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柔性直流输电相比传统直流输电的优势及应用场合

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  • 发布时间:2015/10/8 15:10:20
  • 作者:cls_yinhe

柔性直流输电及其特点

  柔性直流输电最突出的技术特点是采用了全控型的电力电子器件IGBT。与采用晶闸管的传统直流输电不同,柔性直流输电的系统反应速度快、可控性较好、运行方式灵活。

  柔性直流输电系统主要有换流变压器、连接电抗器、换流器等设备构成。柔性直流输电系统的两端VSC各能控制2个物理量,因此采用矢量控制方式,系统框图如下图所示。控制系统主要由内环电流控制器和外环功率控制器构成。其中,柔性直流输电系统的基本控制方式由外环控制器决定。外环功率控制器控制的主要物理量有:交流侧或直流侧有功功率、直流侧电压、交流系统频率、交流侧无功功率、交流侧电压等。其中,交流侧或直流侧有功功率、直流侧电压、交流系统频率等为有功功率类物理量;而交流侧无功功率、交流侧电压等为无功功率类物理量。柔性直流输电系统的每一端必须在有功类物理量和无功类物理量中各挑选一个物理量进行控制,同时,柔性直流输电系统中必须有一端控制直流的电压,这样柔性直流输电系统就存在多种控制变量的组合。

柔性直流输电系统的基本控制结构

柔性直流输电系统的基本控制结构

  对于两端交流系统为有源系统的情况,合理的控制变量组合可以是整流控制有功功率和交流侧无功功率,逆变端控制直流电压和交流侧无功功率。合理的控制变量组合随两端交流系统情况的不同而改变。但两站之间无功功率的控制是完全独立的,所需无功功率可以由交流电压控制或直接无功功率控制来实现。由于换流器容量的限制,在同一站实现有功功率和无功功率独立控制时,有功功率和无功功率必须控制在PQ平面的一个特定范围没。另外,当使用柔性直流输电向无源交流网络供电时,通常链接无源网络交流网络的那个VSC站控制交流系统频率和交流系统电压,而连接有源网络的那个VSC站控制直流侧电压和交流侧无功功率。  

柔性直流输电相比传统直流输电的优势

  相比传统直流输电,柔性直流输电没有无功补偿的问题:传统直流输电由于存在换流器的触发延角(一般为10~15度)和关断角(一般为15度或更大一些)以及波形的非正弦,需要吸收大量的无功功率,其值约为换流站所通过的直流功率的40%~60%。因而需要大量的无功功率补偿及滤波设备。而且在甩负荷时会出现无功功率过剩,容易导致过电压。而柔性直流输电的VSC技术不仅不需要将这些负荷通过柔性直流输电系统和电网相连,降低了供电成本,同时改善了环境。

柔性直流输电系统应用场合

  柔性直流输电系统主要应用在如下场合:

  (1) 向远地负载供电,如远离电网的负荷,油田,钻井,海岛等,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,而且燃料运输需要成本,再加上维护,代价也很高,有了柔性直流输电技术后,将这些负荷通过柔性直流输电系统和电网相连,降低了供电成本,同时改善了环境。

  我国拥有7000余个海岛,孤岛供电对缓解土地资源紧缺、充分利用资源意义重大。柔性直流输电可在保证电力系统稳定的前提下,通过环流技术将不同频率的交流电转化为直流,用于实现两个交流系统的互联;通过对自身电流的快速控制,有效限制互联系统的短路容量。另外,由于直流线路在投资、运行费用、长距离传输等方面具有优势,因此在隔海输电的情况下,技术经济指标往往优于交流输电方案。

  (2) 可再生能源发电并网或小规模发电厂并网,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待解决的问题。VSC-HVDC技术的出现解决了这一问题,它的一个优点是允许发电机工作在不同于电网的频率甚至是变频率方式。VSC-HVDC对交流电压的控制能力尤其适合于风力发电的传输,紊乱的风流等原因会引起风力发电电压闪变,而VSC-HVDC 用一定电压控制策略可以将电压稳定在常数值。

  如瑞典Gotland 风力发电工程,其功率50MW,±80kV,70km 长,采用柔性直流输电方式传输,其反馈电压外环能够使得电压在50ms内阶跃至新的设定值。

  随着“十二五”新能源政策的实施,我国开始大力推广太阳能、陆上风电等新能源利用,同时积极开发海上风电。但是新能源发电往往具有不可预测、流量较小、比较分散等特点。尤其是海上风电,风电场远离陆地,用普通的方式输电损耗太大,同时虽然数量很多但规模较小大多为数百万兆瓦等级,因此柔性直流输电是海上风电场并网的唯一方式。

  (3) 城市中心区电力增容。随着城市人口膨胀和城区合理规划,要在城区进行电力传输架空线的施工变得日益困难,另一方面,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,VSC-HVDC采用地埋式电缆,既不会影响城市市容,也不会有电磁干扰,同时也适合长距离电力传输。

  (4) 同步/异步电网之间互联,可用于多个相同或不同频率的电网互联,构成大区域电网;电网与电网之间一方面可以进行有功潮流输送,紧急无功支撑,对电网可靠性提供强有力的保证;另一方面,通过柔性直流将多个电网互联,可以隔离电网之间故障的进一步恶化,这也是柔性直流发展重要的应用场合之一。