障特征量的极限值。
时间尺法本质上是对仿真输出数据列的循环判断,保护计时策略决定了循环判断的退出条件。因此,时间尺法具有普适性,同样可用于DISA1模块,此时时间尺的长度还与该模块的返回特性有关。
步骤3:从步骤2得到的最大值集合或最小值集合中,再次选取满足选择性或灵敏性要求的最小值或最大值,即为直流保护整定预备量。
4 直流保护整定预备量的应用
4.1 直流保护整定流程设计
工程上,应用PSCAD/EMTDC程序仿真研究直流保护定值的一般模式为:①电磁暂态仿真;②挑选极限故障量;③整定计算。
但是,电磁暂态仿真在设置故障条件时随意性强,容易出现仿真量过大或遗漏极限故障模式等问题;挑选极限故障量对仿真结果输出文件分析的效率偏低;整定计算则基本依赖人工进行。
针对上述缺点,基于整定预备量的研究,设计了一套系统化的整定程序,其计算流程如图2所示。
由于还难以实现EMTDC仿真程序的直接调用,整定计算程序特地设计了数据读取模块,负责将仿真结果输出文件中的相关数据列传递至预备量计算模块。预备量计算模块将结合系统数据库提供的保护延时与返回特性,按照预备量获取步骤计算出特征故障量的极限值,并送至整定计算模块,由其按照具体的保护整定原则完成整定计算。
可见,除了仿真,整定计算余下工作,包括仿真数据的读取、分析和应用,皆由整定计算程序完成,实现了整定计算流程的自动化。而且,利用整定预备量影响因素的研究结果来设置故障模式,消除了故障设置的随意性,既可不遗漏极限故障模式,还可合理降低仿真量。
4.2 直流保护的整定预备量表
直流保护采用的保护原理有差动保护、过/欠量保护、行波保护等,不同保护原理的整定预备量可能不同。以Siemens直流保护装置为例,根据直流保护整定预备量的概念和具体保护的整定原则,归纳了如表1所示的换流器保护、高压母线保护和直流线路保护的整定预备量。接地极保护由于动作延时长,常按运行参数或躲稳态最大不平衡电流的测量误差整定;高速开关保护则常按躲零值测量误差整定,两者均不涉及整定预备量。
结合归纳出的直流保护整定预备量表,按照图2所示流程开展整定工作,能够降低整定工作量并提高自动整定水平,有利于提高保护定值的合理性。
5 直流保护整定预备量实例
在阀侧绕组两相短路、阀短路或整流侧直流出线端短路后,阀会遭受严重的过应力。以贵广Ⅱ回为例,利用故障期间换流桥交流侧电流大于直流侧电流的故障特征构成了短路保护,其Y桥判据为:
式中:Iac,Y为Y绕组电流经整流后的最大值;IdH为整流器高压直流母线电流;IdN为整流器中性直流母线电流。
为避免换流阀遭受严重的过应力,短路保护Ⅰ段(Ⅱ段只在逆变侧投入)应能可靠动作,其定值IⅠ,set应满足选择性和灵敏性要求。根据预备量的定义和保护动作要求,Ⅰ段预备量应是保护动作量ΔI(ΔI=Iac,Y-min(IdH,IdN))在所有故障模式下的极限值{ΔImax}min。此处,ΔImax表示对某个故障模式仿真后得到的保护动作量波形的极大值,{ΔImax}min则表示极大值集合中的极小值。
根据预备量影响因素的分析,对于Y桥短路保护Ⅰ段,系统运行方式在交流侧考虑最大与最小2种方式,并分别对应于直流侧的双极额定功率方式与单极大地返回方式。至于故障时刻,对于阀侧绕组两相短路和阀短路,典型故障时刻可依据故障后进入三相短路的速度(最快、适中、最慢)来考虑;而对于整流站阀厅出线端短路故障,其典型故障时刻需考虑换相开始与结束时刻,以及出线端直流电压的最大值和最小值时刻。
在PSCAD中搭建了贵广Ⅱ回的仿真模型,并按照上述要求一共形成28个故障模式,仿真输出文件保存在指定的文件夹路径下。整定计算程序的数据读取模块根据保护动作量ΔI的测量通道关键字读取输出文件的对应数据列;预备量计算模块则利用时间尺法对每个故障模式的数据(波形)选取极大值ΔImax构成集合,再从中选出最小的极大值{ΔImax}min。
考虑到故障模式较多,以及篇幅的限制,图3仅给出了属于不同故障点的最小极大值所对应的保护动作量波形。
由图3可知,预备量计算模块短路保护Ⅰ段的整定预备量{ΔImax}min约为2.1(标幺值)。在整定计算模块中,根据短路保护Ⅰ段整定原则,IⅠ,set={ΔImax}min/Ksen(Ksen为灵敏系数,是由系统数据库提供的整定参数,其值一般为1.3~1.5),短路保护Ⅰ段定值IⅠ,set自动整定为1.4~1.6(标幺值)。
贵广Ⅱ回直流工程的Y桥短路保护Ⅰ段定值为1.5(标幺值),实例定值与之相当接近,证明了本文所提出的整定预备量定义、获取方法在应用于贵广Ⅱ回直流保护整定时具备一定的可行性,能够在不遗漏极限故障值的同时合理地降低仿真量(28次仿真),所设计的整定程序则进一步降低了整定工作量,显著地提高了整定自动化程度。
6 结语
针对目前利用PSCAD仿真研究直流保护定值所存在的问题,本文提出了直流保护整定预备量的定义,对其影响因素和获取方法进行了深入分析。基于上述分析,设计了仿真研究直流保护定值的整定计算流程,并归纳了直流保护涉及的全部预备量。通过仿真,初步验证了采用整定预备量的定义和获取方法可以确保不遗漏极限故障值;按照设计的整定计算流程,根据归纳的整定预备量表开展直流保护整定工作,可显著地降低整定工作量和提高整定自动化程度。上述工作整体上有利于提高保护定值的合理性。
浅谈架空高压输电线路接地装置技术 篇10
关键词：输电线路；接地装置；复杂地形；电力系统保护
中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）35-0079-02
架空高压输电线路接地装置是输电线路的重要组成部分，其安全可靠运行是电力系统可靠性的一个重要组成部分。对输电线路杆塔接地装置进行规范管理和维护，确保接地装置完整性、降低接地装置的接地电阻是降低输电线路雷击跳闸率、提高线路耐雷水平的有效措施。目前，我国的架空高压输电线路接地装置技术还欠成熟，与国际先进技术尚有一定差距。因此，研究架空高压输电线路接地装置技术，对于提高电力系统的可靠性，促进社会经济发展，具有重要意义。
1 接地装置技术的常见问题
1.1 接地网设计缺陷
在接地网的设计方面，对于每一道设计工序，如果把关不严格，有可能存在安全隐患。接地形式应该根据接地点的土壤环境、气候环境等因素合理选择。
土壤环境一个关键的相关指标为电阻率。一般而言，电阻率高的地方其接地电阻值大。因此，为了适应该类地区的土壤环境，接地体的面积应该做大些，以平衡其电阻率高带来的负面影响。同时，在一些受雷电影响较为明显的地区，其接地电阻理论值超标，将会直接影响接地网的安全可靠性。此外，土壤的酸或碱腐蚀性也是接地体在设计过程中要重点关注的方面。如果土壤过酸或者过碱，很容易导致接地体腐蚀断裂，从而失去了接地网的泄流作用。
1.2 土壤环境与接地体的电化学反应
理论上说，接地体与土壤之间的电化学腐蚀反应时刻都在发生着，反应的程度随着土壤的酸碱性水平而不同。土壤的酸碱性水平越高，接地体的电化学腐蚀现象越严重。发生电化学反应的两个表现为腐蚀微电池和腐蚀宏电池作用。当使用杆塔接地体劣质材料时，产生腐蚀微电池电化学反应的可能较大；当土壤质地及土壤渗透率处于危险水平时，易形成氧浓电池及盐分浓差电池。这两种因素都会增大接地体的接地电阻，降低接地体的导电性能。目前的输电线路装置接地体埋设过程中，这个不利因素往往被忽略，因此留下了故障隐患。
1.3 运行维护不到位
上述两点提及了设计施工过程中关于架空高压输电线路接地装置可能存在的一些技术不足之处，然而，即使初期设计合格，后期管理维护不力，也会加速接地装置的老化失效。因为其运行过程中，时刻都经受着周围环境的弱腐蚀，使接地体与周围土壤的接触电阻变大，特别是在山区酸性土壤中，接地体的腐蚀速度是相当快的。因此需要对建成的输电线路接地装置的进行很好的后期维护，以保证其安全稳定运行，提高运行可靠性。
2 针对接地装置技术不足的改进方法
2.1 关于接地装置的技术改进
2.1.1 改善接地体的防腐性能。理论上讲接地装置的寿命与杆塔结构中的其他部件相同，但是接地装置的运行寿命与土壤的腐蚀性息息相关。因此，很有必要采取防腐措施来提高接地装置的耐腐蚀性。根据国内外相关学者的研究成果，考虑接地土壤酸碱环境，从以下两个方面来改善接地体的防腐性能：注重土壤腐蚀性与接地体面积之间的匹配关系。具体而言，在土壤腐蚀性较强的农田地带、化工厂附近、地势低洼等地区，有针对性地加大接地体的横截面积，降低接地装置的电阻率，提高导电泄流性能。
利用技术手段提高接地体的防腐性能。比如说，在引下线和连接板的焊接处要进行热镀锌处理，增强焊接处的防腐性能，提高焊接处的可靠性。
2.1.2 科学选择接地装置型式。在实际工程应用中，杆塔接地装置大多采用多根水平放射线的形式。针对不同的工程实际，采取改变接地装置型式等优化措施，提高接地装置型式设计的合理性。在一些土壤电阻率相对较低的地区，如农田、低洼湿地等地，其接地装置的型式应该双轨方案，即采用水平接地体结合垂直接地体的方案，以保证其接触良好；反之，在土壤电阻率较高的地区，应该选择连续伸长接地体方案，即沿线路埋设2～3根接地线，一直延伸到下一基塔的接地装置，这种方式可以有效降低高土坡电阻率地区的杆塔电阻，提高接地体可靠性。
除上述两个重要改进方面外，对于改善架空高压输电线路的接地装置可靠性，还可以从提高接地装置施工质量的管理水平、合理应用降阻剂等方面进行提高。
2.2 加强架空高压输电线路接地的运行维护
接地装置的日常运行维护对于提高架空高压输电线路接地装置的运行可靠性，改善其现有的技术不足之处，具有重要意义。通过科学的运行维护可以及时消除接地装置存在的问题，发现潜在的故障风险，可以有效降低杆塔的接地电阻值，从而提升线路的耐雷水平。具体而言，接地装置的运行维护主要从装置部件及地下引线两方面着手。对接地杆塔的接地引下线进行定期巡视检查。通过工作人员的定期检查，可以及时发现接地体装置部件的故障隐患，排除连接螺栓松动的故障，及时更换生锈的螺栓，确保接地引下线的安全可靠。对接地体进行定期进行故障排查。该举措可以防止其受外力破坏而降低效能，在雨水较多的地区，应重点排查，防止接地体被冲刷出地面。此外，定期对接地体的锈蚀情况进行抽查，防止接地体因腐蚀而降低导电性能。
3 适应高山等不同地形下线路接地装置技术
针对新兴的产业园、物流园区，高压输电线路沿着中间绿化带走线。由于一般处于交通方便的地方，易于展开维护工作，且土壤环境条件好；此外，在新兴的产业园物流园区，其一般为人员密集区，防雷要求一般更为严格，因此其接地装置技术可采用目前较为先进、防雷性能更好的新型接地装置—空腹注水式接地装置。它能有效降低高土壤电阻率地区线路接地电阻值，具有较优良的线路防雷效果。
对于常见的高山大岭及经济园区的果园等片区地形，输电线路走线一般分为爬坡式和沿山脊式等几类，其接地装置环境较为恶劣，如土壤电阻率较高等，且不便维护。但是空腹式接地装置结构简单，经济成本较低，施工技术要求不高，可以应用在气候较为干燥的地区、土壤电阻率较高的地区以及雷电活动较为频繁的地区。因此，在具备这类地形特征的地方采用这种方法可以有效地降低施工成本、减少维护量、提高装置运行可靠性。
除此之外，适合于不同负载地形的主要接地装置技术还有深井压力灌注接地技术、电解离子接地装置技术等。深井压力灌注接地技术尽量在原地网外围布置，为在水田中不影响农民耕种及保证外延网不被破坏，外延水平接地埋设深度应达1米以上，皆具有接地电阻稳定、资金节省、安全可靠、使用寿命长等优点。
4 结语
架空高压输电线路杆塔接地装置是输电线路的重要组成部分，是保证输电线路安全可靠的重要措施。本文详细分析了现有接地防护技术的不足之处，从接地网设计、接地体敷设施工、接地体腐蚀等方面分析了目前架空高压输电线路接地装置技术存在的一些问题，并提出了相关改进措施，同时要加强运行维护管理，最后分析了空腹注水式接地装置等新型接地装置。它的应用实施，可以有效地降低施工成本，提高装置可靠性。
参考文献
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